大學物理實驗項目的探索和創新

樊代和 賈欣燕 魏 云 常相輝 劉其軍 王 輝

(西南交通大學物理科學與技術學院；物理國家級實驗教學示范中心(西南交通大學)，四川 成都 611756)

1 提出問題

大學物理實驗課程是國內大多數高校，特別是理工科類高校對學生進行科學實驗基本訓練的必修基礎課程之一[1]，主要授課對象為剛進入高校的1～2年級學生，是本科生接收系統實驗方法和實驗技能訓練的開端。通過對大學物理實驗課程的學習，一方面可以培養高校學生的實際動手操作能力；更重要的是，學生通過學習大學物理實驗內容的實驗思想、方法及手段等，能夠進一步培養學生的科學實驗基本素養和嚴謹的科學態度[2]，為其在后續的研究生學習階段打下一個堅實的實驗基礎。同時，通過大學物理實驗課程的學習，能夠進一步提高學生在日常工作和生活中分析問題和解決問題的能力。因此，如何充分地發揮大學物理實驗課程項目在高校創新型人才培養中的重要作用，是值得每一個高校教師深入思考的問題。

目前，分光計實驗(包括三棱鏡相關參數測量及光柵常數測量等)、金屬絲楊氏彈性模量測量實驗、邁克耳孫干涉儀實驗等幾個實驗項目是國內大多數高校均開設的基本實驗內容[3-5]。其中，分光計實驗項目提供了一個可精確測量角度以及通過精確測量角度進而測量其他物理量(如折射率、光柵常數等)的方法。金屬絲楊氏彈性模量測量實驗項目提供了一種測量微小伸長量(微米量級)的實驗技術。特別是，邁克耳孫干涉儀作為一個獲得過諾貝爾物理學獎的實驗項目，其解決“以太漂移”問題的實驗思想，對現代物理學的發展起到了至關重要的作用。因此，可以看出，大學物理實驗課程中涉及的這幾個實驗項目，每一個都包含了豐富的物理實驗思想、方法或手段。如果高校教師能夠通過深入講授這些實驗項目中所包含的具體內容，然后將這些實驗項目進行有機結合，或者說將其中一個實驗項目的思想或者技術手段應用于另一個物理量的測量中，必定能夠對本科生創新實踐能力的培養提供有利的支持。

基于此，本文將從以上所提到的3個具體的實驗項目內容為例出發，通過對某一實驗內容進行深入挖掘和探索，或者對兩個實驗項目進行有機結合，提出了一些創新性的實驗教學內容。通過教學實踐發現，這些創新性實驗教學內容都可以取得如研究論文發表、發明專利授權等成果。因此，對大學物理實驗內容的探索和創新可為高校創新性人才的培養奠定基礎。

2 實驗項目的探索和創新

首先，我們以探索“分光計調整和使用實驗”為例進行闡述。通常而言，傳統的關于分光計的大學物理實驗項目內容，常為分光計的調節方法、三棱鏡頂角的測量(分光束法、自準直法)以及折射率的測量(最小偏向角法[6]、掠入射法[7]、垂直底邊入射法[8])等。然而，值得學生去探索的問題至少有3個：第一，在三棱鏡折射率的測量中，上述究竟哪種測量方法，可以得到更為精確的結果？第二，在某一特定測量方法下，選取什么樣的實驗參數，可以得到較為精確的測量結果？第三，在實際的實驗測量過程中，哪一個物理量的測量誤差，將對折射率的測量精度影響較大，以及其影響程度有多大？如果學生能針對以上的3個問題進行詳細的研究，并給出合理的理論解釋，這才能充分表明開設“分光計調整和使用實驗”的必要性。

為此，我們將以上提到的3個問題，作為一個大學物理實驗課程的第二課堂作業，讓學生去思考并完成。最終，學生通過緒論課中學習到的不確定度分析和計算相關知識，對上述問題進行了詳細研究，并得出了一定的理論結果[9]，該結果已發表于《激光與光電子學進展》期刊。

從圖1所示的分析就可以清晰地得出上述3個問題的答案。例如，從圖1(a)可以看出，當選擇三棱鏡頂角A<25°時，掠入射法測折射率可獲得最小的相對不確定度值，同時，隨著選取的三棱鏡的頂角值的增大，可明顯地降低折射率的相對不確定度值。從圖1(b)可以看出，不論采用何種測量折射率的方法，頂角的測量誤差，都將明顯地影響折射率測量的相對不確定度值。特別地，對掠入射法而言，當僅考慮頂角的測量誤差約為5′時，將會導致折射率的相對不確定約為0.12%左右的結論。

圖1 分光計測量三棱鏡折射率的3種方法，(a)折射率相對不確定度與三棱鏡頂角選取大小的關系，以及(b)三棱鏡相關參數測量不確定度對折射率相對不確定的影響關系[9]

由這一案例可以表明，如果能對傳統的分光計實驗項目進行一個深入的探索，一方面可以發揮學生學習的積極性，另一方面，也可以培養學生的創新能力，并取得如研究論文發表的創新成果。

其次，我們以“金屬絲楊氏彈性模量測量實驗”和“邁克耳孫干涉儀實驗”這兩個大學物理實驗項目相結合為例，闡述如何通過將某一實驗的實驗技術手段，用于另一實驗方案的改進，以及如何利用某一實驗的實驗原理，設計出具有創造性的發明裝置，進而培養學生的創新能力。

