科研成果转化为实验教学内容之探索

林跃强， 刘晓东， 李 建

(西南大学 物理科学与技术学院， 重庆 400715)



·实验教学与创新·

科研成果转化为实验教学内容之探索

林跃强， 刘晓东， 李 建

(西南大学 物理科学与技术学院， 重庆 400715)

根据进行科研工作的体会以及从事实验教学的经验，作者提出了将从事磁性液体的磁光效应研究中取得的一些成果(包括科研论文和专利)转化为实验教学内容的构想。进行了构建以综合性、研究性实验为目标的实验教学模式探讨。论文阐述了相关的科研背景、开设本实验的指导思想、实验的主要原理以基本要求。

科学研究； 实验教学； 磁光效应； 磁性液体

0 引 言

物理学是以实验为基础的学科，实验教学是培养物理工作者必不可少的教学组成部分。当代科学技术的发展呈高度分化和高度综合的趋势，作为科学技术发展成果的反映的高校课程和内容也不断地加强课程间的有机联系，以综合性的内容代替传统内容[1]。近代物理实验是在普通物理实验和电子学实验基础上的一门物理学类专业本科生的必修基础实验课程，在实验教学中起着承上启下的作用，具有综合性、技术性和研究性的特点[2]，也是培养物理学科以及相关学科专门人才的重要基础。将科研成果转化为近代物理教学内容，有助于启迪学生的创新思维，提高学生综合应用知识的能力、掌握进行科学实验的基本方法，可望在学生的培养上起到“继往开来”的效果。为此，我们尝试了将在磁性液体的磁光性质研究中取得的部分成果转化为近代物理实验的一个教学内容，以构建具有综合物理知识、强化实验技能训练和将基础知识运用于科技前沿研究特点的实验教学模式。

1 科研背景

磁性液体，也称为磁流体、磁性胶体，是粒径在10 nm左右的磁性纳米微粒分散于液态载体中形成的悬浮体，为具有磁(场)控特性的液态功能材料[3]。磁光效应——磁双折射和磁二向色性是磁性液体的重要特性之一，不仅可作为反映磁性液体微观特性的有用工具，在技术应用上也是极具价值的。例如，这些效应已被用于可调四分之一波片的制作[4]和生物分子相互作用的表征[5]等。

通常，磁双折射和磁二向色性使用线偏振光进行研究，两者只能分别测量，磁场方向也难以精确确定。根据圆偏振光可分解为偏振方向相互垂直的两束线偏振光的原理，提出用圆偏振光进行磁光效应研究的方法。采用这个方法，不但磁双折射和磁二向色性的信息可同时测得，而且磁场方向可精确测定。其测量装置获得了专利授权[6-7]，相关解析理论发表于Science China(中国科学)[8]。基于自行设计的装置及发展的理论所得到的研究结果已在国际刊物上发表[9-10]。

磁光效应研究中，圆偏振光的直接使用还鲜见文献述及。此外，有研究发现，自然界从分子、生物组织

到地外物体，许多物质表现出对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光具有不同的敏感特性[11-13]。因此，圆偏振光不仅在用于磁光效应的研究中体现了新颖性，还可能在更广范围的物质性质的研究领域具有潜在的应用价值。

2 指导思想

光是自然界最重要而且最常见的现象之一。它可将信息从一处传到另一处；也可用于激励、调节和探测化学、生物和凝聚态物质中的许多过程[14]。20世纪60年代诞生的激光器不但使光通讯成为可能，也为磁光效应的研究提供了有力手段。随着磁光效应研究的发展，已形成以描述光与各种磁性物质相互作用的现象和理论，以及磁光材料与器件的特性和应用为主要内容的物理学中一门新兴分支学科——磁光学(Magneto-Optics)[15-16]。本实验应作为现有近代物理实验教学的后续提高性实验，在实验的设计中将贯穿如下理念：

(1) 体现物理基础知识的综合性。在所设计的实验中将涉及光的偏振特性，磁学(磁场与物质磁性)，光与物质的作用，磁双折射效应和磁二向色性与普通光学中的双折射效应和二向色性的异同。

(2) 强化实验技能。在本实验中仅提供给学生分离的单元实验器件，要求学生自行组装搭建实验系统进行相关实验。其中包括磁场测量、将由激光源产生的激光调制成线、圆偏振光，并进行检测；测量不同偏振特性的光束穿过磁性液体样品后其强度、偏振特性的变化;并能根据这些变化解析出样品的磁二向色性、磁双折射效应。另外还要求学生熟练使用计算机进行实验过程控制、实验数据采集、实验结果分析。

