一個研究型實驗項目的探討
——利用邁克耳遜干涉儀測氣體折射率
王法遠(yuǎn)
（淮北煤炭師范學(xué)院物理系指導(dǎo)教師：戴建明）
摘要：“研究型”物理實驗的開設(shè)對激發(fā)學(xué)生的求知欲、拓寬其知識面、培養(yǎng)其創(chuàng)新思維能力等方面都具有重要意義.本文以邁克耳遜干涉儀實驗為例,通過在實驗裝置中增設(shè)可調(diào)壓強的氣室和CCD圖像采集系統(tǒng),實現(xiàn)對干涉圖樣的實時觀察和氣體折射率的較精確測量.實驗設(shè)計還考慮到了實驗內(nèi)容及其難度的可深入與拓展空間,具有很強的研究型實驗特點,并且可以根據(jù)適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)設(shè)計將此實驗開設(shè)成綜合性或設(shè)計性實驗.
關(guān)鍵詞：研究型物理實驗;邁克耳遜干涉儀;CCD;折射率
A Research-type Physical Experiment
——Measurement of gas’ refractive index by using Michelson interferometer
Fayuan Wang
Tutored by Jianming Dai
Department of Physics, Huaibei Coal Industry Normal College
Abstract: The research-type physical experiments can play very important role to excite the students’ thirst for knowledge, widen the range of knowledge, cultivate the innovative and research ability. As an example, a research-type experiment, the measurement of gas’ refractive index by using Michelson interferometer and CCD system, is designed and putted in practice. The developmental space in content and complexity is considered in the design of experiment. It is indicated that the experiment has the obvious characters of research and very suits to study as research-type experiment for students.
Keywords: research-type physical experiment;michelson interferometer;CCD;refractive index
1 引言
隨著社會科技、經(jīng)濟的高速發(fā)展,人才競爭越來越激烈,如何培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才已受到普遍關(guān)注,這也對高校教育教學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)和要求.對理工科各專業(yè)來說,大學(xué)物理實驗教學(xué)對培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、分析和研究問題的能力起到十分重要的作用,因此在高校創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)中,大學(xué)物理實驗教學(xué)的改革首當(dāng)其沖.
長期以來,由于受應(yīng)試教育和傳統(tǒng)文化等方面的影響,與國外學(xué)生相比我國的學(xué)生學(xué)習(xí)非常刻苦、理論知識相當(dāng)扎實,但在動手能力和創(chuàng)新意識上顯得不足.
而另一方面,目前大學(xué)物理實驗教學(xué)中也存在許多不利于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的因素,突出表現(xiàn)在實驗內(nèi)容偏重于驗證性,實驗的理念、思想、方法和手段落后等.為改變這一格局,近年來,各高校和教學(xué)管理部門都十分重視對“綜合性、設(shè)計性、研究性”實驗的開設(shè)要求[1-3].但究竟什么是綜合性、設(shè)計性、研究性實驗,如何開設(shè)這樣的實驗,仍然需要作深入的研究和教學(xué)實踐.本文就如何開設(shè)研究型實驗作一探討,并給出一個研究型實驗案例作詳細(xì)的實驗分析.
2 研究型實驗及其開設(shè)要求
2.1 研究型實驗的基本內(nèi)涵
通?！把芯啃汀蔽锢韺嶒炇窃诰C合性、設(shè)計性物理實驗的基礎(chǔ)上由學(xué)生自己選題、查閱文獻(xiàn)、設(shè)計實驗方案,在教師指導(dǎo)下完成實驗.“研究型”實驗通常是要求學(xué)生帶著問題測取數(shù)據(jù),摸索實驗規(guī)律,然后帶著問題查找資料、探尋答案,并試著對所觀察到的現(xiàn)象進(jìn)行理論分析,并做出合理的解釋.這類實驗的開設(shè)目的是全方位地鍛煉學(xué)生實驗研究的能力,充分調(diào)動學(xué)生的主動性和積極性,激發(fā)他們從事物理學(xué)研究的興趣和熱情,為以后從事科研工作打下良好的基礎(chǔ).
2.2 研究型實驗的選題
研究型實驗要精心選題、科學(xué)設(shè)計.實驗內(nèi)容要新穎、有趣味性,物理現(xiàn)象比較明顯和具有可研究性.同時還要考慮實驗室條件和學(xué)生的水平與能力,能讓學(xué)生在比較熟悉的理論基礎(chǔ)上作初步的分析與發(fā)展.既要與已知的現(xiàn)象、理論和方法有聯(lián)系又要有一定的深度和廣度.作為基礎(chǔ)物理實驗,研究型實驗內(nèi)容不能過于復(fù)雜,要求不宜過高,要能通過分析、討論和查閱資料等方式讓學(xué)生可以比較容易地設(shè)計和實施實驗方案.
