大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新項(xiàng)目的開發(fā)與應(yīng)用

【摘 要】 利用現(xiàn)有設(shè)備及自制設(shè)備、輔助配件研究開發(fā)一系列綜合性、設(shè)計(jì)性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并通過實(shí)踐加以應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)豐富物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量、拓寬設(shè)備功能及提高設(shè)備利用率的目的。

【關(guān)鍵詞】 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 綜合性 設(shè)計(jì)性 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

根據(jù)人才培養(yǎng)目標(biāo)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)任務(wù)及國(guó)家教育部評(píng)估的要求，實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目中綜合、計(jì)設(shè)性項(xiàng)目應(yīng)不斷增加。而傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中往往是驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)多，綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)少；教師預(yù)先準(zhǔn)備好的多，學(xué)生獨(dú)立思考、自由發(fā)揮的少；教學(xué)方式以注入式多，啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式少[1]。很顯然，這些都是不利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的，無法滿足當(dāng)今社會(huì)對(duì)人才的需求。因此，為了緊緊圍繞應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，積極推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革，牢牢把握學(xué)校實(shí)驗(yàn)教改精神，我們將利用現(xiàn)有設(shè)備及自制設(shè)備、輔助配件研究開發(fā)一批綜合性、設(shè)計(jì)性、可推廣的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，讓學(xué)生在完成常規(guī)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)外，可以進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)、綜合性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目訓(xùn)練。

1 創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)原則

在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基礎(chǔ)上，開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。不求最新，只求原來沒有現(xiàn)在有即是創(chuàng)新，最終實(shí)現(xiàn)拓展設(shè)備功能，提高設(shè)備利用率，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容目的。

1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

1.2.1彎曲法測(cè)量楊氏模量

【項(xiàng)目背景】本項(xiàng)目是在現(xiàn)有“拉伸法測(cè)量楊氏模量”實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上結(jié)合自制配件而開發(fā)的設(shè)計(jì)性項(xiàng)目。

【目的】（1）掌握彎曲法測(cè)量楊氏模量原理；（2）測(cè)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(diǎn)。

【要求】（1）利用自制的配件和度數(shù)顯微鏡組裝彎曲法測(cè)量裝置。（2）測(cè)量黃銅橫梁的楊氏模量。（3）簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)原理。（4）擬出實(shí)驗(yàn)步驟、注意事項(xiàng)。（5）列出數(shù)據(jù)表格，分析測(cè)量誤差。

【提示】楊氏模量測(cè)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(zhì)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(cè)量方法的比較

【項(xiàng)目背景】本項(xiàng)目是在現(xiàn)有“分光計(jì)的調(diào)節(jié)與使用”實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上開發(fā)的設(shè)計(jì)性項(xiàng)目。

【目的】大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中測(cè)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(shí)驗(yàn)通過對(duì)兩種方法進(jìn)行研究比較，并加以改進(jìn)，最終使操作更簡(jiǎn)便，測(cè)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(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)掠入射法進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。（2）用最小偏向角法測(cè)出最小偏向角δmin，各測(cè)5次，然后求出三棱鏡折射率及測(cè)量誤差。（3）用改進(jìn)后的掠入射法測(cè)出明暗視場(chǎng)交線與AC面法線的夾角，各測(cè)5次，然后求出三棱鏡折射率及測(cè)量誤差。（4）寫明實(shí)驗(yàn)方法，所需儀器設(shè)備。（5）擬出實(shí)驗(yàn)具體程序，列出數(shù)據(jù)記錄表格。（6）分別從操作方法和測(cè)量精度兩方面進(jìn)行分析比較。（7）闡述測(cè)量方法改進(jìn)的意義及效益。

【提示】掠入射法測(cè)量原理[3]

