科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容之探索

林躍強(qiáng)， 劉曉東， 李 建

(西南大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 重慶 400715)

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·實(shí)驗(yàn)教學(xué)與創(chuàng)新·

科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容之探索

林躍強(qiáng)， 劉曉東， 李 建

(西南大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 重慶 400715)

根據(jù)進(jìn)行科研工作的體會(huì)以及從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，作者提出了將從事磁性液體的磁光效應(yīng)研究中取得的一些成果(包括科研論文和專利)轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的構(gòu)想。進(jìn)行了構(gòu)建以綜合性、研究性實(shí)驗(yàn)為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探討。論文闡述了相關(guān)的科研背景、開設(shè)本實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)思想、實(shí)驗(yàn)的主要原理以基本要求。

科學(xué)研究； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 磁光效應(yīng)； 磁性液體

0 引 言

物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)物理工作者必不可少的教學(xué)組成部分。當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展呈高度分化和高度綜合的趨勢(shì)，作為科學(xué)技術(shù)發(fā)展成果的反映的高校課程和內(nèi)容也不斷地加強(qiáng)課程間的有機(jī)聯(lián)系，以綜合性的內(nèi)容代替?zhèn)鹘y(tǒng)內(nèi)容[1]。近代物理實(shí)驗(yàn)是在普通物理實(shí)驗(yàn)和電子學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的一門物理學(xué)類專業(yè)本科生的必修基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中起著承上啟下的作用，具有綜合性、技術(shù)性和研究性的特點(diǎn)[2]，也是培養(yǎng)物理學(xué)科以及相關(guān)學(xué)科專門人才的重要基礎(chǔ)。將科研成果轉(zhuǎn)化為近代物理教學(xué)內(nèi)容，有助于啟迪學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)的能力、掌握進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本方法，可望在學(xué)生的培養(yǎng)上起到“繼往開來(lái)”的效果。為此，我們嘗試了將在磁性液體的磁光性質(zhì)研究中取得的部分成果轉(zhuǎn)化為近代物理實(shí)驗(yàn)的一個(gè)教學(xué)內(nèi)容，以構(gòu)建具有綜合物理知識(shí)、強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練和將基礎(chǔ)知識(shí)運(yùn)用于科技前沿研究特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

1 科研背景

磁性液體，也稱為磁流體、磁性膠體，是粒徑在10 nm左右的磁性納米微粒分散于液態(tài)載體中形成的懸浮體，為具有磁(場(chǎng))控特性的液態(tài)功能材料[3]。磁光效應(yīng)——磁雙折射和磁二向色性是磁性液體的重要特性之一，不僅可作為反映磁性液體微觀特性的有用工具，在技術(shù)應(yīng)用上也是極具價(jià)值的。例如，這些效應(yīng)已被用于可調(diào)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，磁雙折射和磁二向色性使用線偏振光進(jìn)行研究，兩者只能分別測(cè)量，磁場(chǎng)方向也難以精確確定。根據(jù)圓偏振光可分解為偏振方向相互垂直的兩束線偏振光的原理，提出用圓偏振光進(jìn)行磁光效應(yīng)研究的方法。采用這個(gè)方法，不但磁雙折射和磁二向色性的信息可同時(shí)測(cè)得，而且磁場(chǎng)方向可精確測(cè)定。其測(cè)量裝置獲得了專利授權(quán)[6-7]，相關(guān)解析理論發(fā)表于Science China(中國(guó)科學(xué))[8]。基于自行設(shè)計(jì)的裝置及發(fā)展的理論所得到的研究結(jié)果已在國(guó)際刊物上發(fā)表[9-10]。

磁光效應(yīng)研究中，圓偏振光的直接使用還鮮見文獻(xiàn)述及。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，自然界從分子、生物組織

到地外物體，許多物質(zhì)表現(xiàn)出對(duì)左旋圓偏振光和右旋圓偏振光具有不同的敏感特性[11-13]。因此，圓偏振光不僅在用于磁光效應(yīng)的研究中體現(xiàn)了新穎性，還可能在更廣范圍的物質(zhì)性質(zhì)的研究領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

2 指導(dǎo)思想

光是自然界最重要而且最常見的現(xiàn)象之一。它可將信息從一處傳到另一處；也可用于激勵(lì)、調(diào)節(jié)和探測(cè)化學(xué)、生物和凝聚態(tài)物質(zhì)中的許多過(guò)程[14]。20世紀(jì)60年代誕生的激光器不但使光通訊成為可能，也為磁光效應(yīng)的研究提供了有力手段。隨著磁光效應(yīng)研究的發(fā)展，已形成以描述光與各種磁性物質(zhì)相互作用的現(xiàn)象和理論，以及磁光材料與器件的特性和應(yīng)用為主要內(nèi)容的物理學(xué)中一門新興分支學(xué)科——磁光學(xué)(Magneto-Optics)[15-16]。本實(shí)驗(yàn)應(yīng)作為現(xiàn)有近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的后續(xù)提高性實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)中將貫穿如下理念：

