双棱镜的锐角及折射率测量实验探析

2014-12-11谷锦华朱志立郭娟

科技创新导报 2014年16期

谷锦华++朱志立++郭娟

摘要：该文分析了双棱镜各面反射分光计望远镜筒小十字丝成像的光路，结合课堂教学实践，讨论了自准直法测量双棱镜锐角和折射率，学生在实验操作中出现的问题和原因。

关键词：设计性物理实验分光计双棱镜

中图分类号：O441 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）06（a）-0196-01

随着我们国家经济的快速发展，实践动手能力强，善于思考、富有创新意识的大学毕业生受到社会的青睐。因此，目前，高校非常重视实验课程对学生能力的培养。实验也从验证性实验进入到综合性及设计性实验。具有开放性、选择性、设计性的实验课程，实现了以学生为主体，个性化的培养，使学生在实验中得到启发、提高和创新。

双棱镜的锐角及折射率测量是很多高校大学物理实验的一个设计性实验项目[1-2]。该文结合课堂教学实践，从光学实验现象的观察、寻觅和判断，光学仪器的调节和检验等方面，探析如何通过设计性实验，培养学生的洞察力，提高实践动手能力。

1 双棱镜各面反射光所成像分析

如图1所示，当望远镜对着双棱镜AB面时，由于双棱镜前表面AB对光的反射及光经AB面折射、后表面AC、BC反射，在望远镜中可观察到小十字丝有三个反射像，根据光路分析知前表面AB及后表面AC、BC反射光所成像位置依次为中、右、左；同样，当望远镜对着双棱镜ACB面时，在望远镜中可观察到小十字丝有四个反射像，其中左、右两边像是由前表面AC、BC反射光所成，中间左、右像为光经BC、AC面折射、AB面反射所成。

从课堂教学的实践看，学生的设计实验方案均能正确的画出双棱镜各面反射光所成像光路示意图，并对各反射像产生的原因进行正确分析和判断。但是，如果向同学们提出一个问题：左右缓慢转动分光计载物台，从望远镜中观察双棱镜前、后表面的小十字丝的反射像，会观察到什么现象？同学们的结论则不尽相同，大部分同学仅观察到小十字像在望远镜目镜视场中左右移动、直至消失的直观现象。而少部分同学则观察到，随着分光计载物台的缓慢转动，双棱镜前、后表面的小十字丝的反射像的间距变化的重要现象。可以看出，面对同一实验现象，会得到不同的观测结果，大部分同学对实验现象的敏感性和洞察力需要经过系统的训练得以提高。随后，让同学们思考造成十字丝的反射像的间距变化的原因是什么？从课堂实践看，注意到实验现象后，同学们均能正确的分析出随着载物台的转动，双棱镜的各面对望远镜中小十字丝的入射光的反射角度变化导致了望远镜目镜目镜视场十字丝的反射像的间距变化。

2 自准直法测量双棱镜锐角

自准直法测量双棱镜锐角的关键是正确的选择目标像，排除干扰像。如图2所示，使望远镜光轴与双棱镜AB面垂直，要选择三个反射像中间的那个与叉丝重合，记下此时分光计角游标1、2的读数和。逆时针转动望远镜使其光轴与双棱镜AC面垂直，选择四个反射像最左边的反射像与叉丝重合，这时，记录下分光计角游标1、2读数和，则双棱镜锐角：

。

从课堂实验的操作看，通过对实验现象的观察，在对双棱镜各反射像产生的原因和光路进行正确分析和判断基础上，同学们均能排除干扰像，正确的选择目标像进行双棱镜双锐角的测量。

3 自准直法测量双棱镜折射率

如图3所示，测量双棱镜的折射率时，由，只要测出入射角，利用已经测出的，就可以求出折射率。使望远镜光轴与双棱镜AB面垂直，这时在望远镜中观察到小十字丝中间的反射像与叉丝重合，记下此时分光计角游标1、2的读数和，转动望远镜使最左边的反射像与叉丝重合，记录下此时分光计角游标1、2读数和，则入射角：

但课堂教学发现，部分同学的测量双棱镜的折射率n的设计方案为：

他们的光路图为图4。

分析图4的光路原理，它表示的是当望远镜对着双棱镜AB面，望远镜目镜视场中有三个反射像，当中间的那个与叉丝重合，即望远镜光轴与双棱镜AB面垂直时，AC面的反射光路。在此状态下，的确。但是，部分同学还是没有深刻理解分光计自准直法测量的物理原理。前面已经讨论过，双棱镜的各面对望远镜中小十字丝的入射光的反射角度变化会导致十字丝的反射像的间距变化。当转动望远镜使最左边的反射像与叉丝重合时，左边的反射像与中间像的夹角已经和中间的反射像与叉丝重合时的夹角不同，已经变到图3所示的自准直状态，即。

4 结语

以学生为主体，个性化的设计性实验，需要同学们深刻领悟实验原理，在此基础上，通过仔细观察实验现象，分析实验结果。在实验中得到启发和创新，提高实践动手能力。

参考文献

[1] 候秀梅，闫书霞.大学物理实验[M].郑州：郑州大学出版社，2010：219-222.