PASCO实验平台的设计性应用思路及其尝试

刘立英,龙明亮,刘国庆,邓金祥

(北京工业大学,北京 100124)

PASCO实验平台的设计性应用思路及其尝试

刘立英,龙明亮,刘国庆,邓金祥

(北京工业大学,北京 100124)

本文利用PASCO平台的传感器及数据采集设备对传统单缝衍射实验设备进行改造,使单缝衍射的光强分布等不易观察的物理量得到感官表现,并能通过软件进行定量分析,具有良好的实验教学效果。

单缝衍射;光强分布;设计性实验;PASCO传感器

近些年随着科学技术和教育观念的改变,计算机及其传感器在大学物理实验教学中的应用范围越来越广泛,形式越来越多样化。美国 PASCO公司的科学工作室是一个将计算机数据采集与分析应用于物理实验的系统,运用现代电子技术,采用传感器进行数据采集,电脑进行过程控制和数据处理,尤其是对一些瞬态变化的物理量能做到实时测量,对一些不易观察的物理现象能实现感官展示。它主要由三个部分组成:计算机接口、传感器、实验软件。实验过程如图1所示:

图1 计算机数据采集与分析的实验过程

为了配合其计算机接口、传感器和实验软件使用,PASCO公司自己开发了一系列实验项目,包括一些典型的普通物理实验以及一些综合性实验。利用这些现成的实验项目,在仪器配置和实验实施方面相应比较容易,是目前各个学校使用PASCO实验平台开展实验室工作的主要形式[1-2]。但这些实验项目的仪器配件比较昂贵;另一方面,很多典型的普通物理实验项目是很多高校的物理实验室已经开设的,如果全部实验项目重新配备容易产生实验设备冗余。考虑PASCO公司的计算机接口和实验软件对于不同实验项目是通用的,如果配备一套传感器以及必备的零部件之后,通过与现在已有的传统实验设备的合理集成,既最大限度的利用了现有资源,又能实现实验过程和数据采集的自动化管理,这将是一个不错的选择。

本文以单缝衍射实验为例,利用 PASCO公司的计算机接口、传感器和实验软件,对传统的单缝衍射平台进行改造,实现了自动化数据采集和处理,在开展设计性实验方面进行了有益的尝试,为PASCO实验平台的应用方式提出了一个新思路,对学生的思维创新和能力培养也大有益处。

1 单缝衍射实验原理

光在传播过程中遇到障碍物,光波会绕过障碍物继续传播,这种现象称为衍射[3]。如图2所示,当用散射角极小的激光器产生激光束,通过一个一条宽度与波长相当的狭缝(约十分之几毫米),在狭缝后适当的地方放上观察屏,就可看到衍射条纹,光强度在空间的分布也发生变化。这种现象就是单缝衍射。

通常,单缝衍射形成的明暗条纹的位置用衍射角θ表示,则:

其中,a为单缝宽度;λ为入射波长;k为衍射级数

图2 单缝衍射

利用传统的测微望远镜或者光屏,一般能观测或接收到单缝的衍射图样分布。但衍射光强分布只能根据理论上的光强分布公式作出数学分布图,无法直接观测。

2 实验设备及过程

传统实验用单缝衍射仪包括缝宽可调节的单缝帽套、测微望远镜和单色光源三部分[4]。光源装在高度可以调节的底座上,根据情况可选择钠光光源或者激光。实验时将单缝帽套套在测微望远镜的物镜前,望远镜安装在底座上,如图3所示,通过单缝的位置及宽度调节,以及望远镜的微调螺栓和测微目镜等调节,能在望远镜中观测到衍射条纹。

图3 测微望远镜和单缝帽套结构示意图

本实验中我们将单缝帽套从测微望远镜上取下来,利用自己设计的夹具将其固定在光具座上,实验装置如图4所示,其中用到的光阑,光传感器,转动传感器,750接口等,是已有的热辐射项目的实验配件,通用性很强,可方便拆装。实验时,激光器产生的光入射到单缝上,透过缝后的衍射光被带有光阑的光感应传感器接收。装置中转动传感器与光传感器固连在一起,转动传感器用来测定位置,光感应传感器测量相应位置的光强,两者通过PASCO接口装置与计算机连接。

图4 重新组装的单缝衍射装置

3 实验结果

利用图 4所示的单缝衍射装置,通过Datastudio数据采集软件的采集、处理和分析,得到的光强分布如图5所示。从中,我们不仅能对衍射现象及其光强分布有一个直观的、感性的认识,而且利用软件的分析和处理功能,如公式拟合,最值查找等等,可以定量的验证光强分布的理论公式,确定明暗条纹的精确位置等等。

图5 利用组装的设备得到的单缝衍射光强分布图

4 总 结

大学物理实验是高校一门重要的公共基础课,在培养学生综合素质和创新能力方面具有重要的基础作用。近些年随着科学技术和教育观念的改变,教育技术手段和方法不断改革和创新。本文中利用PASCO实验平台的传感器和计算机对现有单缝衍射实验设备进行改造,使光强以及光强分布等不易感官观察的物理量得到定量表达,具有良好的实验教学效果。教师和学生自己设计实验进行测量和研究的过程,对于提高教师的实验技能、教育水平,提高学生的创新能力、动手能力都大有裨益。另外,以现有的实验设备为依托,巧妙的嵌入现代化教育元素,对于一些资金、设备等受限制的学校不失为一种有效的措施,也为新的仪器设备和仪器手段的更有效利用提出了一种新思路。

[1]陈修芳.亥姆霍兹线圈磁场分布及其测量[J].大学物理实验,2009,22(3).

[2]朱礼军,魏昕,喻颖.利用 PASCO传感器研究管中声波的共振,Vo1.28,10,2008,10.

[3]姚启钧.光学教程[M].3版.北京:高等教育出版社,2002.

[4]邓金祥,刘国庆.大学物理实验[M].北京:北京工业大学出版社,2005.

Design Experiment Pattern Based on the PASCOPhysics Platform

LIU Li-ying,LONG Ming-liang,LIU Guo-qing,DENGJin-xiang

(Beijing University of Technology,Beijing 100124)

In this paper,the PASCOplatform sensors are used intOthe traditional diffraction experiment and the distribution of the diffracted luminous intensity is presented intuitively.In addition,the diffraction result can be analysed quantitatively through the DataStudiOsoftware,provided good experiment effect.

diffraction experiment;luminous intensity;designable experiment;sensors of PASCOplatform

O4-39

A

1007-2934(2011)03-0082-03

2010-10-28

北京工业大学教育研究立项(ER2009-C-69)