汪 濤 李 田 葉大梧 陶純匡

(重慶大學(xué)物理學(xué)院,重慶 400044)

一個(gè)傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)向設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的升華

汪 濤 李 田 葉大梧 陶純匡

(重慶大學(xué)物理學(xué)院,重慶 400044)

本文通過(guò)探討單縫夫瑯禾費(fèi)衍射實(shí)驗(yàn)的原理、特點(diǎn)、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的排布方式,在深入領(lǐng)會(huì)《理工科非物理專(zhuān)業(yè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基本要求》的基礎(chǔ)上,研發(fā)了“單縫衍射與現(xiàn)代傳感器的設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了一個(gè)傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)向設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的升華.文中給出了該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)環(huán)節(jié)安排,提出了一些需要注意的技術(shù)細(xì)節(jié),并給出了幾個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例,最后還給出了設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)的一些體會(huì).

單縫衍射;傳感器;設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

1 引言

21世紀(jì)初以來(lái)教學(xué)改革的春風(fēng)吹遍了國(guó)內(nèi)高校的每個(gè)角落,特別是《理工科非物理類(lèi)專(zhuān)業(yè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基本要求》正式頒布實(shí)施以來(lái),有關(guān)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革在各校如火如荼地開(kāi)展.但是,對(duì)部分同仁如何研發(fā)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)還存在不少困惑.有的認(rèn)為我們的生源差,只要能順順當(dāng)當(dāng)?shù)刈鐾昊A(chǔ)實(shí)驗(yàn)就很不錯(cuò)了;有的認(rèn)為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)須使用價(jià)格昂貴的大型設(shè)備開(kāi)設(shè)現(xiàn)代高級(jí)物理實(shí)驗(yàn).筆者及同事在深入學(xué)習(xí)《非物理類(lèi)專(zhuān)業(yè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基本要求》文件,深刻領(lǐng)會(huì)其精神的基礎(chǔ)上研發(fā)了“單縫衍射與現(xiàn)代傳感器的設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了由一個(gè)傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)向設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的升華,現(xiàn)將其主要精神介紹如下.

2 挖掘傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的潛力,實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)向現(xiàn)代設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的升華

涉及單縫夫瑯禾費(fèi)衍射現(xiàn)象研究的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大概有兩類(lèi).一類(lèi)是單縫衍射光強(qiáng)分布測(cè)量(各校稱(chēng)呼有所不同),這是一種正向思維的實(shí)驗(yàn)方法,是在夫瑯禾費(fèi)區(qū)的接收屏上對(duì)一維衍射光強(qiáng)逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,得到相對(duì)光強(qiáng)分布曲線[1].這是一個(gè)典型的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證光強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的光路圖如圖1所示.本實(shí)驗(yàn)不作較大的改變很難激發(fā)學(xué)生的熱情和積極性.另一類(lèi)是利用單縫衍射測(cè)單縫(或單絲)尺寸[2](各校稱(chēng)呼有所不同),其光路圖如圖2、圖3所示.

圖1 單縫衍射光強(qiáng)分布測(cè)量

圖2、圖3實(shí)驗(yàn)是一種逆向思維的測(cè)量,亦稱(chēng)為反衍射測(cè)量,即根據(jù)接收屏上光強(qiáng)分布的信息(零點(diǎn)間距)獲取衍射縫(或絲)的信息(縫或絲的尺寸).

與圖1實(shí)驗(yàn)相比較,圖2、圖3實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來(lái)了,有較大的進(jìn)步.但實(shí)驗(yàn)的思路僅停留在測(cè)量狹縫尺寸上,沒(méi)有和廣泛的物理量聯(lián)系,思路不開(kāi)闊,仍然難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情.

我們的新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路是以光波的單縫夫瑯禾費(fèi)衍射為模型,在傳統(tǒng)圖2或圖3實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,引入多種物理量,通過(guò)物理量的變化引起縫寬的變化,影響接收屏光強(qiáng)分布曲線零點(diǎn)(暗紋)間距的變化,從而測(cè)量該物理量的變化量,實(shí)現(xiàn)傳感并設(shè)計(jì)多種物理量傳感器.

本實(shí)驗(yàn)在本科低年級(jí)階段引入原理設(shè)計(jì)(即不涉及制造技術(shù)和生產(chǎn)工藝)對(duì)拓寬學(xué)生思路、激發(fā)創(chuàng)新能力、聯(lián)系實(shí)際都有極大的好處.

實(shí)驗(yàn)分三個(gè)階段:

第一階段,課前查閱相關(guān)資料學(xué)習(xí)傳感技術(shù)的知識(shí).

第二階段,課堂中3個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:

(1)定性觀察縫寬與衍射光強(qiáng)圖樣零點(diǎn)(暗紋)間距的變化關(guān)系;

(2)定量測(cè)量衍射光強(qiáng)分布圖樣暗紋間距和光路其他參數(shù)(達(dá)到間接測(cè)量縫寬目的);

(3)教師答疑(最好一對(duì)一).

第三階段,課后根據(jù)自己關(guān)心的物理量設(shè)計(jì)傳感器,寫(xiě)一篇以單縫衍射為模型,字?jǐn)?shù)在2000字左右的論文(選用的物理量最好能與自己的專(zhuān)業(yè)技術(shù)掛鉤).要求:

(1)畫(huà)出傳感器工作原理示意圖;

(2)敘述工作原理;

(3)可行性與可靠性討論;

(4)有關(guān)參考文獻(xiàn);

(5)對(duì)本實(shí)驗(yàn)的體會(huì).