2.3 如何開展研究型實驗的教學(xué)
與傳統(tǒng)物理實驗不同,研究型實驗可以較充分地發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性去探索未知的領(lǐng)域.因此,開設(shè)此類實驗項目的最好方式是利用實驗室開放的形式,由學(xué)生自主選擇和掌握實驗時間.研究型實驗項目可以有教師指定和學(xué)生自擬等形式,但無論那種形式,對實驗指導(dǎo)教師都提出了更高的要求.指導(dǎo)教師要對學(xué)生所選的研究型實驗項目在實施過程中可能出現(xiàn)的各種問題有充分的估計和認(rèn)識,能夠引導(dǎo)、啟發(fā)和激勵學(xué)生完成實驗,并掌握能作進(jìn)一步深入研究的空間.
研究型實驗更注重實驗結(jié)果的分析、討論和總結(jié).因此,學(xué)生完成研究型實驗后要求寫出的實驗報告可以不同于普通實驗的報告,可以寫成研究總結(jié)報告形式或研究論文形式,甚至可以采用學(xué)術(shù)報告的形式口頭報告研究結(jié)果.
3 利用邁克耳遜干涉儀進(jìn)行研究型實驗項目的設(shè)計
邁克耳遜干涉儀是一種典型的利用分振幅方法實現(xiàn)干涉的光學(xué)儀器,作為近代精密測量光學(xué)儀器之一,被廣泛用于科學(xué)研究和檢測技術(shù)等領(lǐng)域[4].利用邁克耳遜干涉儀,能以極高的精度測量長度的微小變化及其與此相關(guān)的物理量.如果與CCD攝像、圖象處理等現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)結(jié)合,可以實時觀測和分析各種干涉現(xiàn)象的變化,達(dá)到干涉檢測和自動控制的目的[5,6].因此,利用邁克耳遜干涉儀進(jìn)行研究型實驗設(shè)計具有變化多、內(nèi)容豐富、研究性突出等特點.這里我們以“利用邁克耳遜干涉儀測量氣體折射率” 為題,作為一個研究型實驗的案例,簡述其實驗設(shè)計與實施過程.
3.1 設(shè)計原理與實驗裝置
實驗時,可以向?qū)W生提供：邁克耳遜干涉儀、He-Ne激光器、帶氣壓表的“氣室”、CCD圖象采集系統(tǒng)等實驗器材,要求設(shè)計一個實驗方案并測定空氣等氣體的折射率.這里簡述實驗基本原理：
在傳統(tǒng)的邁克耳遜干涉儀的一個測量光路上放置一個可充氣的“氣室”,干涉圖的觀測采用CCD和計算機進(jìn)行圖象采集與處理.如圖 1為利用邁克耳遜干涉儀測定氣體折射率的實驗光路圖.

圖 1實驗光路圖
圖中P為“氣室”,它是由腔體、壓力表和皮囊等組成.通過皮囊可以給氣室中的氣體增加壓力,也可以通過皮囊的減壓閥放氣給氣室減壓,腔內(nèi)氣壓可以通過壓力表讀出.圖中接收屏W處放置一CCD攝像頭,干涉圖像可以通過計算機進(jìn)行顯示和處理.
當(dāng)激光束通過圖1中M1前面的氣室時,干涉圖樣隨氣室里氣體氣壓的變化而變化：當(dāng)氣壓增加時,干涉圓環(huán)從中心涌出；反之,干涉圓環(huán)向中心陷入.通過研究氣體壓強變化與條紋移動的關(guān)系可以得到氣體折射率.在恒定溫度下,氣體折射率n與氣壓成正比：
(1)
式中p為氣體壓強,k為比例系數(shù).在絕對真空下 ,則 .對于常壓 條件下,則 ,當(dāng)氣室內(nèi)壓強改變 時,由于折射率的變化引起光程差改變（ ）,可以觀測到條紋的移動個數(shù)N.各參數(shù)之間的關(guān)系為
(2)
式中L為氣室的有效長度,由上述各式可以推得常壓( )下空氣折射率為
(3)
3.2 實驗結(jié)果與分析
利用圖1的光路經(jīng)仔細(xì)調(diào)節(jié)可以獲得等傾干涉圖象,圖2是經(jīng)CCD和計算機系統(tǒng)采集到的干涉圖象.當(dāng)改變氣室內(nèi)的壓強時可以看到干涉圓環(huán)從中心涌出或向中心陷入.實驗中先向氣室充氣加壓,然后緩慢放氣并觀測干涉圓環(huán)向中心陷入的條紋數(shù).
