牛頓環(huán)實驗在虛擬仿真和傳統(tǒng)教學的差異

景素華 周曉云

摘 要：依據牛頓環(huán)實驗，從實驗的結果、教學方法和教學實施過程對比虛擬仿真實驗和傳統(tǒng)實驗教學的差異，實驗教學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)實驗教學結合起來，發(fā)揮各自的優(yōu)勢。

關鍵詞：牛頓環(huán)；虛擬仿真；傳統(tǒng)教學

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

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)數差來代替級數差，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. 實驗數據記錄與處理

設中心暗斑為零環(huán)，向左移至35暗環(huán)以外，消除空程誤差，然后反向轉動鼓輪，逐次讀取30-26暗環(huán)和15-11暗環(huán)的位置坐標，繼續(xù)朝同一方向轉動鼓輪（為防止產生空程差），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，將數據記入表格，實驗數據采用逐差法 [2]。

3. 實驗結果

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

表1 虛擬仿真實驗數據及處理結果（單位mm）

環(huán)數 左讀數xk左 右讀數xk右 直徑D

|xk左-xk右| 直徑平方D2 平方逐差

Dk+52-Dk2 實驗結果

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)實驗數據及處理結果（單位mm）

環(huán)數 左讀數

xk左 右讀數

xk右 直徑D

|xk左-xk右| 直徑平方

D2 平方逐差

Dk+52-Dk2 實驗結果

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)的測量數據都依次減小，但二者差異較為明顯。對于每一個測量值，虛擬數據比傳統(tǒng)實驗的數據大很多，另外，按照同樣的實驗數據處理方法，虛擬仿真實驗的結果誤差20.08%遠大于傳統(tǒng)實驗0.10%。

4. 兩種教學方式的其他差異

在傳統(tǒng)實驗教學中，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，只有部分學生能看到教師演示出的實驗現象；學生操作時，教師無法直觀地看到學生調節(jié)出來的牛頓環(huán)圖像，難以判定學生對實驗掌握的程度；整個實驗過程學生必須把眼睛一直緊貼讀數顯微鏡的目鏡，嚴重加重了學生和教師眼睛的負擔，很容易產生視覺疲勞而數錯環(huán)數；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)實驗教學的缺點：

由于實驗全程通過點擊鼠標的左右鍵來完成，所以教師演示投影在屏幕上，學生容易看見學會；學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，不容易產生視覺疲勞；仿真圖像放大的比較明顯，學生不容易數錯環(huán)數，同時仿真實驗調節(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放在調焦手輪上，點擊鼠標的左右鍵即可進行調焦，可調節(jié)的范圍很窄，缺少多方面的實驗技能的訓練。而在傳統(tǒng)實驗中，我們可以通過擦拭牛頓環(huán)儀、調節(jié)調焦手輪、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據，導致部分學生容易投機取巧。

5. 總結

通過實驗數據的對比，虛擬仿真實驗結果誤差較大，不宜只依靠虛擬仿真實驗來完成實驗教學。在實驗教學的其他方面，兩種教學方法互補，為了最優(yōu)地利用教學資源，我們可以將虛擬仿真實驗和傳統(tǒng)實驗相結合。課前開放虛擬仿真實驗平臺，作為學生的預習工具，讓學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，訓練學生的基本實驗技能，實驗結束后可以繼續(xù)使用虛擬仿真實驗平臺在傳統(tǒng)項目進行延伸實驗，最終達到實驗教學的目的。

參考文獻

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

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