超聲光柵衍射實驗的教學設計

李華振 汪 超 杜偉偉 謝 寧 劉 麗

（新疆工程學院基礎部 新疆 烏魯木齊 830000）

超聲光柵衍射實驗的教學設計

李華振 汪 超 杜偉偉 謝 寧 劉 麗

（新疆工程學院基礎部 新疆 烏魯木齊 830000）

隨著科技的發展，實驗設備也日新月異，越來越集成化、一體化，做實驗也變的越來越簡要。這就需要教師在實驗前的原理部分做更加詳細的講解，從而使學生對本次實驗及相應的理論有更深的理解。本文就是對超聲光柵衍射實驗的原理部分的教學設計，讓學生能夠從實驗中體會到更多知識與文化。

超聲光柵 聲光效應 文化 文字

一、引入

教育要培養應用型人才，作為大學中的基本應用，實驗課程越來越受到重視。而隨著科技的發展，實驗設備也日新月異，越來越集成化、一體化。實驗課程的教學也要跟上時代的步伐，不能僅局限于實驗本身，要實際聯系理論，從實際中學理論，從理論中看實際，不斷深化理論理解，應用理論于實際中。

從培養應用型人才的角度，各理工科高校大學物理實驗中都會開設一些綜合性的應用性實驗，由于不同學校學生的物理理論基礎和數學基礎的欠缺，往往對這部分實驗內容的理解較為困難。在實驗教學過程中，教師如果對這些實驗的原理解釋不夠清楚，就會使得學生做完實驗也沒有清晰的物理圖像，不能聯系理論[1]。

“超聲光柵衍射實驗”是較有代表性的應用性實驗，為了達到理論與實踐相結合的教學目的，提高實驗課程教學質量，不少物理學工作者對該實驗從理論和實驗方法等方面進行了探討。如：文獻[2]論述了超聲光柵的形成機理，給出了超聲光柵衍射條紋的強度分布；文獻[3]介紹了超聲光柵的形成原理，解釋了如何利用超聲光柵衍射來測量液體中的聲速，等等。這些理論是完善的，如何講才能讓學生能夠接受，對超聲光柵衍射有一個清晰的物理圖像。筆者根據自己在學校的教學情況，從中國五千年的文化元素--文字入手，層層深入解析超聲光柵衍射的原理，給出了以下教學設計。使學生既能輕松的獲得超聲光柵衍射的物理圖像，又能從中體會中華文化的博大精深。

二、設計思路

物理中物理圖像的建立可謂非常重要，學生從上課伊始就能夠知道這部分清晰的物理圖像，對后續的課程講解大有幫助。所以實驗前簡單明了的介紹出超聲光柵的物理圖像至關重要。從中華文化的文字“柵”講起，介紹“柵”字寫法的由來和意義。其次引入“光柵”，讓學生聯想其作用和讀音，并且介紹實際常用光柵的制作和應用。再講解“超聲光柵”，介紹本次實驗我們使用的光柵是如何用超聲波產生光柵。通過“柵”字的講解，到“光柵”的講解，再到“超聲光柵”的講解，讓學生有一個清晰的物理圖像。再講解光柵衍射光路圖，以及根據光柵方程測聲速，學生在非常清晰的物理圖像的指引下，更加容易理解。同時也增強的學生對中華的文化的認同感，體會中華五千年文化博大精深。

三、實施方案

1、內容引入

以幽默互動的形式開始，問學生這“柵”是什么字？會有同學會回答“zha”，也有同學回答“shan”，甚至有同學回答“lan”（欄）。因為“柵欄”一般放到一起使用，單另拿出一個字來問大家，就會出現這種情況。

這個字就是柵欄的“柵”字，漢字是世界上最美的文字，因為漢字不僅象音，而且大部分文字還象形，字如其物，看到字就好像看到物體本身。柵欄的“柵”字，左邊一個“木”，說明柵欄最初都是用木材制作。右邊一個“冊”字，說明柵欄和冊子一樣，一頁一頁的用繩子穿起來，柵欄也是如此，一個個木片用一根橫木穿起來。看到“柵”字，我們就看到了比較熟悉的一個個木片整齊排列的柵欄。柵欄主要是用來起阻擋作用，比如擋住體型較大的動物不讓通過，但是對于體型小的動物，如老鼠一般的柵欄是擋不住的，因為木片與木片之間有間隔，沒有間隔的木片連起來也不能稱之為柵欄。