3 幾個(gè)在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意的技術(shù)細(xì)節(jié)

1)做好傳統(tǒng)單縫衍射實(shí)驗(yàn)向設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)升華的關(guān)鍵因素之一是讓學(xué)生親自感受縫寬窄變化與衍射光強(qiáng)圖樣零點(diǎn)(暗紋)間距的變化關(guān)系,因此宜于在實(shí)驗(yàn)中使用縫寬連續(xù)可調(diào)的單狹縫屏(采用幾片寬度不等的固定縫屏效果稍差).學(xué)生親手調(diào)動(dòng)螺旋感受縫寬的變化引起圖樣寬度的變化,同時(shí)感受物理量的變化推動(dòng)狹縫刀口移動(dòng)(縫寬度的變化)并建立某種聯(lián)系,從而為設(shè)計(jì)傳感器打下良好的基礎(chǔ).

2)實(shí)驗(yàn)中單狹縫兩刀刃不平行而是楔形.這時(shí)衍射圖樣將變形成為一個(gè)扇形.教師應(yīng)幫助學(xué)生進(jìn)行分析并給出合理的解釋(這種狹縫屏應(yīng)進(jìn)行維修,使之兩刀刃平行).

3)兩刀刃到接收屏的距離不等(錯(cuò)位),這時(shí)衍射圖樣將不再對(duì)稱(chēng).如圖4所示,有 x′k＞xk,進(jìn)一步的分析見(jiàn)文獻(xiàn)[3].

圖4 衍射刀口有錯(cuò)位,衍射圖樣將不再對(duì)稱(chēng)

4)優(yōu)秀的學(xué)生會(huì)提出為什么一定要采用單縫的衍射模型,其他形狀的衍射孔行嗎?如圓孔衍射模型.答案是:在常見(jiàn)的幾何孔衍射光強(qiáng)分布理論中,只有單縫衍射的相對(duì)光強(qiáng)分布曲線的相鄰零點(diǎn)(暗條紋)間距才是等間距的(即是的函數(shù)性質(zhì)決定的),而圓孔衍射的相對(duì)光強(qiáng)分布曲線相鄰零點(diǎn)是不等間距的.另外,單縫的一個(gè)刀刃固定,另一個(gè)刀刃與物理量的變化級(jí)聯(lián),很容易作到平穩(wěn)移動(dòng).因此,選用單縫衍射模型的優(yōu)勢(shì)是明顯的.

5)傳感器的定標(biāo).真正意義的傳感器在設(shè)計(jì)研發(fā)中還存在一個(gè)定標(biāo)問(wèn)題.即 xk→b→物理量三者關(guān)系、比例系數(shù)及參考點(diǎn)的問(wèn)題.對(duì)于一般學(xué)生,教師可以只提出這個(gè)問(wèn)題,但可不做要求.對(duì)特別優(yōu)秀的學(xué)生教師則因材施教引導(dǎo)他較深入地探討這個(gè)問(wèn)題.

4 幾則實(shí)例示意圖

以下是幾則教學(xué)中成功的以單縫衍射為模型的傳感器實(shí)例示意圖.

圖5 微小位移傳感器示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)我們有如下深刻體會(huì):

1)實(shí)驗(yàn)教師應(yīng)根據(jù)自己的學(xué)校在當(dāng)?shù)氐亩ㄎ灰约皩W(xué)校的教學(xué)儀器設(shè)備等條件因地制宜地制定設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及內(nèi)容,切不可無(wú)所作為、濫竽充數(shù),也不能不切實(shí)際、貪大求全.只要能充分地發(fā)揮學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的主動(dòng)性,在實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法、實(shí)驗(yàn)儀器改進(jìn)中充分發(fā)揮主觀能動(dòng)作用,他的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰头治鰡?wèn)題的能力得到充分的訓(xùn)練和培養(yǎng),那么設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的初衷就算達(dá)到了.

2)教師的知識(shí)儲(chǔ)備與技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累是研發(fā)一個(gè)高質(zhì)量設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ),工作熱情是動(dòng)力,學(xué)校學(xué)院的政策支持是大環(huán)境支撐,這三者一樣都不能少.

3)一個(gè)好的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)要充分發(fā)揮教師、學(xué)生及實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員的積極性、主動(dòng)性,經(jīng)長(zhǎng)期錘煉才能成為精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.

4)中國(guó)科技大學(xué)霍劍青教授精辟地指出,教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法決定了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量,決定了學(xué)生的收益,在設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中更是如此,因此有關(guān)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中的教學(xué)方法研究是擺放在我們大家面前的一大課題.

[1] 呂斯驊.新編基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京:高等教育出版社,2006

[2] 陶純匡等.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007

[3] 葉聲華.激光在精密計(jì)量中的應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1980

THE CHANGINGOF A TRADITIONAL CONFIRMATORY EXPERIMENT TO DESIGNING EXPERIMENT

Wang Tao Li Tian Ye Dawu Tao Chunkuang
(Physical college of Chongqing University,Chongqing 400044)

In this paper,the principle,characteristics,and traditional experiment arrangement way of single-slit Fraunhofer diffraction are elaborated.After having a deep understanding of the“basic requirements”,the author designed an experiment on“single-slit diffraction and modern sensor design”which realizes a leap from a traditional test-type experiment to designoriented experiment.Then the arrangements of experimental teaching,raises some technical details we need to pay attention are presented,and some design examples are given.Finally,some understanding about design the experiment are given.

single-slit diffraction;sensor;designing experiment

2010-07-15)

汪濤(1973年出生)四川閬中人,博士,副教授.主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)及科研工作.