大學物理實驗創新項目的開發與應用

【摘 要】 利用現有設備及自制設備、輔助配件研究開發一系列綜合性、設計性創新實驗項目，并通過實踐加以應用，最終實現豐富物理實驗教學內容、提高實驗教學質量、拓寬設備功能及提高設備利用率的目的。

【關鍵詞】 實驗教學 綜合性 設計性 創新實驗

根據人才培養目標、實驗教學改革、實驗室建設任務及國家教育部評估的要求，實驗教學項目中綜合、計設性項目應不斷增加。而傳統的物理實驗教學中往往是驗證型實驗多，綜合性、設計性實驗少；教師預先準備好的多，學生獨立思考、自由發揮的少；教學方式以注入式多，啟發式、探究式、討論式、參與式少[1]。很顯然，這些都是不利于培養學生的綜合實踐能力和創新精神的，無法滿足當今社會對人才的需求。因此，為了緊緊圍繞應用型人才培養目標，積極推進實驗教學模式改革，牢牢把握學校實驗教改精神，我們將利用現有設備及自制設備、輔助配件研究開發一批綜合性、設計性、可推廣的創新實驗項目，讓學生在完成常規的大學物理實驗外，可以進行進一步的設計、綜合性創新實驗項目訓練。

1 創新性實驗的設計

1.1設計原則

在現有實驗設備和實驗項目基礎上，開發新的實驗項目。不求最新，只求原來沒有現在有即是創新，最終實現拓展設備功能，提高設備利用率，豐富實驗教學內容目的。

1.2 設計內容

1.2.1彎曲法測量楊氏模量

【項目背景】本項目是在現有“拉伸法測量楊氏模量”實驗基礎上結合自制配件而開發的設計性項目。

【目的】（1）掌握彎曲法測量楊氏模量原理；（2）測量黃銅的楊氏模量；（3）比較分析拉伸法與彎曲法各自的特點。

【要求】（1）利用自制的配件和度數顯微鏡組裝彎曲法測量裝置。（2）測量黃銅橫梁的楊氏模量。（3）簡述實驗原理。（4）擬出實驗步驟、注意事項。（5）列出數據表格，分析測量誤差。

【提示】楊氏模量測量裝置如圖1所示，在橫梁彎曲的情況下，楊氏模量Y可以用下式表示： 式中：d為兩刀口之間的距離，M為所加砝碼的質量，a為梁的厚度，b為梁的寬度， △Z為梁中心由于外力作用而下降的距離，g為重力加速度[2]。

1.2.2棱鏡折射率測量方法的比較

【項目背景】本項目是在現有“分光計的調節與使用”實驗基礎上開發的設計性項目。

【目的】大學物理實驗中測量玻璃折射率最常用的方法有最小偏向角法和掠入射法。本實驗通過對兩種方法進行研究比較，并加以改進，最終使操作更簡便，測量精度更高。

【要求】（1）分析比較最小偏向角法和掠入射法各自的優缺點，并對掠入射法進行改進設計。（2）用最小偏向角法測出最小偏向角δmin，各測5次，然后求出三棱鏡折射率及測量誤差。（3）用改進后的掠入射法測出明暗視場交線與AC面法線的夾角，各測5次，然后求出三棱鏡折射率及測量誤差。（4）寫明實驗方法，所需儀器設備。（5）擬出實驗具體程序，列出數據記錄表格。（6）分別從操作方法和測量精度兩方面進行分析比較。（7）闡述測量方法改進的意義及效益。

【提示】掠入射法測量原理[3]

如圖2所示，用單色面擴展光源（鈉光燈源前加一塊毛玻璃）照射到棱鏡AB面上。當擴展光源出射的光線從各個方向射向AB面時，以90°入射的光線1的出射角最小為；入射角小于90°的，出射角必大于；大于90°的入射光線不能進入棱鏡。這樣，在AC面用望遠鏡觀察時，將出現半明半暗的視場，明暗視場的分界線就是入射角為i1=90°的光線的出射方向。若測出明暗視場交線與AC面法線的夾角、棱鏡頂角α，即可求出棱鏡折射率：

但是，若入射角i1不大時，會出現如圖3那樣兩條明暗視場的分界線。為避免這一現象出現，確保入射光幾乎都接近90°度，如圖4改進，增加一塊輔助三棱鏡即可，同時還省卻毛玻璃。

1.2.3超聲光柵實驗

【項目背景】本項目是在現有“分光計的調節與使用”“光柵衍射”“聲速測定”實驗基礎上結合自制配件而開發的綜合性項目。

【目的】（1）了解聲光效應。（2）利用聲光效應測量聲波在液體中的傳播速度。

【原理】光波在液體介質中傳播時被超聲波衍射的現象，稱為超聲致光衍射（亦稱聲光效應），這種現象是光波與介質中聲波相互作用的結果。如圖5所示，波長為的平行光束沿OY方向射向一透明介質（如純水），介質底部聲源產生一束寬度為l，波長為d的超聲平面波沿OZ方向傳播，這種波在介質內引起折射率的周期性變化，相鄰疏密平面之間的距離就是d。由于超聲速度遠小于光速，因此，對于光速而言，折射率的慢變化可認為固定不變[2]。