(1) 體現(xiàn)物理基礎(chǔ)知識(shí)的綜合性。在所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)中將涉及光的偏振特性，磁學(xué)(磁場(chǎng)與物質(zhì)磁性)，光與物質(zhì)的作用，磁雙折射效應(yīng)和磁二向色性與普通光學(xué)中的雙折射效應(yīng)和二向色性的異同。

(2) 強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)技能。在本實(shí)驗(yàn)中僅提供給學(xué)生分離的單元實(shí)驗(yàn)器件，要求學(xué)生自行組裝搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。其中包括磁場(chǎng)測(cè)量、將由激光源產(chǎn)生的激光調(diào)制成線、圓偏振光，并進(jìn)行檢測(cè)；測(cè)量不同偏振特性的光束穿過(guò)磁性液體樣品后其強(qiáng)度、偏振特性的變化;并能根據(jù)這些變化解析出樣品的磁二向色性、磁雙折射效應(yīng)。另外還要求學(xué)生熟練使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程控制、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。

(3) 拓展知識(shí)的能力。知識(shí)的積累是一個(gè)基于已有知識(shí)、吸收新的知識(shí)的不斷拓展的過(guò)程。在本實(shí)驗(yàn)中，除要求學(xué)生完成規(guī)定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容外，還推薦與本實(shí)驗(yàn)相關(guān)的科技文獻(xiàn)，作為補(bǔ)充讀物，以促進(jìn)、培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)的興趣和提高閱讀英文專業(yè)文獻(xiàn)的水平。

(4) 溶入研究屬性。本實(shí)驗(yàn)源之于已有的科研基礎(chǔ)上并緊密聯(lián)系學(xué)生已掌握的物理學(xué)知識(shí)，因此，可充分體現(xiàn)將基礎(chǔ)知識(shí)運(yùn)用于科研前沿的特色。所測(cè)試的磁性液體為磁性納米微粒的懸浮液，學(xué)生可直接接觸納米材料。有潛質(zhì)、有興趣的學(xué)生在完成本實(shí)驗(yàn)后，可以在老師的指導(dǎo)下，深入開展研究工作，也為后續(xù)的畢業(yè)論文選題奠定基礎(chǔ)。

3 實(shí)驗(yàn)的主要原理[8]

在磁場(chǎng)作用下，磁性液體中的磁性納米微粒將沿場(chǎng)方向形成鏈狀團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，以致其宏觀光學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)平行場(chǎng)方向與垂直場(chǎng)方向不同的各向異性。磁光學(xué)中，磁場(chǎng)方向即為介質(zhì)的“光軸”， 偏振方向平行于磁場(chǎng)方向的光稱為e光，偏振方向垂直于磁場(chǎng)方向的光稱為o光。當(dāng)線偏振光沿垂直于磁場(chǎng)方向穿過(guò)介質(zhì)時(shí)，e光與o光的相位不同的現(xiàn)象稱為磁雙折射效應(yīng)；e光與o光的吸收不同的現(xiàn)象稱為磁二向色性。

當(dāng)圓偏振光沿垂直于磁場(chǎng)方向(磁場(chǎng)方向設(shè)定為x方向)傳播(傳播方向設(shè)定為z方向)時(shí)，它可分解為振幅相等、位相差為±π/2的兩束線偏振光，其電矢量的表示為：

(1)

式中:A是振幅;ω是圓頻率;t是時(shí)間。正、負(fù)號(hào)分別對(duì)應(yīng)著右旋和左旋圓偏振光，如圖1(a)、(c)所示。當(dāng)光穿過(guò)磁光介質(zhì)后，由于雙折射效應(yīng)，兩束線偏振光的相位差會(huì)發(fā)生改變，這可通過(guò)偏振方向垂直于磁場(chǎng)方向的偏振光附加相位延遲Δτ來(lái)表示；由于二向色性，兩束線偏振光的振幅是不同的，即Ax≠Ay。因此穿過(guò)介質(zhì)后的透射光可被描述為：

(2)

圖1(a)為右旋圓偏振光，圖1(b)為對(duì)應(yīng)的右旋橢圓偏振光；圖1(c)為左旋圓偏振光，圖1(d)為對(duì)應(yīng)的左旋橢圓偏振光。

對(duì)于磁性液體而言，偏振方向平行于磁場(chǎng)方向的e光通常比偏振方向垂直于磁場(chǎng)方向的o光具有較強(qiáng)的吸收和較大折射指數(shù)，以致Δτ>0，Ax