2、光柵

由柵欄引入光柵。用木材做的擋動物的稱為柵欄，那么擋光的柵欄就被稱為光柵。至于這個字的發音說法不一，此處不做討論，但是意義是一樣。光照到光柵上，在有些區域可以通過，有些區域不能通過。

介紹實際光學元件--光柵的一般制作過程。在玻璃片上刻劃出一系列平行等距的劃痕，刻痕處實際上刻過一個凹槽來，直線射過來的光線，遇到凹槽將被折射到其他方向，沒有凹槽的地方光直線射過。對于光柵正后面，可以說刻痕處不透光，未刻的地方透光，這就是透射光柵。

3、超聲光柵

接著講解本次實驗作為應用型實驗，并不是使用廠家制作的光柵，而是通過超聲波形成一個光柵，也就是超聲光柵。如下圖所示，水槽中添加液體，超聲波發生器產生的超聲波從側面打入，超聲波是縱波，在液體中傳播使得液體分子振動，形成有些區域分子比較密集，有些區域分子比較稀疏。反射的波與發射的波疊加形成穩定的駐波，也即是穩定的疏密波。光束從左側打入，遇到分子稀疏部分幾乎全部通過繼續直線傳播，而分子密集部分光幾乎都被折射到其他方向，幾乎沒有繼續直線傳播的光線。

圖 1 “柵”字的理解

圖 2 透射光柵

圖3 超聲光柵原理圖

4、超聲光柵衍射光路圖

圖 4 超聲光柵衍射光路圖

5、超聲光柵衍射測聲速原理

根據光柵衍射的光柵方程，以及小角度近似可得[4]：

其中，d是光柵常數，超聲光柵的光柵常數由圖可知正好是超聲波的波長，這也是本應用型實驗最巧妙的地方；是出射光線與光軸的夾角；為實驗所使用的單色光的波長；是第k級亮條紋到光軸的距離；是第二個透鏡的焦距；為兩條相鄰亮條紋的間距。

再根據超聲波波長、波速與頻率的關系可得：

四、結束語

本文本著因材施教的方針，根據教學中學生的反應，不斷改進教學設計思路，在強化物理圖像的基礎，對超聲光柵衍射實驗的講解做以上設計。這個設計主要針對物理基礎和數學基礎較為薄弱，以后要工作于工業發展前線的工科學生，課程重在理解物理圖像，以及理論與實際的關聯。從文字，這一具有中國特色的文化入手，淺顯易懂的講解了超聲光柵衍射的物理圖像與規律。既讓學生既學到了物理知識，也增強了學生對科學的學習興趣。同時還提高了學生的人文素養，對文字有更深刻的認識，對中華文化有更強的認同。

[1]陳曉莉,王培吉.用超聲光柵測液體中聲速的理論與實驗研究[J] . 西南師范大學學報,2007,32 (6):135-138.

[2]謝莉莎. 超聲光柵實驗原理及衍射條紋特點[J] .廣西物理,2006 , 27(1) :49-50.

[3]唐煌.超聲光柵衍射測量液體中聲速的研究[J].江蘇技術師范學院學報, 2005,11(6):12-16.

[4]張季，李文亮等. 大學物理實驗[M]. 西北工業大學出版社，2016.

Exploration on the Teaching Reform of Ultrasonic Grating Diffraction Experiment

With the development of science and technology, laboratory equipment is also changing quickly, more and more integrated, experiments become more and more simple. This requires us to explain the principle of the experiment in more detail, so that students can have a deeper understanding of the experiment and the corresponding theory. This paper explore a new teaching form of Ultrasonic Grating Diffraction Experiment, aiming to let students experience more knowledge and culture from the experiment.

Ultrasonic grating; Acousto-optic effect; Culture; Word

G642

A

2095-3089（2017）27-0154-02