對“用雙縫干涉測量光的波長”實(shí)驗儀器的改進(jìn)

丁祖堂

(海鹽元濟(jì)高級中學(xué) 浙江 嘉興 314300)

龔興林

(海鹽高級中學(xué) 浙江 嘉興 314300)

王建峰

(海鹽元濟(jì)高級中學(xué) 浙江 嘉興 314300)

對“用雙縫干涉測量光的波長”實(shí)驗儀器的改進(jìn)

丁祖堂

(海鹽元濟(jì)高級中學(xué) 浙江 嘉興 314300)

龔興林

(海鹽高級中學(xué) 浙江 嘉興 314300)

王建峰

(海鹽元濟(jì)高級中學(xué) 浙江 嘉興 314300)

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

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

“實(shí)驗：用雙縫干涉測量光的波長”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)驗裝置的構(gòu)成及各器材的作用；

(2)會調(diào)節(jié)實(shí)驗裝置并觀察白光及單色光的雙縫干涉圖樣；

(3)學(xué)會使用測量頭，并根據(jù)實(shí)驗原理測定單色光的波長．

圖1 J2515型雙縫干涉實(shí)驗裝置

1 實(shí)驗原理簡述

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出相鄰兩個條紋的中心間距來計算出光的波長．

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)驗原理

2 實(shí)驗主要存在的問題

(1)實(shí)驗現(xiàn)象觀而不清

實(shí)驗室用J2515型實(shí)驗裝置組裝并調(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?zāi)繕?biāo)無法達(dá)成．實(shí)驗操作時，如果燈絲與單縫、雙縫、測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)驗調(diào)節(jié)時應(yīng)把握細(xì)節(jié)．再者，本裝置如果用于演示實(shí)驗，由于其實(shí)驗現(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)測量頭讀數(shù)正確率低

3 實(shí)驗儀器的改進(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)驗方法．本實(shí)驗中在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)驗裝置測量頭的放大鏡對接，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)驗操作時，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，不僅體會到各實(shí)驗器材的作用而且使實(shí)驗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、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測量頭的替換

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

在實(shí)驗中，學(xué)生可以先練習(xí)游標(biāo)(螺旋)測量頭的讀數(shù)，再顯示數(shù)顯游標(biāo)測量頭的示數(shù)，對比二者的數(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)驗素養(yǎng)．

圖6 數(shù)顯游標(biāo)測量頭

3.3數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

為了便于對實(shí)驗數(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)驗中直接輸入實(shí)驗所測的數(shù)據(jù)(數(shù)顯游標(biāo)測量頭顯示值s，移動的條紋數(shù)n)便可得到光的波長，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的界面如圖7所示．

圖7 實(shí)驗數(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)律的探索與驗證都離不開實(shí)驗，實(shí)驗教學(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)驗觀察、動手操作、思考探究來獲取知識，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)驗過程中面對實(shí)驗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)價值．

2017-04-02)