(3) 拓展知识的能力。知识的积累是一个基于已有知识、吸收新的知识的不断拓展的过程。在本实验中，除要求学生完成规定的实验内容外，还推荐与本实验相关的科技文献，作为补充读物，以促进、培养学生学习新知识的兴趣和提高阅读英文专业文献的水平。

(4) 溶入研究属性。本实验源之于已有的科研基础上并紧密联系学生已掌握的物理学知识，因此，可充分体现将基础知识运用于科研前沿的特色。所测试的磁性液体为磁性纳米微粒的悬浮液，学生可直接接触纳米材料。有潜质、有兴趣的学生在完成本实验后，可以在老师的指导下，深入开展研究工作，也为后续的毕业论文选题奠定基础。

3 实验的主要原理[8]

在磁场作用下，磁性液体中的磁性纳米微粒将沿场方向形成链状团聚结构，以致其宏观光学性质呈现平行场方向与垂直场方向不同的各向异性。磁光学中，磁场方向即为介质的“光轴”， 偏振方向平行于磁场方向的光称为e光，偏振方向垂直于磁场方向的光称为o光。当线偏振光沿垂直于磁场方向穿过介质时，e光与o光的相位不同的现象称为磁双折射效应；e光与o光的吸收不同的现象称为磁二向色性。

当圆偏振光沿垂直于磁场方向(磁场方向设定为x方向)传播(传播方向设定为z方向)时，它可分解为振幅相等、位相差为±π/2的两束线偏振光，其电矢量的表示为：

(1)

式中:A是振幅;ω是圆频率;t是时间。正、负号分别对应着右旋和左旋圆偏振光，如图1(a)、(c)所示。当光穿过磁光介质后，由于双折射效应，两束线偏振光的相位差会发生改变，这可通过偏振方向垂直于磁场方向的偏振光附加相位延迟Δτ来表示；由于二向色性，两束线偏振光的振幅是不同的，即Ax≠Ay。因此穿过介质后的透射光可被描述为：

(2)

图1(a)为右旋圆偏振光，图1(b)为对应的右旋椭圆偏振光；图1(c)为左旋圆偏振光，图1(d)为对应的左旋椭圆偏振光。

对于磁性液体而言，偏振方向平行于磁场方向的e光通常比偏振方向垂直于磁场方向的o光具有较强的吸收和较大折射指数，以致Δτ>0，Ax

(a)(b)

(c)7(d)

图1 圆偏振入射光成为椭圆偏振透射光示意图

4 实验的基本要求

4.1 实验预习

本实验应在学习了光学、电磁学等基础课程，并完成了规定的近代物理实验的学生中进行。实验之前，学生应阅读相关资料文献；在现场熟悉实验中所需使用的激光器、光电探头、磁场产生及测量装置、各光学元器件和计算机等的作用，并能比较熟练地掌握使用；拟定实验方案，写出预习报告。

4.2 实验内容

(1) 熟悉图2所示的实验参考装置示意图，自行搭建实验系统。

(2) 磁性液体薄膜样品制备。

(3) 根据图2所示的示意图，调整光学功能器件，分别产生线性偏振光、圆偏振光，检验线偏振光、圆偏振光的光强分布特点。

(4) 磁场的产生与测量。

(5) 磁性液体的磁双折现效应、磁二向色性测量。

(6) 作出圆偏振光透过磁场作用下的磁性液体样品后的光强度角分布曲线，解析得出反映磁双折射效应和磁二向色性的折射差率差值和吸收率差值[8]。

4.3 实验报告

写出全面总结实验的实验报告，特别要突出实验结果的分析，可能造成结果误差的环节。有兴趣地同学可在此实验的基础上，提出进一步开展研究的课题申请报告，待审核批准后予以实施，并写出科研论文。

5 结 语

学生素质的培养，关键是要培养学生具有创新精

(1) He-Ne激光器; (2) 分光镜; (3) 起偏器; (4) 1/4波片; (5) 亥姆霍兹线圈; (6) 样品; (7) 检偏器; (8) 硅光电池; (9) 励磁电源; (10) 起偏器; (11) 对照样品; (12) 硅光电池; (13) 差分放大器; (14) 计算机

