尤 勐,王晉疆,黃 銳,溫午麒,于 音,蔣學(xué)慧,許寶忠,胡曉東
(天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院,天津 300072)
第7屆全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽綜合研究性實(shí)驗(yàn)試題C為“基于給定條件搭建黑箱光路”. 該題首先探究了3種晶體偏振光學(xué)元件的識(shí)別方法,進(jìn)而研究偏振光學(xué)元件對(duì)光傳輸路徑的控制,最后探究偏振在光測(cè)彈性應(yīng)力測(cè)試中的應(yīng)用. 試題將基礎(chǔ)知識(shí)、基本實(shí)驗(yàn)技能與典型光路應(yīng)用、工程應(yīng)用實(shí)例相結(jié)合,考察學(xué)生物理基礎(chǔ)知識(shí)的積累、現(xiàn)場(chǎng)新知識(shí)的獲取、實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建、實(shí)驗(yàn)原理的探究以及數(shù)據(jù)分析等能力.
光矢量的方向和大小呈規(guī)律變化的光稱為偏振光. 不同狀態(tài)的偏振光在通過(guò)不同的晶體光學(xué)偏振元件后表現(xiàn)出不同的特性[1]. 通過(guò)偏振元件實(shí)現(xiàn)對(duì)光傳輸路徑的控制是典型且重要的應(yīng)用. 通過(guò)對(duì)光學(xué)元件偏振狀態(tài)的調(diào)制及控制,可以實(shí)現(xiàn)光沿著特定路徑傳輸?shù)哪康腫2-3].
光測(cè)彈性法是利用光學(xué)方法進(jìn)行應(yīng)力分析的全場(chǎng)測(cè)試技術(shù). 采用具有暫時(shí)雙折射效應(yīng)的材料,制成與待測(cè)物體尺寸相似的模型,然后對(duì)模型施加與待測(cè)物體相似的載荷,將模型放置在特定的偏振光路中,可在接收平面上觀察到與應(yīng)力相關(guān)的干涉條紋. 當(dāng)線偏振光垂直入射到因應(yīng)力而具有暫時(shí)雙折射效應(yīng)的材料模型時(shí),沿著模型的主應(yīng)力方向,偏振光被分解成2束線偏振光. 由于2束線偏振光在模型內(nèi)的傳播速度不同,故通過(guò)模型后將產(chǎn)生固定的光程差,由光程差即可確定主應(yīng)力差,從而將應(yīng)力測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)楣獬滩顪y(cè)量.
實(shí)驗(yàn)器材如表1所示.
表1 實(shí)驗(yàn)器材
賽場(chǎng)使用的器材均為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中常用的儀器設(shè)備,考慮到學(xué)生在參加競(jìng)賽時(shí)的實(shí)際狀態(tài),降低學(xué)生操作儀器時(shí)的困難程度,附件提供了部分設(shè)備的詳細(xì)操作說(shuō)明.
提供2個(gè)已注明元件,分別是氦氖激光器(波長(zhǎng)632.8 nm)和白屏. 未注明光學(xué)元件有6個(gè),分別為1/2波片(波長(zhǎng)632.8 nm)2個(gè)、1/4波片(波長(zhǎng)632.8 nm)2個(gè)和偏振片2個(gè),元件打亂編號(hào)為A,B,C.
要求:
a.根據(jù)提供的元件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)光路,結(jié)合文字說(shuō)明識(shí)別的實(shí)驗(yàn)步驟,給出識(shí)別原理,畫(huà)出相應(yīng)光路圖.
b.將識(shí)別結(jié)果填寫(xiě)于相應(yīng)的表格中.
1)從貼有白色標(biāo)簽的器件中選擇合適的光學(xué)器件,在圖1的方框陰影區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)光路,激光器始終位于位置4,激光沿X軸正向射出. 理想條件下該光路同時(shí)滿足3種工作狀態(tài):
a.工作狀態(tài)1:在位置2和位置3均不放置平面反射鏡時(shí),激光從位置2沿X軸正向射出,位置1和位置3無(wú)光射出.
b.工作狀態(tài)2:在滿足工作狀態(tài)1的基礎(chǔ)上,在位置2放置垂直于X軸的平面反射鏡時(shí),激光從位置3沿Y軸負(fù)向射出,位置1無(wú)光射出.
c.工作狀態(tài)3:在滿足工作狀態(tài)2的基礎(chǔ)上,在位置3放置垂直于Y軸的平面反射鏡,激光從位置1沿Y軸正向射出,并且獲得盡可能大的光功率值.