如圖2所示，用單色面擴(kuò)展光源（鈉光燈源前加一塊毛玻璃）照射到棱鏡AB面上。當(dāng)擴(kuò)展光源出射的光線從各個(gè)方向射向AB面時(shí)，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(jìn)入棱鏡。這樣，在AC面用望遠(yuǎn)鏡觀察時(shí)，將出現(xiàn)半明半暗的視場(chǎng)，明暗視場(chǎng)的分界線就是入射角為i1=90°的光線的出射方向。若測(cè)出明暗視場(chǎng)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(shí)，會(huì)出現(xiàn)如圖3那樣兩條明暗視場(chǎng)的分界線。為避免這一現(xiàn)象出現(xiàn)，確保入射光幾乎都接近90°度，如圖4改進(jìn)，增加一塊輔助三棱鏡即可，同時(shí)還省卻毛玻璃。

1.2.3超聲光柵實(shí)驗(yàn)

【項(xiàng)目背景】本項(xiàng)目是在現(xiàn)有“分光計(jì)的調(diào)節(jié)與使用”“光柵衍射”“聲速測(cè)定”實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上結(jié)合自制配件而開發(fā)的綜合性項(xiàng)目。

【目的】（1）了解聲光效應(yīng)。（2）利用聲光效應(yīng)測(cè)量聲波在液體中的傳播速度。

【原理】光波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)被超聲波衍射的現(xiàn)象，稱為超聲致光衍射（亦稱聲光效應(yīng)），這種現(xiàn)象是光波與介質(zhì)中聲波相互作用的結(jié)果。如圖5所示，波長(zhǎng)為的平行光束沿OY方向射向一透明介質(zhì)（如純水），介質(zhì)底部聲源產(chǎn)生一束寬度為l，波長(zhǎng)為d的超聲平面波沿OZ方向傳播，這種波在介質(zhì)內(nèi)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(yuǎn)小于光速，因此，對(duì)于光速而言，折射率的慢變化可認(rèn)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(shí)，因折射率的周期變化使光波的波陣面產(chǎn)生了相應(yīng)的位相差，經(jīng)透鏡聚焦出現(xiàn)衍射條紋。這種現(xiàn)象與平行光通過透射光柵的情形相似。因?yàn)槌暡ǖ牟ㄩL(zhǎng)很短，槽中的液體就相當(dāng)于一個(gè)衍射光柵。超聲波的波長(zhǎng)d相當(dāng)于光柵常數(shù)。由超聲波在液體中產(chǎn)生的光柵裝置稱作超聲光柵。當(dāng)滿足拉曼-奈斯聲光衍射條件2l/d2<< l時(shí)，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(diào)好的分光計(jì)上，由單色光源和平行光管中的會(huì)聚透鏡L1與可調(diào)狹縫S組成平行光系統(tǒng)，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(cè)，用自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡中的物鏡L2和測(cè)微目鏡組成測(cè)微系統(tǒng)。若振蕩器使PZT晶片發(fā)生超聲振動(dòng)，在液槽中形成穩(wěn)定的駐波，從測(cè)微目鏡即可觀察到衍射光譜。

【儀器與器材】分光計(jì)、低壓鈉燈、超聲信號(hào)源、自制超聲池。

【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】（1）調(diào)節(jié)分光計(jì)，平行光管與望遠(yuǎn)鏡同軸并與分光計(jì)主軸垂直。（2）將自制超聲池水平放置載物臺(tái)上，并讓光束垂直入射超聲池側(cè)面。（3）開啟信號(hào)源，調(diào)節(jié)信號(hào)源輸出頻率至壓電陶瓷片諧振頻率相同，通過望遠(yuǎn)鏡觀察視場(chǎng)內(nèi)的衍射光譜亮度及對(duì)稱性。（4）逐級(jí)測(cè)量各譜線的衍射角，并計(jì)算液體中的聲速V。endprint

1.2.4磁致伸縮系數(shù)的測(cè)定

【項(xiàng)目背景】本項(xiàng)目是用改進(jìn)后的邁克爾遜干涉儀及自制的配件開發(fā)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

