大学物理实验创新项目的开发与应用

【摘 要】 利用现有设备及自制设备、辅助配件研究开发一系列综合性、设计性创新实验项目，并通过实践加以应用，最终实现丰富物理实验教学内容、提高实验教学质量、拓宽设备功能及提高设备利用率的目的。

【关键词】 实验教学 综合性 设计性 创新实验

根据人才培养目标、实验教学改革、实验室建设任务及国家教育部评估的要求，实验教学项目中综合、计设性项目应不断增加。而传统的物理实验教学中往往是验证型实验多，综合性、设计性实验少；教师预先准备好的多，学生独立思考、自由发挥的少；教学方式以注入式多，启发式、探究式、讨论式、参与式少[1]。很显然，这些都是不利于培养学生的综合实践能力和创新精神的，无法满足当今社会对人才的需求。因此，为了紧紧围绕应用型人才培养目标，积极推进实验教学模式改革，牢牢把握学校实验教改精神，我们将利用现有设备及自制设备、辅助配件研究开发一批综合性、设计性、可推广的创新实验项目，让学生在完成常规的大学物理实验外，可以进行进一步的设计、综合性创新实验项目训练。

1 创新性实验的设计

1.1设计原则

在现有实验设备和实验项目基础上，开发新的实验项目。不求最新，只求原来没有现在有即是创新，最终实现拓展设备功能，提高设备利用率，丰富实验教学内容目的。

1.2 设计内容

1.2.1弯曲法测量杨氏模量

【项目背景】本项目是在现有“拉伸法测量杨氏模量”实验基础上结合自制配件而开发的设计性项目。

【目的】（1）掌握弯曲法测量杨氏模量原理；（2）测量黄铜的杨氏模量；（3）比较分析拉伸法与弯曲法各自的特点。

【要求】（1）利用自制的配件和度数显微镜组装弯曲法测量装置。（2）测量黄铜横梁的杨氏模量。（3）简述实验原理。（4）拟出实验步骤、注意事项。（5）列出数据表格，分析测量误差。

【提示】杨氏模量测量装置如图1所示，在横梁弯曲的情况下，杨氏模量Y可以用下式表示： 式中：d为两刀口之间的距离，M为所加砝码的质量，a为梁的厚度，b为梁的宽度， △Z为梁中心由于外力作用而下降的距离，g为重力加速度[2]。

1.2.2棱镜折射率测量方法的比较

【项目背景】本项目是在现有“分光计的调节与使用”实验基础上开发的设计性项目。

【目的】大学物理实验中测量玻璃折射率最常用的方法有最小偏向角法和掠入射法。本实验通过对两种方法进行研究比较，并加以改进，最终使操作更简便，测量精度更高。

【要求】（1）分析比较最小偏向角法和掠入射法各自的优缺点，并对掠入射法进行改进设计。（2）用最小偏向角法测出最小偏向角δmin，各测5次，然后求出三棱镜折射率及测量误差。（3）用改进后的掠入射法测出明暗视场交线与AC面法线的夹角，各测5次，然后求出三棱镜折射率及测量误差。（4）写明实验方法，所需仪器设备。（5）拟出实验具体程序，列出数据记录表格。（6）分别从操作方法和测量精度两方面进行分析比较。（7）阐述测量方法改进的意义及效益。

【提示】掠入射法测量原理[3]

如图2所示，用单色面扩展光源（钠光灯源前加一块毛玻璃）照射到棱镜AB面上。当扩展光源出射的光线从各个方向射向AB面时，以90°入射的光线1的出射角最小为；入射角小于90°的，出射角必大于；大于90°的入射光线不能进入棱镜。这样，在AC面用望远镜观察时，将出现半明半暗的视场，明暗视场的分界线就是入射角为i1=90°的光线的出射方向。若测出明暗视场交线与AC面法线的夹角、棱镜顶角α，即可求出棱镜折射率：

但是，若入射角i1不大时，会出现如图3那样两条明暗视场的分界线。为避免这一现象出现，确保入射光几乎都接近90°度，如图4改进，增加一块辅助三棱镜即可，同时还省却毛玻璃。

1.2.3超声光栅实验

【项目背景】本项目是在现有“分光计的调节与使用”“光栅衍射”“声速测定”实验基础上结合自制配件而开发的综合性项目。

【目的】（1）了解声光效应。（2）利用声光效应测量声波在液体中的传播速度。

【原理】光波在液体介质中传播时被超声波衍射的现象，称为超声致光衍射（亦称声光效应），这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。如图5所示，波长为的平行光束沿OY方向射向一透明介质（如纯水），介质底部声源产生一束宽度为l，波长为d的超声平面波沿OZ方向传播，这种波在介质内引起折射率的周期性变化，相邻疏密平面之间的距离就是d。由于超声速度远小于光速，因此，对于光速而言，折射率的慢变化可认为固定不变[2]。

