大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的探索和創(chuàng)新

樊代和 賈欣燕 魏 云 常相輝 劉其軍 王 輝

(西南交通大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；物理國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(西南交通大學(xué))，四川 成都 611756)

1 提出問題

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程是國內(nèi)大多數(shù)高校，特別是理工科類高校對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)基本訓(xùn)練的必修基礎(chǔ)課程之一[1]，主要授課對象為剛進(jìn)入高校的1～2年級學(xué)生，是本科生接收系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的開端。通過對大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，一方面可以培養(yǎng)高校學(xué)生的實(shí)際動手操作能力；更重要的是，學(xué)生通過學(xué)習(xí)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)思想、方法及手段等，能夠進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)基本素養(yǎng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度[2]，為其在后續(xù)的研究生學(xué)習(xí)階段打下一個堅實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。同時，通過大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，能夠進(jìn)一步提高學(xué)生在日常工作和生活中分析問題和解決問題的能力。因此，如何充分地發(fā)揮大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程項(xiàng)目在高校創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的重要作用，是值得每一個高校教師深入思考的問題。

目前，分光計實(shí)驗(yàn)(包括三棱鏡相關(guān)參數(shù)測量及光柵常數(shù)測量等)、金屬絲楊氏彈性模量測量實(shí)驗(yàn)、邁克耳孫干涉儀實(shí)驗(yàn)等幾個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是國內(nèi)大多數(shù)高校均開設(shè)的基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[3-5]。其中，分光計實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供了一個可精確測量角度以及通過精確測量角度進(jìn)而測量其他物理量(如折射率、光柵常數(shù)等)的方法。金屬絲楊氏彈性模量測量實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供了一種測量微小伸長量(微米量級)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。特別是，邁克耳孫干涉儀作為一個獲得過諾貝爾物理學(xué)獎的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其解決“以太漂移”問題的實(shí)驗(yàn)思想，對現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。因此，可以看出，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中涉及的這幾個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每一個都包含了豐富的物理實(shí)驗(yàn)思想、方法或手段。如果高校教師能夠通過深入講授這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中所包含的具體內(nèi)容，然后將這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，或者說將其中一個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的思想或者技術(shù)手段應(yīng)用于另一個物理量的測量中，必定能夠?qū)Ρ究粕鷦?chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)提供有利的支持。

基于此，本文將從以上所提到的3個具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容為例出發(fā)，通過對某一實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行深入挖掘和探索，或者對兩個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，提出了一些創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。通過教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，這些創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容都可以取得如研究論文發(fā)表、發(fā)明專利授權(quán)等成果。因此，對大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的探索和創(chuàng)新可為高校創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的探索和創(chuàng)新

首先，我們以探索“分光計調(diào)整和使用實(shí)驗(yàn)”為例進(jìn)行闡述。通常而言，傳統(tǒng)的關(guān)于分光計的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容，常為分光計的調(diào)節(jié)方法、三棱鏡頂角的測量(分光束法、自準(zhǔn)直法)以及折射率的測量(最小偏向角法[6]、掠入射法[7]、垂直底邊入射法[8])等。然而，值得學(xué)生去探索的問題至少有3個：第一，在三棱鏡折射率的測量中，上述究竟哪種測量方法，可以得到更為精確的結(jié)果？第二，在某一特定測量方法下，選取什么樣的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，可以得到較為精確的測量結(jié)果？第三，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)測量過程中，哪一個物理量的測量誤差，將對折射率的測量精度影響較大，以及其影響程度有多大？如果學(xué)生能針對以上的3個問題進(jìn)行詳細(xì)的研究，并給出合理的理論解釋，這才能充分表明開設(shè)“分光計調(diào)整和使用實(shí)驗(yàn)”的必要性。

為此，我們將以上提到的3個問題，作為一個大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的第二課堂作業(yè)，讓學(xué)生去思考并完成。最終，學(xué)生通過緒論課中學(xué)習(xí)到的不確定度分析和計算相關(guān)知識，對上述問題進(jìn)行了詳細(xì)研究，并得出了一定的理論結(jié)果[9]，該結(jié)果已發(fā)表于《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》期刊。