關于金屬絲楊氏彈性模量測量的實驗，盡管有多種不同的實驗原理來實現測量，但目前國內大多數高校仍然采用靜態拉伸法的原理來開展實驗[3-5]。該方法中最重要的一個測量內容就是金屬絲受一定拉力時的伸長量測量。通常情況下，實驗中該伸長量在幾十微米量級，因此是一個微小伸長量，通常采用光杠桿的原理來進行測量。在利用光杠桿原理來進行這一微小伸長量的測量時，為了提高光杠桿的放大率，一般通過增大平面鏡到標尺的距離來實現，但這樣造成的不利結果是，學生需要在望遠鏡和鋼絲之間來回操作和測量，增加了實驗的不方便性。另一方面，為了能增加鋼絲受力時的伸長量，也可以通過增加鋼絲的原長來解決。但這樣造成的后果是，鋼絲原長增加將會使其自然彎曲的可能性變大，最終導致楊氏彈性模量值測量誤差的增大。是否有好的實驗技術手段來克服這一問題，需要同學們做出創新。

事實上，“邁克耳孫干涉儀實驗”也是國內大多數高校開設的大學物理實驗項目之一[3，5]。此實驗的開設，從理論角度而言，可以讓學生理解分振幅原理產生相干光束的方法以及掌握相關的干涉的原理。從實驗角度而言，當微小改變動鏡和定鏡之間的距離時，即可在觀察屏上觀察到干涉同心圓環產生或者湮滅的現象。利用這一現象，就可以實現入射光波長的測量。能否利用邁克耳孫干涉儀的原理，來實現測量金屬絲楊氏彈性模量實驗中的微小伸長量？或者說能否將邁克耳孫干涉實驗的技術原理，應用到金屬絲楊氏彈性模量測量實驗中，進而克服上述提到的，傳統金屬絲楊氏彈性模量測量實驗中的不利因素？這是一個值得學生去創新的問題。

基于此，我們同樣將此問題作為一個大學物理實驗課程的第二課堂項目，讓學生進行思考。最終，學生們通過將這兩個實驗進行綜合創新，設計出一個基于邁克耳孫干涉原理的金屬絲楊氏彈性模量測量方案(如圖2(a)所示)，并進行了實際的實驗，對提出的方案進行了檢驗，實驗結果可如圖2(b)所示。該創新結果發表于《物理實驗》期刊[10]。

圖2[10] (a) 實驗裝置圖； (b) 實驗結果圖

從圖2(a)可以看出，采用未擴束的He-Ne激光作為光源，通過將被測量金屬絲的一端固定于邁克耳孫干涉儀的動鏡處，另一端連接一拉力計對金屬絲的受力進行測量，最終可以得出如圖2(b)所示的邁克耳孫干涉峰出現個數隨金屬絲受力大小的變化關系曲線。從圖中可以看出，實驗結果(圖2(b)中的“+”號所示)呈現出完美的線性關系(圖2(b)中的實線所示)，進一步證明了該設計方案的有效性。值得注意的是，在此方案中，由于所采用的金屬絲長度較短(約13cm左右)，因此一方面可有效降低傳統楊氏彈性模量測量實驗中，由于金屬絲原長較長所導致的自然彎曲不利情況的發生；另一方面，只需要施加較小的力即可完成楊氏彈性模量的測量。事實上，施加較小的力有兩個潛在的優點：一是可以保證整個實驗過程中金屬絲處在彈性限度范圍內；二是可有效降低由于動鏡受力而導致的邁克耳孫干涉結果影響。由于邁克耳孫干涉原理可以實現波長量級(可見光波長為幾百納米)的微小伸長量測量，進一步，由于邁克耳孫干涉儀的結構較為緊湊，因此，該設計方案可有效地克服基于光杠桿原理測量金屬絲楊氏彈性模量實驗中的不利因素。

同時，我們也鼓勵學生利用所學到的實驗原理和技術，做出不局限于大學物理實驗項目的創新。例如，考慮到邁克耳孫干涉儀可測量微小伸長量的原理，學生還設計出了一種地震等級及地震位置的測量裝置，如圖3所示[11]。其中，圖3(a)是設計測量儀結構圖，其主要工作原理就是邁克耳孫干涉光路，圖3(b)表示了將3個邁克耳孫干涉光路分別安裝在某地的xyz3個方向上，用于測量空間3個垂直方向上的地震波引起的邁克耳孫干涉條紋，進而判斷出地震等級。圖3(c)表示了將多個如圖3(b)所示的裝置放置于空間中3個不同的位置，通過測量地震波到達此3個位置的時間，就可以確定出地震的位置。目前，該裝置已經獲得了發明專利授權[11](授權號：201511020807.2)。

圖3 地震等級及位置測量儀發明專利[11]。其中，(a) 表示測量儀結構示意圖； (b) 表示測量儀安裝位置圖； (c) 表示地震位置測量示意圖

3 總結

本文以國內大多數高校開設的3個大學物理實驗項目(分光計實驗、楊氏彈性模量測量實驗、邁克耳孫干涉儀實驗)為例，闡述了如何通過將傳統的分光計實驗項目內容進行探索，進而使學生能夠對該實驗項目進行深入的學習。同時，本文也闡述了如何將傳統的邁克耳孫干涉實驗項目的實驗原理和方法應用于傳統的金屬絲楊氏彈性模量測量實驗中，進而對原實驗方案進行改進。最后，本文也簡單闡述了如何將邁克耳孫干涉實驗的實驗原理和技術，應用于地震等級及位置的測

量裝置設計中。通過這些實際案例的闡述可以發現，如果能對傳統的大學物理實驗內容進行深入探索或有機結合，能夠取得如研究論文發表、發明專利授權等創新性成果，進而為本科生創新能力的培養奠定基礎。