单色平行光沿着垂直于超声波传播方向通过液体时，因折射率的周期变化使光波的波阵面产生了相应的位相差，经透镜聚焦出现衍射条纹。这种现象与平行光通过透射光栅的情形相似。因为超声波的波长很短，槽中的液体就相当于一个衍射光栅。超声波的波长d相当于光栅常数。由超声波在液体中产生的光栅装置称作超声光栅。当满足拉曼-奈斯声光衍射条件2l/d2<< l时，这种衍射类似于平面光栅衍射，可得如下光栅方程：

如图6所示，在调好的分光计上，由单色光源和平行光管中的会聚透镜L1与可调狭缝S组成平行光系统，让光束垂直通过装有压电陶瓷（PZT）的液槽（超声池），在液槽的另一侧，用自准直望远镜中的物镜L2和测微目镜组成测微系统。若振荡器使PZT晶片发生超声振动，在液槽中形成稳定的驻波，从测微目镜即可观察到衍射光谱。

【仪器与器材】分光计、低压钠灯、超声信号源、自制超声池。

【实验内容】（1）调节分光计，平行光管与望远镜同轴并与分光计主轴垂直。（2）将自制超声池水平放置载物台上，并让光束垂直入射超声池侧面。（3）开启信号源，调节信号源输出频率至压电陶瓷片谐振频率相同，通过望远镜观察视场内的衍射光谱亮度及对称性。（4）逐级测量各谱线的衍射角，并计算液体中的声速V。endprint

1.2.4磁致伸缩系数的测定

【项目背景】本项目是用改进后的迈克尔逊干涉仪及自制的配件开发的设计性实验项目。

【目的】（1）研究磁致伸缩系数与磁场强度的关系；（2）进一步掌握用改进后的迈克尔逊干涉仪测量微小量的方法。

【要求】（1）利用自制的配件和改进后的迈克尔逊干涉仪组装磁致伸缩测量装置。（2）绘制TbDyFe棒的磁致伸缩系数λ与磁场强度H的关系曲线。（3）简述实验原理。（4）拟出实验步骤、注意事项。（5）列出数据表格，分析测量误差。

【提示】磁性材料被磁化时，其各个方向的长度将会发生微小的变化（伸长或缩短），这种现象称为磁致伸缩。不同的磁性物质磁致伸缩的长度形变是不同的，通常用磁致伸缩系数 （即它的相对伸长）表征形变的大小[4]。磁致伸缩系数与磁体的磁化过程有关，当磁体磁化至饱和时，λ亦趋近一饱和值。本实验是在室温下测量磁致伸缩系数与外磁场的关系。

为了表征它们的数量关系，常用公式来描述，其中H为外加磁场的磁场强度，I为励磁电流，k0为与螺线管的结构、尺寸等因素有关的比例常数。

测量原理如图9所示，其中A为样品，D为螺线管，B为夹具，C为支架，M1、M2为反光镜。样品A与夹具B粘接，左端夹具与支架固定，右端夹具与反光镜M1可移动。当样品A被磁化伸长或缩短△l时，干涉条纹就从中心“冒出”（或向中心“缩进”）N个环，则有磁致伸缩系数

2 创新性实验的实践与应用

我校是2000年新建本科院校，没有物理专业，《大学物理》及《大学物理实验》课程是针对全校15个理工科专业开设的基础课程，目前实验室已开设项目涵盖了教学大纲A、B、C、N共39个实验。新开发的实验项目首先作为开放性实验项目供大二以上理工科各专业的学生实践，因为高年级本科生对常规物理实验已经有了切身的体会，熟悉当前实验设备的性能并操作熟练，可确保实验结果的准确性。经过实践检验证明项目可行性后，根据实际需要将部分项目转化为日常教学项目，以丰富日常教学内容。

3 结束语

除了以上项目外，我们还开发了“电压表、电流表的制作”“用干涉法测量微小量”“干涉法测量固体线膨胀系数”等一批综合性、设计性、可推广的创新实验项目，并组织实施和总结，最终为丰富实验教学内容（尤其是开放性实验内容）、全面提高学生综合素质和实验教学质量、拓宽实验设备的功能、提高设备的利用率、探索适应应用型和创新型人才培养的实验教学体系做出贡献。

【参考文献】

[1]刘国买.整合内容与强化主体——实验教学改革的思考[J].实验技术与管理，2002（2）：101-104.

[2]曹正东，李佛生.大学物理实验[M].同济大学出版社，2011：105-107，157-160.

[3]单永明，牛连平.棱镜折射率测量方法的比较及改进[J]. 科技资讯，2010（4）：250-251.

[4]杨斌，胡瑞雪等.磁性材料多功能测量仪的研制[J].实验室研究与探索，2014，33（1）：85-88.

[5]张永炬，林朝斌.磁致伸缩系数实验测定方法的比较[J].台州学院学报，2003，25（3）：49-51.endprint