【目的】（1）研究磁致伸縮系數(shù)與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系；（2）進(jìn)一步掌握用改進(jìn)后的邁克爾遜干涉儀測(cè)量微小量的方法。

【要求】（1）利用自制的配件和改進(jìn)后的邁克爾遜干涉儀組裝磁致伸縮測(cè)量裝置。（2）繪制TbDyFe棒的磁致伸縮系數(shù)λ與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的關(guān)系曲線。（3）簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)原理。（4）擬出實(shí)驗(yàn)步驟、注意事項(xiàng)。（5）列出數(shù)據(jù)表格，分析測(cè)量誤差。

【提示】磁性材料被磁化時(shí)，其各個(gè)方向的長(zhǎng)度將會(huì)發(fā)生微小的變化（伸長(zhǎng)或縮短），這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮。不同的磁性物質(zhì)磁致伸縮的長(zhǎng)度形變是不同的，通常用磁致伸縮系數(shù) （即它的相對(duì)伸長(zhǎng)）表征形變的大小[4]。磁致伸縮系數(shù)與磁體的磁化過程有關(guān)，當(dāng)磁體磁化至飽和時(shí)，λ亦趨近一飽和值。本實(shí)驗(yàn)是在室溫下測(cè)量磁致伸縮系數(shù)與外磁場(chǎng)的關(guān)系。

為了表征它們的數(shù)量關(guān)系，常用公式來描述，其中H為外加磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，I為勵(lì)磁電流，k0為與螺線管的結(jié)構(gòu)、尺寸等因素有關(guān)的比例常數(shù)。

測(cè)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(dòng)。當(dāng)樣品A被磁化伸長(zhǎng)或縮短△l時(shí)，干涉條紋就從中心“冒出”（或向中心“縮進(jìn)”）N個(gè)環(huán)，則有磁致伸縮系數(shù)

2 創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐與應(yīng)用

我校是2000年新建本科院校，沒有物理專業(yè)，《大學(xué)物理》及《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》課程是針對(duì)全校15個(gè)理工科專業(yè)開設(shè)的基礎(chǔ)課程，目前實(shí)驗(yàn)室已開設(shè)項(xiàng)目涵蓋了教學(xué)大綱A、B、C、N共39個(gè)實(shí)驗(yàn)。新開發(fā)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目首先作為開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目供大二以上理工科各專業(yè)的學(xué)生實(shí)踐，因?yàn)楦吣昙?jí)本科生對(duì)常規(guī)物理實(shí)驗(yàn)已經(jīng)有了切身的體會(huì)，熟悉當(dāng)前實(shí)驗(yàn)設(shè)備的性能并操作熟練，可確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)證明項(xiàng)目可行性后，根據(jù)實(shí)際需要將部分項(xiàng)目轉(zhuǎn)化為日常教學(xué)項(xiàng)目，以豐富日常教學(xué)內(nèi)容。

3 結(jié)束語(yǔ)

除了以上項(xiàng)目外，我們還開發(fā)了“電壓表、電流表的制作”“用干涉法測(cè)量微小量”“干涉法測(cè)量固體線膨脹系數(shù)”等一批綜合性、設(shè)計(jì)性、可推廣的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并組織實(shí)施和總結(jié)，最終為豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容（尤其是開放性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容）、全面提高學(xué)生綜合素質(zhì)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量、拓寬實(shí)驗(yàn)設(shè)備的功能、提高設(shè)備的利用率、探索適應(yīng)應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系做出貢獻(xiàn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉國(guó)買.整合內(nèi)容與強(qiáng)化主體——實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的思考[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2002（2）：101-104.

[2]曹正東，李佛生.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].同濟(jì)大學(xué)出版社，2011：105-107，157-160.

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

[4]楊斌，胡瑞雪等.磁性材料多功能測(cè)量?jī)x的研制[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014，33（1）：85-88.

[5]張永炬，林朝斌.磁致伸縮系數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法的比較[J].臺(tái)州學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，25（3）：49-51.endprint