對牛頓環實驗教學的研究

趙玉環++蔡小琳

摘 要：牛頓環實驗是利用分振幅法獲得可相干光束的典型實驗，是大學物理實驗中的一個基礎光學實驗。通過對牛頓環實驗教學的研究和思索，采用提出問題、探究問題和拓展實驗的教學方式，融入探究式教學的理念和思想。有助于學生理解和領悟滲透在物理學內容中的物理思維、物理學方法，激發學生對物理實驗的興趣，提升學生解決具體問題的能力，增強學生的自信，提高物理實驗課的教學效果。

關鍵詞：牛頓環 問題 能力

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）10（a）-0127-02

牛頓環實驗是一個比較經典的利用分振幅法獲得相干光束的大學物理實驗，傳統的做法是用鈉光燈做單色光源，通過讀數顯微鏡觀察牛頓環，并測出相應級次的牛頓環直徑，利用已知光波波長采用逐差法來計算牛頓環平凸透鏡的曲率半徑。該實驗內容簡單、操作難度低、現象單一，學生能按照步驟很快地完成實驗，但教學效果并不理想，對培養學生的解決分析問題能力和創新能力、實驗操作技能作用并不明顯。通過對牛頓環實驗教學的不斷研究和思索，筆者在教學過程中采用提出問題、探究問題和拓展實驗的教學方式，融入探究式教學的理念和思想。實踐表明，這種教學方式極大地提高了學生的實驗興趣，發揮了學生的主導作用，最大限度地激發了學生在實驗中的思維能和動手能力，進而更有效地培養了學生的實驗技巧和操作能力。

1 提出問題

相比于傳統的實驗教學過程，筆者教學過程中在實驗開始前先給學生提出一些問題，而這些問題盡可能提醒學生實驗操作過程中應注意到的相關細節，促使學生養成仔細觀察實驗現象的良好習慣，促使學生加深對實驗有關物理理論的理解，使實驗教學與理論教學有機地結合在一起。提出的這些問題筆者可以舉例說明，如牛頓環實驗教學中為何取暗環來測量，而不取明環來測量？鑒于同學上學期已經做過一些物理實驗了，對這個問題有些同學稍加思索，就說出了理由：因為暗環人眼容易對準，而明環不易對準。再如，實驗中讀數顯微鏡下方45°反射鏡與光源不等高，會給實驗帶來什么影響？因為這個問題的提出，實驗操作結束后，同學們對45°反射鏡調節中與光源不等高時的實驗現象仍頗為深刻，大家加以思索總結發現：如果45°鏡片與光源不等高，光線就不能按正常45°入射，單色光也就不能嚴格垂直入射到牛頓環上，這時讀數顯微鏡的視場變暗，亮紋和暗紋邊緣模糊不清，讀數條紋比較困難，增大了實驗誤差。再者，如果調節牛頓環儀中下方3個螺栓會出現什么現象，對實驗的測量是否有影響？帶著疑問，學生在實驗操作中對3個螺栓的用力程度、調節松緊比較用心，觀察非常仔細。結果學生發現：若3個螺栓調節過緊，則施加的壓力太大，中心暗斑半徑變大，條紋也出現稍微的變形；3個螺栓調節得過松，小的擾動和干擾就會造成條紋晃動，不利于觀察，并影響了條紋數數的準確度，從而增加實驗的偶然誤差。再如，操作中如果發現牛頓環中心出現的是亮斑，而不是暗斑，那又是什么情況造成中心出現了亮斑呢？實驗過程中同學們興致盎然，對發現亮斑的情形，都爭相觀察，之后靜思其原因。在教師的適度引導下，學生從光程差考慮發現了原因，中心出現亮斑可能是平凸透鏡曲面和平板玻璃之間并沒有緊密接觸，或者接觸處可能會有塵埃，從而產生了附加光程差。

通過上述問題的提出和引導，不僅有助于學生順利完成實驗操作，而且激發了學生的好奇心和實驗興趣。使學生切身感受到，物理實驗課并不僅僅是數據測量，實驗過程中不僅要測量，還要觀察、分析和思考。這樣學生才能真正了解物理學原理，并利于培養學生實驗中的觀察能力和分析能力，提高了牛頓環實驗的教學效果。

2 探究問題

物理實驗教學中，教師是課堂教學的組織者，是學生學習的指導者。學生思維的發展水平高低，很大一部分要靠教師的指導。實驗操作和數據測量結束后，教師可以積極引導，啟發學生逐步對牛頓環實驗中發現的基本問題進一步深入和拓展，提出一些實驗現象和物理理論相結合的問題，引導學生層層深入、趁熱打鐵，繼續對實驗進行探究。牛頓環實驗教學中筆者就引導學生繼續進一步思考和探究更深層的問題，例如，從已知的等厚干涉物理學原理出發，結合牛頓環實驗，理論上分析出牛頓環干涉條紋的典型特點。再者，為什么使用鈉黃光垂直照射牛頓環時，只有經過空氣薄膜上下表面反射的這兩束光是相干光，能產生干涉條紋？如果光源變了，在平凸透鏡上平面和下曲面的反射光線或平板玻璃上下表面的反射光線能否產生干涉條紋？若能產生干涉條紋，是否比鈉黃光更方便測量平凸透鏡曲率半徑呢？再有，如果把平凸透鏡翻過來，還會觀察到等厚干涉現象嗎？ 類似問題很多，可以引導學生舉一反三，逐步去發現問題、探究問題、解決問題。鼓勵學生將解決的實驗問題以科技小論文的形式撰寫，選擇優秀的論文將其發表在相應的校報或學術刊物上。

3 拓展實驗

隨著對牛頓環實驗的探究，實驗內容越來越豐富，針對這一現象，院校專門設置了開放實驗中心和仿真物理實驗室。我們積極鼓勵學生按照自己的思想，提出實驗內容，設計實驗過程，并到開放實驗室完成自己設計的實驗，開拓了學生的視野和思路，激發了學生對物理實驗的興趣，培養了學生分析、設計和操作的綜合能力，收到良好的教學效果。例如，有的學生馬上想到激光的相干性很好，于是嘗試用激光代替鈉光燈作為光源，觀察牛頓環的變化。有的學生則將平板玻璃和平凸透鏡之間充滿了二氧化硫，觀測條紋變化。有些仔細觀察生活而又充滿好奇的同學則直接將眼睛放在載物臺上，從而觀察條紋變化。并且，還可以利用仿真軟件擴展實驗內容，充分發揮計算機三維動畫和實時仿真的特點，對儀器的內部結構和操作過程進行形象化的展示，提高了學生實驗的興趣。

4 結語

轉變傳統實驗教學的設計思想，以提問形式帶動學生實驗，在實驗中學生既要操作又要思考，促使學生留心和用心觀察實驗現象，并加深對物理知識的理解，進而激發了學生的好奇心和實驗興趣。通過探究問題的方式可以培養學生分析問題和解決問題的能力。通過對實驗內容的拓展，重新構建實驗設計思想、實驗方法和實驗情景，培養了學生改進原有實驗和設計新實驗的創新能力，開拓了學生的視野和思路。

參考文獻

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