(a)(b)

(c)7(d)

圖1 圓偏振入射光成為橢圓偏振透射光示意圖

4 實(shí)驗(yàn)的基本要求

4.1 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)

本實(shí)驗(yàn)應(yīng)在學(xué)習(xí)了光學(xué)、電磁學(xué)等基礎(chǔ)課程，并完成了規(guī)定的近代物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)生中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)之前，學(xué)生應(yīng)閱讀相關(guān)資料文獻(xiàn)；在現(xiàn)場(chǎng)熟悉實(shí)驗(yàn)中所需使用的激光器、光電探頭、磁場(chǎng)產(chǎn)生及測(cè)量裝置、各光學(xué)元器件和計(jì)算機(jī)等的作用，并能比較熟練地掌握使用；擬定實(shí)驗(yàn)方案，寫出預(yù)習(xí)報(bào)告。

4.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

(1) 熟悉圖2所示的實(shí)驗(yàn)參考裝置示意圖，自行搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

(2) 磁性液體薄膜樣品制備。

(3) 根據(jù)圖2所示的示意圖，調(diào)整光學(xué)功能器件，分別產(chǎn)生線性偏振光、圓偏振光，檢驗(yàn)線偏振光、圓偏振光的光強(qiáng)分布特點(diǎn)。

(4) 磁場(chǎng)的產(chǎn)生與測(cè)量。

(5) 磁性液體的磁雙折現(xiàn)效應(yīng)、磁二向色性測(cè)量。

(6) 作出圓偏振光透過(guò)磁場(chǎng)作用下的磁性液體樣品后的光強(qiáng)度角分布曲線，解析得出反映磁雙折射效應(yīng)和磁二向色性的折射差率差值和吸收率差值[8]。

4.3 實(shí)驗(yàn)報(bào)告

寫出全面總結(jié)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，特別要突出實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，可能造成結(jié)果誤差的環(huán)節(jié)。有興趣地同學(xué)可在此實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出進(jìn)一步開展研究的課題申請(qǐng)報(bào)告，待審核批準(zhǔn)后予以實(shí)施，并寫出科研論文。

5 結(jié) 語(yǔ)

學(xué)生素質(zhì)的培養(yǎng)，關(guān)鍵是要培養(yǎng)學(xué)生具有創(chuàng)新精

(1) He-Ne激光器; (2) 分光鏡; (3) 起偏器; (4) 1/4波片; (5) 亥姆霍茲線圈; (6) 樣品; (7) 檢偏器; (8) 硅光電池; (9) 勵(lì)磁電源; (10) 起偏器; (11) 對(duì)照樣品; (12) 硅光電池; (13) 差分放大器; (14) 計(jì)算機(jī)

圖2 磁光效應(yīng)測(cè)量示意圖

神。但科學(xué)上的創(chuàng)新必須是基于掌握必要科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)上的創(chuàng)新,否則，所謂創(chuàng)新將成為無(wú)源之水、無(wú)本之木。因此，本科層次的學(xué)生的任務(wù)應(yīng)主要是學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)是伴隨人一生的過(guò)程，尤其是青年學(xué)生更需有本能地從已掌握的知識(shí)去積極追求更多知識(shí)的素養(yǎng)。 “千里之行，始于足下”。學(xué)生未來(lái)的發(fā)展，本科階段的學(xué)習(xí)是尤為重要的。在此階段所積累的知識(shí)、得以鍛煉的學(xué)習(xí)知識(shí)的能力及養(yǎng)成的良好實(shí)驗(yàn)動(dòng)手習(xí)慣和思維方式將使學(xué)生終生受益。從科學(xué)研究工作中提煉出能與學(xué)生已有的知識(shí)、能力緊密結(jié)合的實(shí)驗(yàn)專題，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性發(fā)揮是大有裨益的。這樣也許能更貼切地使學(xué)生獲得新的科學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)科學(xué)興趣，為學(xué)生開啟一扇探望未來(lái)之路的窗口?；谝陨险J(rèn)知，我們根據(jù)科研體會(huì)和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，探索從磁性液體的磁光效應(yīng)研究取得的成果中總結(jié)出適當(dāng)?shù)膬?nèi)容轉(zhuǎn)化到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中去，嘗試進(jìn)行了體現(xiàn)基礎(chǔ)性、綜合性和研究性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的具體構(gòu)建。

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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

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11074205); 西南大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(2014JY042)

林躍強(qiáng) (1958-)，男，福建福州人，學(xué)士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)及實(shí)驗(yàn)研究等工作。

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

G 642.423

A

1006-7167(2015)05-0144-03