圖1 黑箱1示意圖
要求:仔細(xì)閱讀題目要求,查看已提供的光學(xué)元件,設(shè)計(jì)光路,滿足3個(gè)工作條件.
2)說(shuō)明每個(gè)光學(xué)元件的工作條件,描述光路的工作原理. (試卷上對(duì)應(yīng)第2和第3小題)
要求:除了基本光學(xué)元件調(diào)整的要求外,還需要調(diào)整偏振元件光軸的角度位置.
3)根據(jù)1)的設(shè)計(jì)結(jié)果,搭建實(shí)驗(yàn)光路,說(shuō)明實(shí)驗(yàn)步驟;記錄激光器的光功率值,激光通過(guò)第1個(gè)光學(xué)元件的光功率值和3種工作狀態(tài)下各位置的光功率值,并計(jì)算光功率值的比值. (試卷上對(duì)應(yīng)第4和第5小題)
1)閱讀資料并搭建實(shí)驗(yàn)光路,獲得待測(cè)模型的光彈干涉條紋圖.
要求:請(qǐng)仔細(xì)閱讀試題資料,根據(jù)正交線偏振光場(chǎng)法的實(shí)驗(yàn)原理及光路圖,選取合適的光學(xué)元件,搭建實(shí)驗(yàn)光路,獲得待測(cè)模型的光彈干涉條紋圖. 請(qǐng)寫(xiě)出光路搭建過(guò)程中,各器件的調(diào)節(jié)方法、調(diào)節(jié)目的等,包括但不限于器件初始狀態(tài)調(diào)節(jié)、器件空間姿態(tài)調(diào)節(jié)、圖像接收調(diào)節(jié)等. 獲取光彈干涉條紋圖后,請(qǐng)截圖屏幕并存放于桌面上,記錄偏振片的刻度盤(pán)角度值.
2)調(diào)整光路,消除光彈干涉條紋圖中等傾線,僅留存等差線.
要求:光彈干涉條紋圖的等傾線與等差線互相重疊、互相干擾,影響條紋觀察和應(yīng)力測(cè)量,詳細(xì)信息請(qǐng)參考試題資料. 請(qǐng)選取波片放置于上述實(shí)驗(yàn)光路中,消除干涉條紋圖中等傾線,僅留存等差線. 請(qǐng)寫(xiě)出光路搭建過(guò)程中波片的選取、放置及調(diào)節(jié)方法. 獲取光彈干涉條紋圖后,請(qǐng)截圖屏幕并存放于桌面,記錄所選波片的刻度盤(pán)角度值.
3)描述消除等傾線的原理過(guò)程.
要求:請(qǐng)推導(dǎo)公式并結(jié)合文字說(shuō)明,寫(xiě)出消除干涉條紋圖中等傾線、僅留存等差線的原理過(guò)程.
按照題目要求,本小題答案中提及以下關(guān)鍵點(diǎn),則可得到相應(yīng)分?jǐn)?shù):
a.調(diào)節(jié)氦氖激光器出射光與臺(tái)面平行;
b.調(diào)節(jié)每個(gè)光學(xué)元件中心高度和俯仰裝置,使激光光束垂直通過(guò)各元件中心;
c.各組2個(gè)未知元件分別放置于激光器和白屏之間(圖2),將其中1個(gè)未知元件旋轉(zhuǎn)1周,根據(jù)馬呂斯定律,出現(xiàn)光強(qiáng)為零現(xiàn)象的為偏振片,光強(qiáng)不變的為波片;
d.將2個(gè)偏振片放置于激光器和白屏之間,調(diào)節(jié)使透光軸互相垂直;
e.將其余未知元件分別放置于2個(gè)偏振片之間(圖3),使快慢軸與偏振片的透光軸不重合,將未知元件和白屏中間的偏振片旋轉(zhuǎn)1周,出現(xiàn)光強(qiáng)為零現(xiàn)象的為1/2波片,未出現(xiàn)的為1/4波片.
圖2 偏振片檢測(cè)光路示意圖
圖3 其余元件檢測(cè)光路示意圖
未知光學(xué)元件的識(shí)別結(jié)果如下:元件A為偏振片,元件B為1/2波片,元件C為1/4波片.
1)設(shè)計(jì)光路系統(tǒng),理想條件下該系統(tǒng)同時(shí)滿足3種工作狀態(tài).
本題使用到的光學(xué)元件有格蘭棱鏡、偏振分光棱鏡、2個(gè)1/4波片和氦氖激光器、2個(gè)平面反射鏡. 黑箱1解答示意圖如圖4所示.