图2 磁光效应测量示意图

神。但科学上的创新必须是基于掌握必要科学基础知识上的创新,否则，所谓创新将成为无源之水、无本之木。因此，本科层次的学生的任务应主要是学科专业基础的学习。学习是伴随人一生的过程，尤其是青年学生更需有本能地从已掌握的知识去积极追求更多知识的素养。 “千里之行，始于足下”。学生未来的发展，本科阶段的学习是尤为重要的。在此阶段所积累的知识、得以锻炼的学习知识的能力及养成的良好实验动手习惯和思维方式将使学生终生受益。从科学研究工作中提炼出能与学生已有的知识、能力紧密结合的实验专题，对学生学习的主动性和积极性发挥是大有裨益的。这样也许能更贴切地使学生获得新的科学知识，培养科学兴趣，为学生开启一扇探望未来之路的窗口。基于以上认知，我们根据科研体会和教学经验，探索从磁性液体的磁光效应研究取得的成果中总结出适当的内容转化到实验教学中去，尝试进行了体现基础性、综合性和研究性的实验教学模式的具体构建。

[1] 杨晓萍. 高等教育学 [M]. 重庆: 重庆出版社, 2006.

[2] 李国庆. 近代物理实验 [M]. 北京: 科学出版社, 2013.

[3] Odenbach S. Ferrofluids—magnetically controlled suspensions [J]. Colloid Surface A, 2003, 217 (1): 171-178.

[4] Djendli S, Sahsah H, Jamon D,etal. Adjusted quarter wave plate using γ-Fe2O3ferrofluid [J]. J Magn Magn Mater, 2000, 217 (1): 170-174.

[5] Aurich K, Glckl G, Romanus E,etal. Magneto-optical relaxation measurements for the characterization of biomolecular interactions [J]. Journal of Physics: Condensed Matter, 2006, 18 (38): S2847-S2863.

[6] 刘晓东, 林跃强, 李 建. 磁性液体磁致光透射变化率测量仪[P]. 专利号: 200320114583.8.

[7] 林跃强, 刘晓东, 李 建, 等. 一种磁性液体的磁二向色性测量仪[P]. 中国专利: 201010209090.7.

[8] Fu J, Li J, Lin Y,etal. Study of magneto-optical effects inγ-Fe2O3/ZnFe2O4nanoparticle ferrofluids, usingcircularly polarized light [J]. Sci China Phys Mech, 2012, 55 (8): 1404-1411.

[9] Li J, FU J, LIN Y,etal. The magneto-optical behaviors modulated by unaggregated system forγ-Fe2O3-ZnFe2O4binary ferrofluids [J]. AIP Advances, 2012, 2 (4): 042124.

[10] Li J, QIU X, LIN Y，etal. Large magneto-optical birefringence of colloid suspensions ofα-FeOOH goethite nanocrystallites [J]. Chem Phys Lett, 2013, 590:165-168.

[11] Degtjarev V, Kolokolova L. Possible application of circular polarization for remote sensing of cosmic bodies [J]. Earth, Moon, and Planets, 1992, 57 (3): 213-223.

[12] Sparks W B, Hough J, Germer T A,etal. Detection of circular polarization in light scattered from photosynthetic microbes [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2009, 106 (19): 7816-7821.

[13] Kolokolova L, Sparks W, Mackowski D. Astrobiological remote sensing with circular polarization [M]. Polarimetric Detection, Characterization and Remote Sensing. Springer, 2011: 277-294.

[14] Desai J. Magnetic trapping of light [J]. Curr Sci, 2007, 93 (4): 452-453.

[15] 刘公强, 乐志强, 沈德芳. 磁光学 [M]. 上海: 上海科学技术出版社, 2001.

[16] Sugano S, Kojima N. Magneto-optics [M]. Germany: Springer, 2000.

A Research on Translating the Results of Scientific Investigation into Experimental Teaching

LINYue-qiang,LIUXiao-dong,LIJian

(School of Physical Science and Technology, Southwest University, Chongqing 400715, China)

Combing the experiences of scientific investigation with experimental teaching, we propose to translate the results on the investigation of magneto-optical effects, which involve the papers and patents, into an objective of experimental teaching. In this paper, we perform a research on constructing a model of experimental teaching which has synthetic and investigative characterizations. And, the background of the scientific investigation, the experimentally guiding ideology, major principal and special requirement are advanced.

scientific investigation; experimental teaching; magneto-optical effects; ferrofluids (magnetic liquids)

2014-06-12

国家自然科学基金资助项目(11074205); 西南大学教育教学改革研究项目(2014JY042)

林跃强 (1958-)，男，福建福州人，学士，高级实验师，主要从事实验教学及实验研究等工作。

Tel.:13883387375； E-mail：linyq@swu.edu.cn

G 642.423

A

1006-7167(2015)05-0144-03