基于仿真實驗平臺改善牛頓環教學效果研究

摘要：本文以大學物理實驗課程中牛頓環實驗操作讀數顯微鏡的教學為例，結合仿真實驗的操作演示。此對于改善牛頓環教學質量具有較為明顯的成效。

關鍵詞：牛頓環;仿真實驗平臺;輔助教學

1.前言

牛頓環具體現象為：用單色光（或復色光）照射放在平面玻璃上的平凸透鏡，其現象是明暗相間的單色（彩色）同心圓，相鄰同心圓的距離隨著遠離圓心將越來越近[1]。牛頓環是一種薄膜干涉現象，球面上的透射和平面上的反射光線是兩束相干光，經相互干涉形成干涉條紋。在干涉現象中，不論何種干涉，相鄰干涉條紋（亮紋或暗紋）的光程差的改變量都等于相干光的波長，可見光的波長雖然很小，但干涉條紋間的距離或干涉條紋的數目是可以計量的。因此，通過對干涉條紋數目或條紋移動數目的計量，可以得到以光的波長為單位的光程差。利用光的等厚干涉可以測量光的波長，檢驗表面的平面度，球面度，光潔度，以及精確測量長度，角度和微小形變等，在科學研究與計量技術中有著廣泛的應用。

在物理實驗教學中，要觀察到清晰的牛頓環現象以及準確測量牛頓環不同環的直徑，需要求學生較為熟練使用讀數顯微鏡。由于儀器調節和數據測量需要結合現象去操作，作為教師要讓學生能較為更快理解相應操作原理，需要解決的主要問題是牛頓環現象與具體操作調節的同步呈現。例如，調節讀數顯微鏡物鏡焦距 看清牛頓環現象;調整鈉燈角度位置防止光源不足影響觀察及測量等操作都需要實驗者親自通過顯微鏡觀察，教師一對多教學的操作演示就會存在局限性，最終導致學生不理解操作嚴重影響數據精度[2]。因為這種問題的存在，此類實驗往往會出現老師講解后，學生較難理解的情況。

2.牛頓環基本原理

在平板玻璃面上放一個曲率半徑很大的平凸透鏡，這樣在凸透鏡和平面玻璃之間，形成一層厚度不均勻的空氣薄膜，單色光從上方垂直入射到透鏡上，透過透鏡，近似垂直地入射于空氣膜。分別從膜的上下表面反射的兩條光線來自同一條入射光線，它們滿足相干條件并在膜的上表面相遇而產生干涉，干涉后的強度由相遇的兩條光線的光程差決定，二者的光程差△’ 等于膜厚度e的兩倍，即△’ =2e

此外，當光在空氣膜的上表面反射時，是從光密媒質射向光疏媒質，反射光不發生相位突變，而在下表面反射時，則會發生相位突變，即在反射點處，反射光的相位與入射光的相位之間相差 ，與之對應的光程差為 /2，所以相干的兩條光線還具有 /2的附加光程差，總的光程差為

在實際問題中，考慮到由于玻璃的彈性形變及接觸處不干凈等因素，透鏡和玻璃板之間不可能是一個理想的點接觸。這樣一來，干涉環的圓心就很難確定，rk就很難測準，而且在接觸處，到底包含了幾級條紋也難以知道，這樣級數k也無法確定。在實驗中，我們選擇兩個離中心較遠的暗環，假定他們的級數為m和n，測出它們直徑dm = 2rm，dn = 2rn，由此得出

從這個公式可以看出，只要我們準確地測出某兩條暗紋的直徑，準確地數出級數m和n之差（m-n）（不必確定圓心也不必確定具體級數m和n），即可求得曲率半徑R。

3.利用仿真實驗操作演示

如圖所示，利用鼠標點擊對應位置即可調節相應位置的參數，例如點擊顯微鏡目鏡鏡筒位置，可調出觀察窗口，觀察窗口中的干涉現象隨著調節對應發生變化。例如鼠標左鍵點擊目鏡位置箭頭可調節觀察窗口中十字叉絲順（逆）時針旋轉;鼠標左鍵點擊物鏡旋鈕可調節顯微鏡鏡筒高度，改變觀察窗口干涉圖像的清晰程度;鼠標左右鍵點擊反光鏡，調節射入光強，改變觀察窗口干涉圖像的明亮程度;鼠標左鍵點擊測微鼓輪，調出微調標尺窗口，調節測微鼓輪，標尺讀數改變，觀察窗口中的十字叉絲隨著測微鼓輪的轉動左右平移。基于仿真讀數顯微鏡的演示，儀器的操作與現象非常直觀地展現出來。

4.結束語

在牛頓環實驗教學讀數顯微鏡的操作過程當中，許多儀器的調節需結合實驗者所觀察到的現象進行操作，教學效果往往不理想。通過教師利用投影仿真實驗的操作畫面，學生能夠非常直觀地觀察到操作和同步現象直接聯系，從而加深對該實驗調節操作的理解。將仿真實驗平臺作為牛頓環物理實驗教學的輔助工具，在一定程度上能提高實物理實驗教學質量。

參考文獻

[1]朱曉梅，向偉銘，姜向東.牛頓環實驗的數據處理改進及圖像分析[J].物理與工程，2019，29（03）：55-58+62.

[2]韓湖斌.牛頓環實驗讀數誤差分析及改進方法研究[J].科技資訊，2019，17（07）：227-229.

作者簡介：劉祥（1991.09-），男，漢族，四川成都人，講師，碩士，主要從事大學物理實驗教育研究。