圖4 黑箱1解答示意圖
2)說(shuō)明每個(gè)光學(xué)元件的工作條件,描述光路的工作原理.
a.以光學(xué)平臺(tái)為參考水平面,偏振器垂直水平面,偏振器端面法線與X軸重合,且偏振方向水平;
b.偏振分光棱鏡的分光面與水平面垂直,分光面法線與X軸正向成135°;
c.2個(gè)1/4波片垂直于水平面,波片法線分別與X軸和Y軸重合,各自光軸與水平面均成45°;
d.為了獲得較大的功率輸出,偏振器件選擇格蘭棱鏡.
工作原理:激光經(jīng)過(guò)偏振器為水平線偏振光,透射通過(guò)偏振分光棱鏡,經(jīng)位置2處1/4波片和平面反射鏡返回為垂直線偏振光,反射通過(guò)偏振分光棱鏡,再經(jīng)位置3處1/4波片和平面反射鏡返回為水平線偏振光,透射通過(guò)偏振分光棱鏡后從位置1射出[4].
3)搭建實(shí)驗(yàn)光路,描述實(shí)驗(yàn)步驟,記錄激光器的光功率值.
a.根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果放置光學(xué)元件;
b.利用白屏調(diào)節(jié)各器件,保證光線在同一平面內(nèi)傳輸,光線傳輸方向符合設(shè)計(jì)要求;
c.將探測(cè)器放置在位置1,遮擋位置2處的1/4波片,調(diào)節(jié)偏振器,使得探測(cè)到的光功率值最小,移除遮擋白屏;
d.在位置2處放置平面反射鏡,在位置3處1/4波片上方放置探測(cè)器,調(diào)節(jié)位置2處的1/4波片,使得探測(cè)到的光功率值最大;
e.在位置3處放置平面反射鏡,在位置1處放置探測(cè)器,調(diào)節(jié)位置3處的1/4波片,使得探測(cè)到的光功率值最大;
f.再根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求測(cè)量3種工作狀態(tài)下的光功率值.
該考察點(diǎn)有2個(gè)小問(wèn)題,考察學(xué)生的動(dòng)手能力、實(shí)驗(yàn)光路的調(diào)整及關(guān)鍵元件特定角度的調(diào)整方法,獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理,驗(yàn)證光路的性能[5-6].
1)閱讀資料并搭建實(shí)驗(yàn)光路,獲得待測(cè)模型的光彈干涉條紋圖.
按照題目要求,本小題答案中提及以下關(guān)鍵點(diǎn),則可得到相應(yīng)分?jǐn)?shù)[7],包括:
a.整體光路的共軸調(diào)節(jié);
b.調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器與臺(tái)面平行;
c.調(diào)節(jié)焦距15 mm及焦距70 mm的透鏡與半導(dǎo)體激光器共軸;
d.調(diào)節(jié)透鏡前后表面的反射光斑應(yīng)返回激光器出光口;
e.調(diào)節(jié)偏振片與半導(dǎo)體激光器共軸;
f.調(diào)節(jié)偏振片反射光斑返回激光器出光口;
g.調(diào)節(jié)1/4波片與半導(dǎo)體激光器共軸;
h.調(diào)節(jié)1/4波片的反射光斑應(yīng)返回激光器出光口;
i.調(diào)節(jié)附屬鏡頭焦距使干涉圖清晰成像.
由于待測(cè)模型的受力方向可能與臺(tái)面不垂直,因此偏振片1、偏振片2的刻度盤(pán)角度相較于標(biāo)識(shí)角度值可做微調(diào). 經(jīng)賽前驗(yàn)證,各套參賽設(shè)備的微調(diào)范圍均在±5°之間. 因此偏振片1的刻度盤(pán)角度值與標(biāo)識(shí)角度值可相差±5°,偏振片2的刻度盤(pán)角度值與標(biāo)識(shí)角度值加或減90°后,可相差±5°.
該小題主要考察學(xué)生閱讀資料、獲取關(guān)鍵信息并規(guī)范搭建實(shí)驗(yàn)光路的能力,關(guān)鍵的參考信息為試題中正交線偏振光場(chǎng)法的相關(guān)描述以及相關(guān)光路圖. 在讀懂資料、理解光路圖的基礎(chǔ)上,學(xué)生需按照光學(xué)實(shí)驗(yàn)中共軸調(diào)節(jié)的基本原則,進(jìn)行各光學(xué)器件的空間姿態(tài)調(diào)節(jié),而后正確調(diào)節(jié)偏振片的角度,最終可得到正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.
2)調(diào)整光路,消除光彈干涉條紋圖中等傾線,僅留存等差線.