從圖1所示的分析就可以清晰地得出上述3個問題的答案。例如，從圖1(a)可以看出，當(dāng)選擇三棱鏡頂角A<25°時，掠入射法測折射率可獲得最小的相對不確定度值，同時，隨著選取的三棱鏡的頂角值的增大，可明顯地降低折射率的相對不確定度值。從圖1(b)可以看出，不論采用何種測量折射率的方法，頂角的測量誤差，都將明顯地影響折射率測量的相對不確定度值。特別地，對掠入射法而言，當(dāng)僅考慮頂角的測量誤差約為5′時，將會導(dǎo)致折射率的相對不確定約為0.12%左右的結(jié)論。

圖1 分光計測量三棱鏡折射率的3種方法，(a)折射率相對不確定度與三棱鏡頂角選取大小的關(guān)系，以及(b)三棱鏡相關(guān)參數(shù)測量不確定度對折射率相對不確定的影響關(guān)系[9]

由這一案例可以表明，如果能對傳統(tǒng)的分光計實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行一個深入的探索，一方面可以發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，另一方面，也可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，并取得如研究論文發(fā)表的創(chuàng)新成果。

其次，我們以“金屬絲楊氏彈性模量測量實(shí)驗(yàn)”和“邁克耳孫干涉儀實(shí)驗(yàn)”這兩個大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相結(jié)合為例，闡述如何通過將某一實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段，用于另一實(shí)驗(yàn)方案的改進(jìn)，以及如何利用某一實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理，設(shè)計出具有創(chuàng)造性的發(fā)明裝置，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

關(guān)于金屬絲楊氏彈性模量測量的實(shí)驗(yàn)，盡管有多種不同的實(shí)驗(yàn)原理來實(shí)現(xiàn)測量，但目前國內(nèi)大多數(shù)高校仍然采用靜態(tài)拉伸法的原理來開展實(shí)驗(yàn)[3-5]。該方法中最重要的一個測量內(nèi)容就是金屬絲受一定拉力時的伸長量測量。通常情況下，實(shí)驗(yàn)中該伸長量在幾十微米量級，因此是一個微小伸長量，通常采用光杠桿的原理來進(jìn)行測量。在利用光杠桿原理來進(jìn)行這一微小伸長量的測量時，為了提高光杠桿的放大率，一般通過增大平面鏡到標(biāo)尺的距離來實(shí)現(xiàn)，但這樣造成的不利結(jié)果是，學(xué)生需要在望遠(yuǎn)鏡和鋼絲之間來回操作和測量，增加了實(shí)驗(yàn)的不方便性。另一方面，為了能增加鋼絲受力時的伸長量，也可以通過增加鋼絲的原長來解決。但這樣造成的后果是，鋼絲原長增加將會使其自然彎曲的可能性變大，最終導(dǎo)致楊氏彈性模量值測量誤差的增大。是否有好的實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段來克服這一問題，需要同學(xué)們做出創(chuàng)新。

事實(shí)上，“邁克耳孫干涉儀實(shí)驗(yàn)”也是國內(nèi)大多數(shù)高校開設(shè)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之一[3，5]。此實(shí)驗(yàn)的開設(shè)，從理論角度而言，可以讓學(xué)生理解分振幅原理產(chǎn)生相干光束的方法以及掌握相關(guān)的干涉的原理。從實(shí)驗(yàn)角度而言，當(dāng)微小改變動鏡和定鏡之間的距離時，即可在觀察屏上觀察到干涉同心圓環(huán)產(chǎn)生或者湮滅的現(xiàn)象。利用這一現(xiàn)象，就可以實(shí)現(xiàn)入射光波長的測量。能否利用邁克耳孫干涉儀的原理，來實(shí)現(xiàn)測量金屬絲楊氏彈性模量實(shí)驗(yàn)中的微小伸長量？或者說能否將邁克耳孫干涉實(shí)驗(yàn)的技術(shù)原理，應(yīng)用到金屬絲楊氏彈性模量測量實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)而克服上述提到的，傳統(tǒng)金屬絲楊氏彈性模量測量實(shí)驗(yàn)中的不利因素？這是一個值得學(xué)生去創(chuàng)新的問題。

基于此，我們同樣將此問題作為一個大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的第二課堂項(xiàng)目，讓學(xué)生進(jìn)行思考。最終，學(xué)生們通過將這兩個實(shí)驗(yàn)進(jìn)行綜合創(chuàng)新，設(shè)計出一個基于邁克耳孫干涉原理的金屬絲楊氏彈性模量測量方案(如圖2(a)所示)，并進(jìn)行了實(shí)際的實(shí)驗(yàn)，對提出的方案進(jìn)行了檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可如圖2(b)所示。該創(chuàng)新結(jié)果發(fā)表于《物理實(shí)驗(yàn)》期刊[10]。

