双棱镜干涉实验课堂教学演示的可视化研究

李志刚，王明吉，曹 文

（东北石油大学，黑龙江大庆 163318）

双棱镜干涉实验课堂教学演示的可视化研究

李志刚，王明吉，曹 文

（东北石油大学，黑龙江大庆 163318）

传统的双棱镜干涉实验是通过测微目镜来观测实验现象的，其视场很小，不利于课堂教学演示。针对这一问题进行课堂教学演示的可视化研究，引入摄像头观测，增强了课堂教学演示的直观性，提高了课堂教学演示的效率和质量。

双棱镜干涉；测微目镜；摄像头；教学演示；干涉条纹

双棱镜干涉实验是大多数高校开设的重要的光学实验之一，该实验在物理思想、实验方法以及测量技巧上都具有较高的教学价值［1］，是利用简单的实验器材通过对宏观量的观测测量微观量的典型实验之一。但目前大部分高校在该实验的课堂教学中存在不少问题：一是实验现象大都是通过测微目镜进行观察，教师演示实验时，学生一般看不到相应的实验现象及其随仪器调整的变化情况；二是用共轭成像法测量两虚光源的距离时，很多学生认不清到底哪个是清晰的放大像（缩小像）；三是学生用在仪器调节上的时间过长，在规定的时间内难以完成实验；四是个别学生在使用测微目镜测量读数时还存在问题。这些问题既影响实验教学的正常进行，也不易取得好的教学效果，教学目的也就很难达到。从《双棱镜干涉实验课堂教学浅议》［2］一文中拍摄的实验现象照片得到启发，笔者在教学中针对上述问题，对该实验的课堂教学演示进行了可视化研究，增强了课堂教学的直观性，进一步提高了该实验课堂教学演示的效率和质量。

从笔者掌握的资料分析，很多院校该实验的调试操作大都是在1.2～1.5 m的导轨上进行的，学生很难在调整仪器的同时观察到实验现象的变化，这也是该实验调试操作的一大问题。本实验室也是采用大多数院校普遍采用的实验器材：钠光灯、棱脊夹角为179°左右的双棱镜、焦距为十几厘米的辅助透镜等，并在1.5 m的导轨上共用一个钠光灯摆放了两套实验装置。这样，绝大多数学生都能做到在调整仪器的同时观察到实验现象的变化，多年来实验效果一直很好。

1 具体作法

1.1 方案选择

该实验的实验现象的观察和测量目前在大多数实验室中都是通过测微目镜进行的，由于测微目镜的视场很小，观察者的眼睛必需靠近它才能观察到实验现象，并且其视场的亮度也较低。因此，该实验在课堂教学演示中学生一般看不到实验现象及其随仪器调整的变化情况。这使课堂教学演示的效果不佳，也使学生对该实验的仪器状态与实验现象的对应关系的了解大打折扣，进而导致学生在实验过程中出现这样那样的问题。也是由于测微目镜的视场小、视场亮度低，该实验的观测大都在暗室中进行，许多视力不好的学生在教师演示实验时看不清实验现象，在他们自己做实验时难免会出问题了。因而，扩大该实验的观测视场、提高其观测视场的亮度就成为改善该实验课堂教学演示效果的关键因素。

近年来，随着科学技术的不断进步，电脑、摄像机、摄像头、数码相机等高科技产品在国民经济中的应用日益广泛。一些有条件的实验室把电脑、摄像机引入实验中，取得了相当好的效果［3－6］，但因其资金投入较大等原因难以普及。有人撤掉测微目镜，在远处放上接收屏，也能很好地观察到虚光源的像及干涉条纹［7］。但这种方法只适合激光等光强比较强的待测光，对于钠光灯等强度一般的光源则不适合，而目前大部分高校在该实验中采用的光源却都是钠光灯。将摄像头引入双棱镜干涉实验的课堂教学演示中，可扩大该实验的观测视场、提高其观测视场的亮度。这样既可克服传统观测手段的不足，增强课堂教学演示的直观性，又可避免大的资金投入。

1.2 实施过程

该实验的实验装置一般是安放在上下左右位置均可调的滑块上，滑块按钠灯、狭缝、双棱镜、透镜（仪器共轴调节以及测量两虚光源间距d时用）、测微目镜的顺序摆放在导轨上，见图1。

图1 实验装置示意图

本实验采用WAT-202B型摄像头和CE-7014C型显示器，对该实验课堂教学演示的可视化进行了研究。具体做法是：将摄像头固定在上下左右位置均可调的滑块上，并将其与显示器连接。在该实验的仪器调节过程中，该滑块始终随着测微目镜的滑块一起运动，并注意保持这两个滑块间的距离不变，同时还应随时调整摄像头和测微目镜的焦距，确保显示器始终都能清晰地显示出测微目镜视场中的实验现象。这样，该实验传统的调试方法和步骤没变，但在教师进行课堂教学演示时，每个学生都能看清相应的实验现象及其随仪器调节的变化情况，提高了该实验课堂教学演示的效率和质量。