單色平行光沿著垂直于超聲波傳播方向通過液體時，因折射率的周期變化使光波的波陣面產生了相應的位相差，經透鏡聚焦出現衍射條紋。這種現象與平行光通過透射光柵的情形相似。因為超聲波的波長很短，槽中的液體就相當于一個衍射光柵。超聲波的波長d相當于光柵常數。由超聲波在液體中產生的光柵裝置稱作超聲光柵。當滿足拉曼-奈斯聲光衍射條件2l/d2<< l時，這種衍射類似于平面光柵衍射，可得如下光柵方程：

如圖6所示，在調好的分光計上，由單色光源和平行光管中的會聚透鏡L1與可調狹縫S組成平行光系統，讓光束垂直通過裝有壓電陶瓷（PZT）的液槽（超聲池），在液槽的另一側，用自準直望遠鏡中的物鏡L2和測微目鏡組成測微系統。若振蕩器使PZT晶片發生超聲振動，在液槽中形成穩定的駐波，從測微目鏡即可觀察到衍射光譜。

【儀器與器材】分光計、低壓鈉燈、超聲信號源、自制超聲池。

【實驗內容】（1）調節分光計，平行光管與望遠鏡同軸并與分光計主軸垂直。（2）將自制超聲池水平放置載物臺上，并讓光束垂直入射超聲池側面。（3）開啟信號源，調節信號源輸出頻率至壓電陶瓷片諧振頻率相同，通過望遠鏡觀察視場內的衍射光譜亮度及對稱性。（4）逐級測量各譜線的衍射角，并計算液體中的聲速V。endprint

1.2.4磁致伸縮系數的測定

【項目背景】本項目是用改進后的邁克爾遜干涉儀及自制的配件開發的設計性實驗項目。

【目的】（1）研究磁致伸縮系數與磁場強度的關系；（2）進一步掌握用改進后的邁克爾遜干涉儀測量微小量的方法。

【要求】（1）利用自制的配件和改進后的邁克爾遜干涉儀組裝磁致伸縮測量裝置。（2）繪制TbDyFe棒的磁致伸縮系數λ與磁場強度H的關系曲線。（3）簡述實驗原理。（4）擬出實驗步驟、注意事項。（5）列出數據表格，分析測量誤差。

【提示】磁性材料被磁化時，其各個方向的長度將會發生微小的變化（伸長或縮短），這種現象稱為磁致伸縮。不同的磁性物質磁致伸縮的長度形變是不同的，通常用磁致伸縮系數 （即它的相對伸長）表征形變的大小[4]。磁致伸縮系數與磁體的磁化過程有關，當磁體磁化至飽和時，λ亦趨近一飽和值。本實驗是在室溫下測量磁致伸縮系數與外磁場的關系。

為了表征它們的數量關系，常用公式來描述，其中H為外加磁場的磁場強度，I為勵磁電流，k0為與螺線管的結構、尺寸等因素有關的比例常數。

測量原理如圖9所示，其中A為樣品，D為螺線管，B為夾具，C為支架，M1、M2為反光鏡。樣品A與夾具B粘接，左端夾具與支架固定，右端夾具與反光鏡M1可移動。當樣品A被磁化伸長或縮短△l時，干涉條紋就從中心“冒出”（或向中心“縮進”）N個環，則有磁致伸縮系數

2 創新性實驗的實踐與應用

我校是2000年新建本科院校，沒有物理專業，《大學物理》及《大學物理實驗》課程是針對全校15個理工科專業開設的基礎課程，目前實驗室已開設項目涵蓋了教學大綱A、B、C、N共39個實驗。新開發的實驗項目首先作為開放性實驗項目供大二以上理工科各專業的學生實踐，因為高年級本科生對常規物理實驗已經有了切身的體會，熟悉當前實驗設備的性能并操作熟練，可確保實驗結果的準確性。經過實踐檢驗證明項目可行性后，根據實際需要將部分項目轉化為日常教學項目，以豐富日常教學內容。

3 結束語

除了以上項目外，我們還開發了“電壓表、電流表的制作”“用干涉法測量微小量”“干涉法測量固體線膨脹系數”等一批綜合性、設計性、可推廣的創新實驗項目，并組織實施和總結，最終為豐富實驗教學內容（尤其是開放性實驗內容）、全面提高學生綜合素質和實驗教學質量、拓寬實驗設備的功能、提高設備的利用率、探索適應應用型和創新型人才培養的實驗教學體系做出貢獻。

【參考文獻】

[1]劉國買.整合內容與強化主體——實驗教學改革的思考[J].實驗技術與管理，2002（2）：101-104.

[2]曹正東，李佛生.大學物理實驗[M].同濟大學出版社，2011：105-107，157-160.

[3]單永明，牛連平.棱鏡折射率測量方法的比較及改進[J]. 科技資訊，2010（4）：250-251.

[4]楊斌，胡瑞雪等.磁性材料多功能測量儀的研制[J].實驗室研究與探索，2014，33（1）：85-88.

[5]張永炬，林朝斌.磁致伸縮系數實驗測定方法的比較[J].臺州學院學報，2003，25（3）：49-51.endprint