圖2[10] (a) 實(shí)驗(yàn)裝置圖； (b) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

從圖2(a)可以看出，采用未擴(kuò)束的He-Ne激光作為光源，通過將被測量金屬絲的一端固定于邁克耳孫干涉儀的動鏡處，另一端連接一拉力計對金屬絲的受力進(jìn)行測量，最終可以得出如圖2(b)所示的邁克耳孫干涉峰出現(xiàn)個數(shù)隨金屬絲受力大小的變化關(guān)系曲線。從圖中可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖2(b)中的“+”號所示)呈現(xiàn)出完美的線性關(guān)系(圖2(b)中的實(shí)線所示)，進(jìn)一步證明了該設(shè)計方案的有效性。值得注意的是，在此方案中，由于所采用的金屬絲長度較短(約13cm左右)，因此一方面可有效降低傳統(tǒng)楊氏彈性模量測量實(shí)驗(yàn)中，由于金屬絲原長較長所導(dǎo)致的自然彎曲不利情況的發(fā)生；另一方面，只需要施加較小的力即可完成楊氏彈性模量的測量。事實(shí)上，施加較小的力有兩個潛在的優(yōu)點(diǎn)：一是可以保證整個實(shí)驗(yàn)過程中金屬絲處在彈性限度范圍內(nèi)；二是可有效降低由于動鏡受力而導(dǎo)致的邁克耳孫干涉結(jié)果影響。由于邁克耳孫干涉原理可以實(shí)現(xiàn)波長量級(可見光波長為幾百納米)的微小伸長量測量，進(jìn)一步，由于邁克耳孫干涉儀的結(jié)構(gòu)較為緊湊，因此，該設(shè)計方案可有效地克服基于光杠桿原理測量金屬絲楊氏彈性模量實(shí)驗(yàn)中的不利因素。

同時，我們也鼓勵學(xué)生利用所學(xué)到的實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)，做出不局限于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的創(chuàng)新。例如，考慮到邁克耳孫干涉儀可測量微小伸長量的原理，學(xué)生還設(shè)計出了一種地震等級及地震位置的測量裝置，如圖3所示[11]。其中，圖3(a)是設(shè)計測量儀結(jié)構(gòu)圖，其主要工作原理就是邁克耳孫干涉光路，圖3(b)表示了將3個邁克耳孫干涉光路分別安裝在某地的xyz3個方向上，用于測量空間3個垂直方向上的地震波引起的邁克耳孫干涉條紋，進(jìn)而判斷出地震等級。圖3(c)表示了將多個如圖3(b)所示的裝置放置于空間中3個不同的位置，通過測量地震波到達(dá)此3個位置的時間，就可以確定出地震的位置。目前，該裝置已經(jīng)獲得了發(fā)明專利授權(quán)[11](授權(quán)號：201511020807.2)。

圖3 地震等級及位置測量儀發(fā)明專利[11]。其中，(a) 表示測量儀結(jié)構(gòu)示意圖； (b) 表示測量儀安裝位置圖； (c) 表示地震位置測量示意圖

3 總結(jié)

本文以國內(nèi)大多數(shù)高校開設(shè)的3個大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(分光計實(shí)驗(yàn)、楊氏彈性模量測量實(shí)驗(yàn)、邁克耳孫干涉儀實(shí)驗(yàn))為例，闡述了如何通過將傳統(tǒng)的分光計實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容進(jìn)行探索，進(jìn)而使學(xué)生能夠?qū)υ搶?shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)。同時，本文也闡述了如何將傳統(tǒng)的邁克耳孫干涉實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)原理和方法應(yīng)用于傳統(tǒng)的金屬絲楊氏彈性模量測量實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)而對原實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行改進(jìn)。最后，本文也簡單闡述了如何將邁克耳孫干涉實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)，應(yīng)用于地震等級及位置的測

量裝置設(shè)計中。通過這些實(shí)際案例的闡述可以發(fā)現(xiàn)，如果能對傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行深入探索或有機(jī)結(jié)合，能夠取得如研究論文發(fā)表、發(fā)明專利授權(quán)等創(chuàng)新性成果，進(jìn)而為本科生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。