1.3 实际效果

采用三星S500型数码相机将该实验课堂教学演示中引入摄像头后的实际效果拍摄了下来，实验现象的清晰度和亮度都很好。

干涉的基本前提是存在两个相干光源，所以应先找到两虚光源的交叠区域，其特点就是比视场的其他部分亮（两虚光源同时照到）。由于测微目镜的视角有限，将其移近双棱镜则会增大视角，有利于寻找两虚光源的交叠区域（亮带，只占视场的一小部分）。狭缝的宽度适度调窄，然后调节测微目镜的左右位置，寻找到该亮带后再次改变狭缝的宽度，使视场中的亮带最明显，见图2。

找到两虚光源的交叠区域（亮带）后，只需调整狭缝的宽度以及双棱镜的棱脊与狭缝的平行度就可观察到清晰的干涉条纹（具体方法可参见文献［2］）。例如，先调整双棱镜的棱脊与狭缝的平行度使干涉条纹的清晰度达到最好，若还不够理想则可稍微调整狭缝的宽度。如此反复调节，直至观察到清晰明亮的干涉条纹。若该条纹未处在测微目镜的视场中心，则可调整测微目镜的左右位置以方便测量，见图3。

图2 两虚光源的交叠区域——亮带

图3 干涉条纹

在多年的实验教学中，笔者发现许多学生在测量两虚光源的放大像和缩小像时认不清到底哪个是清晰的像。笔者将两虚光源清晰的像、不太清晰的像以及调整辅助透镜过程中非常不清晰的像都拍摄出来，见图4。常有学生将d图所示不清晰的像当做清晰的像来测量的根本原因就是他们没有看清（到）教师课堂教学演示中调整辅助透镜的位置时两虚光源像的变化情况，现在这一问题得到了很好的解决。

图4 两虚光源的像

也有学生在使用测微目镜读数时出问题的，笔者也将其拍摄下来了，见图5（从图a和图b可看出转动测微目镜的读数鼓轮时十字叉丝在主尺上的位置变化情况）。这样，教师在演示、讲解测微目镜的读数方法和注意事项时，学生会有非常直观的印象，从而提高课堂教学演示的效率和质量。

图5 测微目镜的主尺和叉丝

3 结束语

在双棱镜干涉实验的课堂教学演示中引入摄像头，扩大了观测视场，使该实验的教学演示更加形象直观，可使学生观察到教学演示过程中实验现象随仪器调节而变化的每个细节，从而加深其对该实验的理解和认识，减少其在实验过程中出错的几率。因此，该课堂教学演示可视化方案能更有效地培养学生的动手能力、思维能力和创新能力，可进一步地提高课堂教学演示的效率和质量。并且这一方案既不需要太多的资金投入，也不会改变该实验传统的操作和测量方式，其传统优势得以完整保留。总之，将摄像头引进到该实验的课堂教学演示中，不仅提高了学生的实验兴趣、开阔了学生的视野，实现了课堂教学演示手段的现代化，而且其实现和普及均比较容易。

［1］ 赵凯华，钟锡华.光学［M］.北京：北京大学出版社，1984.

［2］ 李志刚，曹文，张利巍.双棱镜干涉实验课堂教学浅议［J］.大学物理实验，2010，23（4）：87-89.

［3］ 余小英.双棱镜干涉实验中现代化观测手段的应用［J］.凯里学院学报，2008，26（6）：27-29.

［4］ 罗旺，艾瑞波.双棱镜干涉实验的现代化改进［J］.高师理科学刊，2006，26（3）：105-107.

［5］ 彭葆进，李勇，金洪震等.CCD渗入双棱镜实验——计算机辅助普通物理实验教学的尝试［J］.大学物理，2001，20（9）：34-37.

［6］ 张永炬，洪方泰，冯尚申等.CCD器件在光学实验教学中的应用［J］.实验室研究与探索，1999（2）：71-73.

［7］ 廖立新，刘生长，米贤武.用双棱镜测激光波长的简单方法［J］.物理实验，2007，27（7）：34-35.

Visualization Study of Classroom Teaching Demonstration in Bi-prism Interference Experiment

LI Zhi-gang，WANG Ming－ji，CAO Wen

（Northeast Petroleum University，Heilongjiang Daqing 163318）

The traditional bi-prism interference experiment is through micro eyepiece to observe experimental phenomena，which field of view very small，so it is not conductive to classroom teaching demonstration.To solve this problem，this article proceed the visualization study of classroom teaching demonstration through bringing in camera，which strengthen the intuitiveness of classroom teaching demonstration，and heighten the efficiency and quality of classroom teaching demonstration.

bi-prism interference；micro eyepiece；camera；teaching demonstration；interference pattern

O 436.1

A

1007-2934（2011）05-0067-03

2011-03-06