牛頓環(huán)實驗中讀數(shù)顯微鏡教學(xué)設(shè)計范例

周歧剛

讀數(shù)顯微鏡是光學(xué)精密機械儀器中的一種讀數(shù)裝置，是利用顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)對線紋尺的分度進行放大、細分和讀數(shù)的長度測量工具。它常被用作比長儀、測長機和工具顯微鏡等的讀數(shù)部件，廣泛用于較小的尺寸如線紋間距、硬度測試中的壓痕直徑、裂縫和小孔直徑等的測定等。

在高等學(xué)校開設(shè)的《普通物理》實驗課程中，通常選取牛頓環(huán)實驗來讓學(xué)生來加深對光的干涉原理的理解、觀察和研究光的等厚干涉現(xiàn)象及其特點，以及用牛頓環(huán)測平凸透鏡的曲率半徑。該實驗中，對牛頓環(huán)的觀察以及各級暗環(huán)直徑的測試常用讀數(shù)顯微鏡完成。實驗中用到的實驗裝置圖如圖1所示，主要包括讀數(shù)顯微鏡、牛頓環(huán)儀、單色光源（鈉燈）、玻璃片等。其中，讀數(shù)顯微鏡是整個裝置中的重要觀察和測試工具，主要由機械部分和光具部分組成。光具部分是一個長焦顯微鏡，裝在一個由絲桿帶動的滑動臺上，滑動臺安裝在一個大底座上。滑動臺連同顯微鏡對準下方，可以左右移動。讀數(shù)顯微鏡的機械部分是根據(jù)螺旋測微器原理制造的，與螺距為1毫米的絲桿聯(lián)動的刻度圓盤上有100個等分格，因此，它的分度值是0.01毫米，讀數(shù)顯微鏡的量程為50毫米。

實驗教學(xué)中讓學(xué)生深刻理解讀數(shù)顯微鏡的結(jié)構(gòu)原理并掌握其調(diào)節(jié)和使用方法是重要的教學(xué)任務(wù)。而實驗室的讀數(shù)顯微鏡往往在超長的使用年限后磨損老化嚴重，容易出現(xiàn)一些故障，諸如標尺刻線磨損模糊不清影；回程誤差大；毫米刻尺零位不準；鏡組不隨刻度輪轉(zhuǎn)動向移動；鏡筒自行下滑等。以上故障維修不及時當(dāng)然會影響學(xué)生的實驗操作以及測試結(jié)果。傳統(tǒng)教學(xué)中，這些故障往往由實驗老師在學(xué)生上課之前排除，學(xué)生實驗課在中，按照正確的操作步驟完成實驗數(shù)據(jù)的測試和處理。但我們發(fā)現(xiàn)較多同學(xué)做完實驗后對讀數(shù)顯微鏡的理解和掌握并不深刻，最近我們在實驗教學(xué)中發(fā)現(xiàn)充分利用讀數(shù)顯微鏡的故障對測試結(jié)果的影響，從反面卻能夠加深學(xué)生對讀數(shù)顯微鏡結(jié)構(gòu)原理的理解，進而掌握其正常使用與維護保養(yǎng)，提高了學(xué)生的動手能力。以下以“讀數(shù)顯微鏡毫米刻尺零位不準故障對測試數(shù)據(jù)的影響”教學(xué)案例為例進行說明這種改進的教學(xué)范例形式。

在“牛頓環(huán)測平凸透鏡的曲率半徑”實驗教學(xué)中，我們實驗室有12套讀數(shù)顯微鏡，其中有一套由于長期使用出現(xiàn)“毫米刻尺零位不準”。我們在教學(xué)中有意保留該故障。有部分學(xué)生甚至比較馬虎，沒有意識到儀器有“毫米刻尺零位不準”故障，直接就測試記錄數(shù)據(jù)。完成20級到5級暗環(huán)左右位置坐標的測試后，學(xué)生發(fā)現(xiàn)計算出的結(jié)果中，少數(shù)較低級數(shù)的暗環(huán)直徑卻比較高級數(shù)的暗環(huán)還大！這顯然是不符合實際情況的。接著我們讓學(xué)生在正常讀數(shù)顯微鏡下測試牛頓環(huán)20級到5級暗環(huán)左右位置坐標并計算出各暗環(huán)直徑，得到正常實驗結(jié)果。我們讓學(xué)生思考為什么會有前面的異常測試結(jié)果。提示學(xué)生觀察故障讀數(shù)顯微鏡的測微鼓輪零刻線對準其標線后，再觀察主尺標線與整毫米刻線的對齊情況，學(xué)生終于“看到”了“毫米刻尺零位不準”的現(xiàn)象，進而深刻理解了其對測試結(jié)果的影響。最后我們讓學(xué)生查找資料，自己動手調(diào)節(jié)讀數(shù)顯微鏡將該故障排除，并在維修好的讀數(shù)顯微鏡上再次測試，得到正常結(jié)果。

同樣的，我們讓學(xué)生們先觀察了讀數(shù)顯微鏡的“回程誤差大；鏡組不隨刻度輪轉(zhuǎn)動向移動；鏡筒自行下滑”等故障現(xiàn)象，最后指導(dǎo)學(xué)生自己查找資料并動手排除相關(guān)故障。通過這種教學(xué)設(shè)計，學(xué)生們深刻理解了讀數(shù)顯微鏡的結(jié)構(gòu)原理，掌握了其正確調(diào)節(jié)和使用步驟以及常見故障的排除方法。

參考文獻：

[1]楊述武等，《普通物理實驗》（第四版）【M】.北京：高等教育出版社，2007.

[2]黃水平，《大學(xué)物理實驗》【M】.北京，機械工業(yè)出版社，2012.