對(duì)“用雙縫干涉測(cè)量光的波長(zhǎng)”實(shí)驗(yàn)儀器的改進(jìn)

丁祖堂

(海鹽元濟(jì)高級(jí)中學(xué) 浙江 嘉興 314300)

龔興林

(海鹽高級(jí)中學(xué) 浙江 嘉興 314300)

王建峰

(海鹽元濟(jì)高級(jí)中學(xué) 浙江 嘉興 314300)

對(duì)“用雙縫干涉測(cè)量光的波長(zhǎng)”實(shí)驗(yàn)儀器的改進(jìn)

丁祖堂

(海鹽元濟(jì)高級(jí)中學(xué) 浙江 嘉興 314300)

龔興林

(海鹽高級(jí)中學(xué) 浙江 嘉興 314300)

王建峰

(海鹽元濟(jì)高級(jí)中學(xué) 浙江 嘉興 314300)

從目前高中物理“實(shí)驗(yàn)：用雙縫干涉測(cè)量光的波長(zhǎng)”實(shí)驗(yàn)儀器所產(chǎn)生的問題出發(fā)，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了系列改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了本實(shí)驗(yàn)所要達(dá)成的教學(xué)目標(biāo)．利用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，將進(jìn)一步提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)．

實(shí)驗(yàn)改進(jìn) 雙縫干涉 干涉圖樣呈現(xiàn)系統(tǒng)

“實(shí)驗(yàn)：用雙縫干涉測(cè)量光的波長(zhǎng)”是人教版教材高中《物理·選修3-4》第十三章“光”中的第4節(jié)內(nèi)容．實(shí)驗(yàn)所采用J2515型的裝置(如圖1所示)，通過本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，旨在達(dá)成以下目標(biāo)：

(1)知道實(shí)驗(yàn)裝置的構(gòu)成及各器材的作用；

(2)會(huì)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置并觀察白光及單色光的雙縫干涉圖樣；

(3)學(xué)會(huì)使用測(cè)量頭，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理測(cè)定單色光的波長(zhǎng)．

圖1 J2515型雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置

1 實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)述

光源發(fā)出的光經(jīng)濾光片成為單色光，單色光通過單縫后，經(jīng)雙縫產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉圖樣，通過觀察毛玻璃上的干涉條紋并測(cè)出相鄰兩個(gè)條紋的中心間距來計(jì)算出光的波長(zhǎng)．

如圖2所示，已知P1是屏上與P0相距為x的某點(diǎn)，兩縫與P1的距離分別為P1S1=r1，P1S2=r2，兩縫之間的距離d遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于雙縫到屏的距離l．

圖2 實(shí)驗(yàn)原理

2 實(shí)驗(yàn)主要存在的問題

(1)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀而不清

實(shí)驗(yàn)室用J2515型實(shí)驗(yàn)裝置組裝并調(diào)節(jié)好以后，在遮光筒的放大鏡處觀察干涉圖樣，由于視野處的光強(qiáng)弱、視野區(qū)域小，干涉圖樣很難觀察到，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)無法達(dá)成．實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，如果燈絲與單縫、雙縫、測(cè)量頭與遮光筒不在同一軸線上，干涉條紋將無法觀察到，故實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)把握細(xì)節(jié)．再者，本裝置如果用于演示實(shí)驗(yàn)，由于其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象難以觀察清楚，不利于教學(xué)的開展，使教學(xué)效果較差．

(2)測(cè)量頭讀數(shù)正確率低

3 實(shí)驗(yàn)儀器的改進(jìn)

3.1增設(shè)干涉圖樣呈現(xiàn)系統(tǒng)

為了提高實(shí)驗(yàn)的可視度及觀察范圍，適用除普通光源外的激光光源，把干涉圖樣清晰地呈現(xiàn)在手機(jī)或電腦屏幕上替代目視觀察不失為一種有效的實(shí)驗(yàn)方法．本實(shí)驗(yàn)中在J2515型設(shè)備基礎(chǔ)上增設(shè)了干涉圖樣的呈現(xiàn)系統(tǒng)來解決這一問題．如圖3所示，干涉圖樣呈現(xiàn)系統(tǒng)直接與實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量頭的放大鏡對(duì)接，把干涉圖樣(如圖4所示)清晰地呈現(xiàn)在手機(jī)屏幕上，也可同步呈現(xiàn)在多媒體屏幕上．在實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，可通過觀察屏幕上的圖樣演變來調(diào)節(jié)雙縫、單縫及濾光片的色光，不僅體會(huì)到各實(shí)驗(yàn)器材的作用而且使實(shí)驗(yàn)更具操作性和探究性．

圖3 干涉圖樣呈現(xiàn)系統(tǒng)

圖4 干涉圖樣

干涉圖樣呈現(xiàn)系統(tǒng)由硬件和軟件二部分組成．其中，硬件部分由手機(jī)單反鏡頭(MACRO+10 S/N:02160632)兩組(圖5)、安卓智能手機(jī)一部、電腦一臺(tái)、數(shù)據(jù)線和鐵夾組成；軟件部分由手機(jī)、電腦同步投屏魅色(Meise)有線軟件或手機(jī)、電腦同步投屏Mirrorop無線軟件支持．

圖5 手機(jī)單反鏡頭

3.2測(cè)量頭的替換

為了提高測(cè)量頭讀數(shù)的正確率，并能對(duì)讀數(shù)進(jìn)行自我評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)中用數(shù)顯游標(biāo)測(cè)量頭替代J2515設(shè)備中的機(jī)械游標(biāo)測(cè)量頭，如圖6所示．?dāng)?shù)顯游標(biāo)測(cè)量頭可直接顯示分劃板任意移動(dòng)距離s，不但消除了由于游標(biāo)測(cè)量頭的讀數(shù)而引起的偶然誤差，而且使實(shí)驗(yàn)儀器更具時(shí)代感．

在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以先練習(xí)游標(biāo)(螺旋)測(cè)量頭的讀數(shù)，再顯示數(shù)顯游標(biāo)測(cè)量頭的示數(shù)，對(duì)比二者的數(shù)據(jù)讓學(xué)生明確自己的讀數(shù)是否存在問題，以達(dá)成對(duì)機(jī)械游標(biāo)(螺旋)尺的正確使用及讀數(shù)這一目標(biāo)，提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)．

圖6 數(shù)顯游標(biāo)測(cè)量頭

3.3數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

為了便于對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，特增加了用Visual basic編輯的數(shù)據(jù)處理程序，實(shí)驗(yàn)中直接輸入實(shí)驗(yàn)所測(cè)的數(shù)據(jù)(數(shù)顯游標(biāo)測(cè)量頭顯示值s，移動(dòng)的條紋數(shù)n)便可得到光的波長(zhǎng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的界面如圖7所示．

圖7 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)界面

4 啟示

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，無論是物理概念的建立，還是物理規(guī)律的探索與驗(yàn)證都離不開實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是中學(xué)物理教學(xué)的重要組成部分．讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)觀察、動(dòng)手操作、思考探究來獲取知識(shí)，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力的重要途徑．

在實(shí)驗(yàn)過程中面對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置本身的不足與缺陷進(jìn)行改進(jìn)，并融入一些數(shù)字化、現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)元素，使我們的實(shí)驗(yàn)儀器更具魅力，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的探究欲望和創(chuàng)造力，真正體現(xiàn)物理學(xué)的教學(xué)價(jià)值．

2017-04-02)