牛頓環(huán)實驗在虛擬仿真和傳統(tǒng)教學(xué)的差異

景素華 周曉云

摘 要：依據(jù)牛頓環(huán)實驗，從實驗的結(jié)果、教學(xué)方法和教學(xué)實施過程對比虛擬仿真實驗和傳統(tǒng)實驗教學(xué)的差異，實驗教學(xué)不宜只依靠虛擬仿真實驗來完成，建議將虛擬仿真和傳統(tǒng)實驗教學(xué)結(jié)合起來，發(fā)揮各自的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：牛頓環(huán)；虛擬仿真；傳統(tǒng)教學(xué)

牛頓環(huán)實驗作為一個經(jīng)典光學(xué)實驗項目，傳統(tǒng)實驗通常以實物來展開。近年來，虛擬仿真技術(shù)逐漸應(yīng)用到大學(xué)物理實驗中，牛頓環(huán)實驗也不例外。本文就牛頓環(huán)實驗，結(jié)合教學(xué)實際，說明虛擬仿真實驗與傳統(tǒng)教學(xué)的差異。

1. 實驗原理

采用常用的測量理論測量暗環(huán)紋，為了提高實驗精度，用環(huán)數(shù)差來代替級數(shù)差，將測量直徑改為測量弦長[1]，理論公式為

R=（Lm2-Ln2）/4（m-n）λ （1）

2. 實驗數(shù)據(jù)記錄與處理

設(shè)中心暗斑為零環(huán)，向左移至35暗環(huán)以外，消除空程誤差，然后反向轉(zhuǎn)動鼓輪，逐次讀取30-26暗環(huán)和15-11暗環(huán)的位置坐標(biāo)，繼續(xù)朝同一方向轉(zhuǎn)動鼓輪（為防止產(chǎn)生空程差），越過中央暗斑，逐次讀取右方11-15暗環(huán)和26-30暗環(huán)的位置坐標(biāo)，將數(shù)據(jù)記入表格，實驗數(shù)據(jù)采用逐差法 [2]。

3. 實驗結(jié)果

通過兩學(xué)期的虛擬仿真實驗和傳統(tǒng)實驗教學(xué)，選取具有代表性的兩組數(shù)據(jù)來分析，表1和2分別是虛擬仿真和傳統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)及處理結(jié)果。

表1 虛擬仿真實驗數(shù)據(jù)及處理結(jié)果（單位mm）

環(huán)數(shù) 左讀數(shù)xk左 右讀數(shù)xk右 直徑D

|xk左-xk右| 直徑平方D2 平方逐差

Dk+52-Dk2 實驗結(jié)果

30 60.230 51.034 9.196 84.566 42.679 平均值1217.917

百分

誤差

21.80%

29 60.146 51.116 9.030 81.541 43.566

28 60.069 51.189 8.880 78.854 42.806

27 59.989 51.266 8.723 76.248 42.967

26 59.900 51.352 8.548 73.068 42.697

15 58.867 52.395 6.472 41.679

14 58.756 52.513 6.243 38.975

13 58.634 52.630 6.004 36.048

12 58.525 52.756 5.769 33.281

11 58.389 52.878 5.511 30.371

表2 傳統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)及處理結(jié)果（單位mm）

環(huán)數(shù) 左讀數(shù)

xk左 右讀數(shù)

xk右 直徑D

|xk左-xk右| 直徑平方

D2 平方逐差

Dk+52-Dk2 實驗結(jié)果

30 38.715 30.055 8.660 74.996 35.180 平均值990.033

百分

誤差

0.10%

29 38.630 30.130 8.500 72.250 34.857

28 38.565 30.205 8.360 69.890 34.725

27 38.480 30.270 8.210 67.404 34.857

26 38.415 30.350 8.065 65.044 34.904

15 37.505 31.195 6.310 39.816

14 37.410 31.295 6.115 37.393

13 37.310 31.380 5.930 35.165

12 37.200 31.495 5.705 32.547

11 37.095 31.605 5.490 30.140

從上面兩組表中可以看出，從左往右依次測量，左30環(huán)到右30環(huán)的測量數(shù)據(jù)都依次減小，但二者差異較為明顯。對于每一個測量值，虛擬數(shù)據(jù)比傳統(tǒng)實驗的數(shù)據(jù)大很多，另外，按照同樣的實驗數(shù)據(jù)處理方法，虛擬仿真實驗的結(jié)果誤差20.08%遠大于傳統(tǒng)實驗0.10%。