實驗中用He-Ne激光作為光源（ =632.8 nm）,所用氣室的有效長度L=75 mm,如果常壓 取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強760 mmHg,則(3)式可以寫成：
(4)
表1給出了氣室內(nèi)壓強增加值 與條紋移動數(shù)N和計算得到的折射率 之間的關(guān)系.

圖2CCD和計算機系統(tǒng)采集到的干涉圖象
表1：氣室內(nèi)壓強增加值 、條紋移動數(shù)N和計算得到的折射率 值
/mmHg 230 210 190 170 150 130 110
N/個 20.8 19.0 16.6 15.0 13.5 11.8 9.8

1.0002903 1.002904 1.0002805 1.0002832 1.0002889 1.0002914 1.0002860
對測量數(shù)據(jù)求平均值并計算不確定度,得到

數(shù)據(jù)處理的方法還可以用作圖軟件,作出 ～N的關(guān)系曲線,通過求斜率計算得到折射率 .空氣折射率的標(biāo)準(zhǔn)值是1.0002926（對nm）[7],測量誤差主要來自條紋移動非整數(shù)部分的估讀和氣壓表讀數(shù)誤差.另外,對氣室的有效長度L和實驗室的常壓 的測量也對實驗結(jié)果引入誤差.
3.3 實驗內(nèi)容和難度的拓展
作為研究型實驗,邁克耳遜干涉儀可以提供豐富的設(shè)計思想.例如,采用上述方法將氣室與一充滿不同氣體的氣囊（如氧氣袋）相連,可以用于測量各種氣體的折射率；如果對CCD采集圖象進(jìn)行計算機處理和編程可以實現(xiàn)條紋移動的自動記數(shù)；利用這一實驗系統(tǒng)可以仔細(xì)觀測、分析定域和非定域干涉現(xiàn)象[8]；如果采用面光源或擴束的平行光作為光源,在圖1光路中氣室P換成一個平板玻璃（或有機玻璃片、透明塑料片等）,則可以檢測玻璃表面平整度或介質(zhì)內(nèi)部的不均勻性；如果對有機玻璃片或透明塑料片等施加一定的應(yīng)力,用上述方法可以分析透明介質(zhì)的應(yīng)力分布.等等這些內(nèi)容經(jīng)過精心設(shè)計均可作為研究型實驗開設(shè).值得一提的是根據(jù)綜合性、設(shè)計性實驗的不同要求,將上述研究型實驗進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)設(shè)計,完全可以開設(shè)成綜合性或設(shè)計性實驗.
4 結(jié)束語
研究型物理實驗是一種不同于傳統(tǒng)物理實驗教學(xué)的模式,它具有很強的靈活多樣性,主要以激發(fā)學(xué)生的求知欲、拓寬其知識面、培養(yǎng)其創(chuàng)新思維能力為目的.我們通過“利用邁克耳遜干涉儀測量氣體折射率”作為一個研究型實驗的案例,較詳細(xì)地進(jìn)行了研究型實驗設(shè)計和實驗測試與分析,結(jié)果表明可以作為一個很好的研究型實驗項目提供給學(xué)生作為實驗教學(xué)用.
參考文獻(xiàn)：
[1] 周進(jìn),于瑤,王思慧,潘元勝．學(xué)生主導(dǎo)性物理實驗的探索〔J〕．物理實驗,2005,25(1)：28
[2] 張瑞,林幸筍,何友軍等．一個研究型物理實驗項目——周期物成像規(guī)律實驗〔J〕．物理實驗,2001,21(4)：28
[3] 金恩培,錢守仁,趙海發(fā),張立彬．如何開好設(shè)計性實驗〔J〕．物理實驗,2000,20(7)：24
[4] 程守洙,江之永．普通物理學(xué)〔M〕．北京：高等教育出版社,1998: 198
[5] 胡再國,黃建群,李娟．提高CCD實驗效果[J]．物理實驗,2002, 22(8)：43
[6] 許伯強,王紀(jì)?。矛F(xiàn)代技術(shù)設(shè)備改善邁克爾孫干涉儀的性能〔J〕．物理實驗,1999,19(4)：10
[7] 楊述武.普通物理實驗(光學(xué)部分)[M].北京: 高等教育出版社,2000: 269
[8] 沈元華,陸申龍.基礎(chǔ)物理實驗[M]. 北京: 高等教育出版社,2003: 245
致 謝
本文能夠得以完成,非常感謝我的指導(dǎo)老師戴建明老師,他的淵博知識以及在治學(xué)過程中表現(xiàn)出來的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度使我深受鼓舞,給予我極大的指導(dǎo)和幫助,在此向戴建明表示衷心的感謝!