一个传统验证性实验向设计性实验的升华

汪 涛 李 田 叶大梧 陶纯匡

(重庆大学物理学院,重庆 400044)

一个传统验证性实验向设计性实验的升华

汪 涛 李 田 叶大梧 陶纯匡

(重庆大学物理学院,重庆 400044)

本文通过探讨单缝夫琅禾费衍射实验的原理、特点、传统实验的排布方式,在深入领会《理工科非物理专业大学物理实验课程教学基本要求》的基础上,研发了“单缝衍射与现代传感器的设计”实验,实现了一个传统的验证性实验向设计性实验的升华.文中给出了该实验的教学环节安排,提出了一些需要注意的技术细节,并给出了几个设计实例,最后还给出了设计该实验的一些体会.

单缝衍射;传感器;设计性实验

1 引言

21世纪初以来教学改革的春风吹遍了国内高校的每个角落,特别是《理工科非物理类专业大学物理实验课程教学基本要求》正式颁布实施以来,有关大学物理实验的教学改革在各校如火如荼地开展.但是,对部分同仁如何研发设计性实验还存在不少困惑.有的认为我们的生源差,只要能顺顺当当地做完基础实验就很不错了;有的认为设计性实验须使用价格昂贵的大型设备开设现代高级物理实验.笔者及同事在深入学习《非物理类专业大学物理实验课程教学基本要求》文件,深刻领会其精神的基础上研发了“单缝衍射与现代传感器的设计”实验,实现了由一个传统的验证性实验向设计性实验的升华,现将其主要精神介绍如下.

2 挖掘传统实验的潜力,实现传统验证性实验向现代设计性实验的升华

涉及单缝夫琅禾费衍射现象研究的实验项目大概有两类.一类是单缝衍射光强分布测量(各校称呼有所不同),这是一种正向思维的实验方法,是在夫琅禾费区的接收屏上对一维衍射光强逐点进行测量,得到相对光强分布曲线[1].这是一个典型的验证性实验,验证光强实验的光路图如图1所示.本实验不作较大的改变很难激发学生的热情和积极性.另一类是利用单缝衍射测单缝(或单丝)尺寸[2](各校称呼有所不同),其光路图如图2、图3所示.

图1 单缝衍射光强分布测量

图2、图3实验是一种逆向思维的测量,亦称为反衍射测量,即根据接收屏上光强分布的信息(零点间距)获取衍射缝(或丝)的信息(缝或丝的尺寸).

与图1实验相比较,图2、图3实验和实际应用联系起来了,有较大的进步.但实验的思路仅停留在测量狭缝尺寸上,没有和广泛的物理量联系,思路不开阔,仍然难激发学生的学习热情.

我们的新实验设计思路是以光波的单缝夫琅禾费衍射为模型,在传统图2或图3实验的基础上,引入多种物理量,通过物理量的变化引起缝宽的变化,影响接收屏光强分布曲线零点(暗纹)间距的变化,从而测量该物理量的变化量,实现传感并设计多种物理量传感器.

本实验在本科低年级阶段引入原理设计(即不涉及制造技术和生产工艺)对拓宽学生思路、激发创新能力、联系实际都有极大的好处.

实验分三个阶段:

第一阶段,课前查阅相关资料学习传感技术的知识.

第二阶段,课堂中3个实验内容:

(1)定性观察缝宽与衍射光强图样零点(暗纹)间距的变化关系;

(2)定量测量衍射光强分布图样暗纹间距和光路其他参数(达到间接测量缝宽目的);

(3)教师答疑(最好一对一).

第三阶段,课后根据自己关心的物理量设计传感器,写一篇以单缝衍射为模型,字数在2000字左右的论文(选用的物理量最好能与自己的专业技术挂钩).要求:

(1)画出传感器工作原理示意图;

(2)叙述工作原理;

(3)可行性与可靠性讨论;

(4)有关参考文献;

(5)对本实验的体会.