4. 兩種教學(xué)方式的其他差異

在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，該實驗可以加深對等厚干涉及半波損失理論的理解，培養(yǎng)學(xué)生的基本實驗技能，提高解決實際問題的能力。但在傳統(tǒng)牛頓環(huán)實驗中常存在這樣一些問題：

教師演示時，只有部分學(xué)生能看到教師演示出的實驗現(xiàn)象；學(xué)生操作時，教師無法直觀地看到學(xué)生調(diào)節(jié)出來的牛頓環(huán)圖像，難以判定學(xué)生對實驗掌握的程度；整個實驗過程學(xué)生必須把眼睛一直緊貼讀數(shù)顯微鏡的目鏡，嚴(yán)重加重了學(xué)生和教師眼睛的負(fù)擔(dān)，很容易產(chǎn)生視覺疲勞而數(shù)錯環(huán)數(shù)；牛頓環(huán)實驗耗時較長。

而在虛擬仿真實驗中能有效克服傳統(tǒng)實驗教學(xué)的缺點：

由于實驗全程通過點擊鼠標(biāo)的左右鍵來完成，所以教師演示投影在屏幕上，學(xué)生容易看見學(xué)會；學(xué)生在上機操作過程中，教師能實時看到操作的畫面；仿真實驗的圖像較為緩和且固定不變，不容易產(chǎn)生視覺疲勞；仿真圖像放大的比較明顯，學(xué)生不容易數(shù)錯環(huán)數(shù)，同時仿真實驗調(diào)節(jié)的較為迅速，實驗時間明顯縮短。

但在虛擬仿真實驗中仍存在不可忽視的缺點：

牛頓環(huán)實驗難點一在于光路的調(diào)節(jié)，但在仿真實驗中，只需將牛頓環(huán)儀放在載物臺上就一定能看到牛頓環(huán)圖像，學(xué)生放錯會有提示，這樣通過計算機完成實驗只需2分鐘左右，操作機械，而在傳統(tǒng)實驗中最開始是很多學(xué)生找不到圖像。

該實驗難點二在于找到清晰且無視差的牛頓環(huán)圖像。而虛擬仿真實驗只需將鼠標(biāo)放在調(diào)焦手輪上，點擊鼠標(biāo)的左右鍵即可進行調(diào)焦，可調(diào)節(jié)的范圍很窄，缺少多方面的實驗技能的訓(xùn)練。而在傳統(tǒng)實驗中，我們可以通過擦拭牛頓環(huán)儀、調(diào)節(jié)調(diào)焦手輪、改變鈉光燈的遠近高低位置和半反透鏡的角度等多方面來調(diào)節(jié)。另外，仿真實驗平臺提供在線演示，包含實驗操作和實驗數(shù)據(jù)，導(dǎo)致部分學(xué)生容易投機取巧。

5. 總結(jié)

通過實驗數(shù)據(jù)的對比，虛擬仿真實驗結(jié)果誤差較大，不宜只依靠虛擬仿真實驗來完成實驗教學(xué)。在實驗教學(xué)的其他方面，兩種教學(xué)方法互補，為了最優(yōu)地利用教學(xué)資源，我們可以將虛擬仿真實驗和傳統(tǒng)實驗相結(jié)合。課前開放虛擬仿真實驗平臺，作為學(xué)生的預(yù)習(xí)工具，讓學(xué)生對即將進行的實驗有一個深刻的了解，避免傳統(tǒng)實驗的盲目抄實驗報告，節(jié)約實驗時間。傳統(tǒng)實驗仍然作為上課的主要手段，訓(xùn)練學(xué)生的基本實驗技能，實驗結(jié)束后可以繼續(xù)使用虛擬仿真實驗平臺在傳統(tǒng)項目進行延伸實驗，最終達到實驗教學(xué)的目的。

參考文獻

[1]余虹. 大學(xué)物理實驗[M]. 北京：科學(xué)出版社，2007. 58～61.

[2]張望霞. 對牛頓環(huán)實驗中不等精度測量數(shù)據(jù)的處理[J]. 物理實驗，1997（3）：112～113.