按照題目要求,本小題答案中提及以下關(guān)鍵點(diǎn),則可得到相應(yīng)分?jǐn)?shù),包括:
a.選用1塊波片放置于偏振片1與待測(cè)物體中間,1塊波片放置于待測(cè)物體與偏振片2中間;
b.放置于偏振片1與待測(cè)物體中間的波片,其刻度盤(pán)角度值與標(biāo)識(shí)角度值加45°后,可相差±5°;
c.放置于待測(cè)物體與偏振片2中間的波片,其刻度盤(pán)角度值與標(biāo)識(shí)角度值減45°后,可相差±5°.
該小題主要考察學(xué)生基于既往經(jīng)驗(yàn)探索搭建實(shí)驗(yàn)光路的能力. 直接提供了2塊1/4波片,未設(shè)置干擾項(xiàng). 學(xué)生可在讀懂資料的基礎(chǔ)上,明白等傾線的出現(xiàn)與偏振光、主應(yīng)力的夾角相關(guān);再根據(jù)既往經(jīng)驗(yàn),了解1/4波片的主要特性是在特定的45°,可將偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏光,從而嘗試使用圓偏光消除原始光路中偏振光、主應(yīng)力間的夾角[8]. 由于僅使用1塊波片,無(wú)法獲得正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,學(xué)生可繼續(xù)根據(jù)既往經(jīng)驗(yàn),了解某些光路存在對(duì)稱結(jié)構(gòu),再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的2塊波片,探索性地放置波片并調(diào)節(jié)角度,獲得正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.
3)描述消除等傾線的原理過(guò)程.
本小題答案因篇幅較長(zhǎng),而且是較為經(jīng)典的光測(cè)彈性理論,可以自行查找相關(guān)推導(dǎo)過(guò)程[9].
該小題主要考察學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備,并基于現(xiàn)場(chǎng)資料與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行理論分析的能力,較有難度但是分值偏低,目的是體現(xiàn)一些區(qū)分度. 由于資料中已完整給出原始光路的公式推導(dǎo)和文字說(shuō)明,學(xué)生可根據(jù)1/4波片的特性,對(duì)加入波片之后的光路進(jìn)行推導(dǎo)和說(shuō)明,正確寫(xiě)出關(guān)鍵的公式或文字即可得到相應(yīng)的分?jǐn)?shù).
本次競(jìng)賽共有16組隊(duì)伍選做綜合研究性實(shí)驗(yàn)試題C,表2~5分別為試題各部分得分和總分統(tǒng)計(jì),圖5為各部分得分及總分的統(tǒng)計(jì)直方圖.
表2 綜合研究性實(shí)驗(yàn)試題C第1部分得分統(tǒng)計(jì)
表3 綜合研究性實(shí)驗(yàn)試題C第2部分得分統(tǒng)計(jì)
表4 綜合研究性實(shí)驗(yàn)試題C第3部分得分統(tǒng)計(jì)
表5 綜合研究性實(shí)驗(yàn)試題C得分統(tǒng)計(jì)
(a) 第1部分
(b) 第2部分
(c) 第3部分
(d) 總分 圖5 得分統(tǒng)計(jì)直方圖
試題第1部分圍繞偏振片和波片的偏振光學(xué)特性設(shè)題,考察學(xué)生對(duì)晶體偏振光學(xué)元件理論掌握程度、搭建光學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本技能和自主設(shè)計(jì)識(shí)別方法的能力. 第1部分得分最高分為19分,最低分為6分,平均分為11.81分,作為考察基礎(chǔ)知識(shí)和基本實(shí)驗(yàn)技能的題目,出現(xiàn)高分考生說(shuō)明題目難度設(shè)置基本合理. 但是平均分不高,主要原因是部分學(xué)生對(duì)波片的光學(xué)特性了解不夠透徹. 另外,部分考生沒(méi)有對(duì)氦氖激光器和光學(xué)元件進(jìn)行初始調(diào)節(jié),說(shuō)明部分考生的基本實(shí)驗(yàn)技能欠缺.
試題第2部分根據(jù)光學(xué)偏振理論和典型偏振光學(xué)元件的特性進(jìn)行光傳輸路徑的控制設(shè)題,考察學(xué)生對(duì)偏振理論的掌握程度,對(duì)典型偏振光學(xué)元件的應(yīng)用能力,搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力. 第2部分總體得分率不高,可能的原因是部分學(xué)校對(duì)此部分內(nèi)容要求不高. 從具體的答題情況看,僅有少數(shù)具備扎實(shí)理論基礎(chǔ)和較強(qiáng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ膶W(xué)生獲得了較好結(jié)果. 具體來(lái)說(shuō),光路設(shè)計(jì)未能滿足題目要求,對(duì)于不熟悉的光學(xué)元件未能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法總結(jié)元件的特性和功能;關(guān)鍵器件的應(yīng)用條件表述不夠清晰;系統(tǒng)工作原理中未能體現(xiàn)偏振特性在系統(tǒng)中的作用. 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建環(huán)節(jié)表明學(xué)生的光學(xué)實(shí)驗(yàn)基本技能還需提高,搭建光學(xué)系統(tǒng)的基本訓(xùn)練還需加強(qiáng).