3 几个在实验中应注意的技术细节

1)做好传统单缝衍射实验向设计性实验升华的关键因素之一是让学生亲自感受缝宽窄变化与衍射光强图样零点(暗纹)间距的变化关系,因此宜于在实验中使用缝宽连续可调的单狭缝屏(采用几片宽度不等的固定缝屏效果稍差).学生亲手调动螺旋感受缝宽的变化引起图样宽度的变化,同时感受物理量的变化推动狭缝刀口移动(缝宽度的变化)并建立某种联系,从而为设计传感器打下良好的基础.

2)实验中单狭缝两刀刃不平行而是楔形.这时衍射图样将变形成为一个扇形.教师应帮助学生进行分析并给出合理的解释(这种狭缝屏应进行维修,使之两刀刃平行).

3)两刀刃到接收屏的距离不等(错位),这时衍射图样将不再对称.如图4所示,有 x′k＞xk,进一步的分析见文献[3].

图4 衍射刀口有错位,衍射图样将不再对称

4)优秀的学生会提出为什么一定要采用单缝的衍射模型,其他形状的衍射孔行吗?如圆孔衍射模型.答案是:在常见的几何孔衍射光强分布理论中,只有单缝衍射的相对光强分布曲线的相邻零点(暗条纹)间距才是等间距的(即是的函数性质决定的),而圆孔衍射的相对光强分布曲线相邻零点是不等间距的.另外,单缝的一个刀刃固定,另一个刀刃与物理量的变化级联,很容易作到平稳移动.因此,选用单缝衍射模型的优势是明显的.

5)传感器的定标.真正意义的传感器在设计研发中还存在一个定标问题.即 xk→b→物理量三者关系、比例系数及参考点的问题.对于一般学生,教师可以只提出这个问题,但可不做要求.对特别优秀的学生教师则因材施教引导他较深入地探讨这个问题.

4 几则实例示意图

以下是几则教学中成功的以单缝衍射为模型的传感器实例示意图.

图5 微小位移传感器示意图

5 结束语

通过设计性实验我们有如下深刻体会:

1)实验教师应根据自己的学校在当地的定位以及学校的教学仪器设备等条件因地制宜地制定设计性实验项目及内容,切不可无所作为、滥竽充数,也不能不切实际、贪大求全.只要能充分地发挥学生在实验中的主动性,在实验原理、实验内容及方法、实验仪器改进中充分发挥主观能动作用,他的实验能力和分析问题的能力得到充分的训练和培养,那么设计性实验的初衷就算达到了.

2)教师的知识储备与技术经验积累是研发一个高质量设计性实验的基础,工作热情是动力,学校学院的政策支持是大环境支撑,这三者一样都不能少.

3)一个好的设计性实验要充分发挥教师、学生及实验技术人员的积极性、主动性,经长期锤炼才能成为精品实验项目.

4)中国科技大学霍剑青教授精辟地指出,教师的实验教学方法决定了实验教学的质量,决定了学生的收益,在设计性实验中更是如此,因此有关设计性实验中的教学方法研究是摆放在我们大家面前的一大课题.

[1] 吕斯骅.新编基础物理实验[M].北京:高等教育出版社,2006

[2] 陶纯匡等.大学物理实验[M].北京:机械工业出版社,2007

[3] 叶声华.激光在精密计量中的应用[M].北京:机械工业出版社,1980

THE CHANGINGOF A TRADITIONAL CONFIRMATORY EXPERIMENT TO DESIGNING EXPERIMENT

Wang Tao Li Tian Ye Dawu Tao Chunkuang
(Physical college of Chongqing University,Chongqing 400044)

In this paper,the principle,characteristics,and traditional experiment arrangement way of single-slit Fraunhofer diffraction are elaborated.After having a deep understanding of the“basic requirements”,the author designed an experiment on“single-slit diffraction and modern sensor design”which realizes a leap from a traditional test-type experiment to designoriented experiment.Then the arrangements of experimental teaching,raises some technical details we need to pay attention are presented,and some design examples are given.Finally,some understanding about design the experiment are given.

single-slit diffraction;sensor;designing experiment

2010-07-15)

汪涛(1973年出生)四川阆中人,博士,副教授.主要从事大学物理实验教学及科研工作.