試題第3部分圍繞偏振在光測(cè)彈性應(yīng)力測(cè)試中的應(yīng)用設(shè)題,考察學(xué)生閱讀資料、獲取關(guān)鍵信息并規(guī)范搭建實(shí)驗(yàn)光路的能力;考察學(xué)生基于既往經(jīng)驗(yàn)探索搭建實(shí)驗(yàn)光路的能力;考察學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備,并基于現(xiàn)場(chǎng)資料與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,進(jìn)行理論分析的能力. 第1小題相對(duì)基礎(chǔ),主要考察閱讀資料和實(shí)驗(yàn)技能,有1組考生得滿分15分,但是也有5組考生得0分,分化比較明顯,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)考情況分析,存在考生第3部分預(yù)留時(shí)間不足,直接放棄,導(dǎo)致得0分的現(xiàn)象. 第2小題、第3小題難度較大,分?jǐn)?shù)普遍偏低,但是第2小題反映考生探索能力較強(qiáng),有3組考生獲得9分. 第3小題是為了體現(xiàn)區(qū)分度,有1組考生獲得7分. 第3部分作為探究偏振的工程應(yīng)用,難度較大且層層遞進(jìn),部分考生未合理安排時(shí)間,因而錯(cuò)失了一些基礎(chǔ)分.
從總得分來(lái)看,最高分73分,最低分11分,平均分31.54分. 作為綜合性競(jìng)賽題,試題C全面考察了考生的基礎(chǔ)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)技能、知識(shí)儲(chǔ)備和探索能力,成績(jī)區(qū)分度較為明顯,基本達(dá)到預(yù)期效果.
由圖5統(tǒng)計(jì)直方圖可以看出:第1部分得分基本上滿足高斯分布;第2部分總體得分率不高,取得高分的小組較少,試題區(qū)分度較大,除了在低分區(qū)學(xué)生人數(shù)較多外,其他分?jǐn)?shù)段分布合理;第3部分整體得分較低,題目難度較大,而且部分考生的時(shí)間安排出現(xiàn)失誤,丟失了基礎(chǔ)分?jǐn)?shù). 由總分直方圖可見(jiàn)得分基本符合高斯分布,區(qū)分度較大.
部分學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中,特別是針對(duì)光學(xué)器件的操作不夠規(guī)范,對(duì)競(jìng)賽的準(zhǔn)備不夠充分. 有幾個(gè)問(wèn)題比較有代表性:欠缺統(tǒng)籌安排時(shí)間的能力,過(guò)于糾結(jié)點(diǎn)和線,放棄了面,甚至沒(méi)有完整地瀏覽整套試題;實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性有待提高,部分考生對(duì)光學(xué)器件的規(guī)范取放及調(diào)節(jié)流程沒(méi)有正確認(rèn)知;閱讀材料后提取關(guān)鍵信息的能力稍弱,體現(xiàn)在試題中一些根據(jù)資料按圖索驥即可得分的基礎(chǔ)小題,也出現(xiàn)明顯丟分.
本題作為綜合研究性競(jìng)賽題,著重考慮試題考察的全面性、成績(jī)的區(qū)分度等,全面考察學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備、閱讀文獻(xiàn)、獲取關(guān)鍵信息、設(shè)計(jì)及操作實(shí)驗(yàn)、探索及解決問(wèn)題等能力. 同時(shí)為體現(xiàn)區(qū)分度,斟酌細(xì)化了多道小題的題設(shè)條件、干擾項(xiàng)等. 從最終成績(jī)來(lái)看,獲得了明顯的區(qū)分度,基本完成命題初衷. 同時(shí)反映了一些學(xué)生在實(shí)驗(yàn)方面存在的問(wèn)題,部分學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能還有所欠缺,理論基礎(chǔ)還不夠扎實(shí),閱讀材料并獲取關(guān)鍵信息的能力還有待加強(qiáng),同時(shí)探索性解決問(wèn)題的思路還不夠開(kāi)闊. 目前大學(xué)生的物理綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰€需要進(jìn)一步加強(qiáng).