牛頓環(huán)實(shí)驗應用拓展
牛頓環(huán)實(shí)驗應用拓展【1】
摘 要：闡述如何利用牛頓環(huán)裝置，首先通過(guò)已知波長(cháng)的單色光形成牛頓環(huán)干涉圖樣，進(jìn)行干涉環(huán)直徑測量;進(jìn)而以高壓汞燈作為光源，通過(guò)濾色片，得到不同波長(cháng)單色光，再通過(guò)牛頓環(huán)干涉圖樣直徑測量及計算式，計算出該單色光波的波長(cháng)，令牛頓環(huán)裝置有更大地應用。
關(guān)鍵詞：牛頓環(huán) 等厚干涉 波長(cháng) 高壓汞燈 濾色片
應用牛頓環(huán)現象可判斷透鏡表面凸凹、精確檢驗光學(xué)元件表面質(zhì)量、測量透鏡表面曲率半徑和液體折射率。
用牛頓環(huán)測量球面的曲率半徑，也是大學(xué)物理實(shí)驗中的一個(gè)典型光學(xué)實(shí)驗。
實(shí)驗裝置較簡(jiǎn)單，但卻可以測量平凸、平凹透鏡球面的大曲率半徑，且測量精密度較高，實(shí)驗中通常利用鈉光產(chǎn)生分振幅干涉形成環(huán)狀的等厚干涉圖樣――牛頓環(huán)，對牛頓環(huán)的級數和對應直徑進(jìn)行測量，通過(guò)計算可以獲得被測球面透鏡的曲率半徑;而如果再將不同波長(cháng)的入射光照射在牛頓環(huán)裝置上，也可以形成牛頓環(huán)干涉圖樣，本文將闡述如何利用牛頓環(huán)干涉圖樣，對可見(jiàn)光單色光波長(cháng)進(jìn)行測量。
1 牛頓環(huán)測量波長(cháng)原理
1.1 測量球面曲率半徑的原理
當一個(gè)曲率半徑很大的平凸透鏡的凸面與平面玻璃接觸時(shí)，兩者間形成空氣間隙，如圖1，間隙由中心接觸點(diǎn)到邊緣逐漸增加。
當單色光垂直照射時(shí)，由于經(jīng)空氣間隙的上下表面反射的兩束光存在光程差，它們在透鏡凸面附近相遇時(shí)會(huì )產(chǎn)生明暗相間、同心圓環(huán)狀的干涉圖樣。
由于接觸壓力會(huì )引起玻璃形變，使牛頓環(huán)中心呈圓斑形的接觸狀態(tài)，使實(shí)際干涉半徑與理想不等，造成系統誤差，故采用以下解決方法：在空氣間隙的邊緣做適當墊高，使透鏡與平面玻璃在中心處剛好不接觸。
因此多了一段附加厚度則可導出：
1.2 牛頓環(huán)干涉法測量干涉光波長(cháng)
2 待測光源選取及儀器裝置說(shuō)明
2.1 光源選取
作為待測光源應具有較大的輸出光強和較好的單色性，鈉光燈比較適宜作為牛頓環(huán)實(shí)驗的單色光源，選擇鈉光光源作為 0;根據高壓汞燈的輸出光譜和發(fā)光特點(diǎn)選擇高壓汞燈中的579.0nm、546.1nm和435.8nm的光譜作為待測光源 1、 2和 3。
2.2 儀器調節和裝置說(shuō)明
首先測量鈉光光源的牛頓環(huán)干涉圖樣直徑，其步驟按照牛頓環(huán)實(shí)驗步驟進(jìn)行：光路調整、顯微鏡調焦、測量干涉環(huán)直徑等步驟進(jìn)行。
用高壓汞燈作干涉光光源時(shí)，筆者獲取單色光的方法是，在高壓汞燈前加濾色片。
通過(guò)濾色片獲取不同波長(cháng)的單色光，以期能形成等厚干涉圓環(huán)。
但由于汞燈光源出射窗口溫度較高，濾色片不能直接放在汞燈出射口處，故制作了一個(gè)簡(jiǎn)易的接口，使得光線(xiàn)既能通過(guò)濾色片出射，而且濾色片距離光源出射窗口有適當的距離，又沒(méi)有散射的光線(xiàn)影響干涉環(huán)的對比度，其效果較好。
3 實(shí)驗結果
3.1 以鈉光 0、待測光源 1、 2和 3為干涉光源的干涉環(huán)實(shí)驗結果，見(jiàn)表1
3.2 不同波長(cháng)下D2m與m線(xiàn)性關(guān)系圖線(xiàn)
用鈉光燈作為入射光形成的干涉的牛頓環(huán)干涉圖樣(見(jiàn)圖3)，對牛頓環(huán)直徑進(jìn)行測量，計算出干涉直徑D2m，D2m與m關(guān)系圖線(xiàn)，數據點(diǎn)排列顯示D2m與m呈現線(xiàn)性關(guān)系。
表1中以 0為入射光時(shí)D2m與m相關(guān)系數值也顯示出其線(xiàn)性相關(guān)性。
以高壓汞燈作為光源，用濾色片獲取不同波長(cháng)的單色光 1、 2和 3為入射光形成的牛頓環(huán)干涉圖樣，對三個(gè)不同干涉波長(cháng)形成的牛頓環(huán)直徑分別進(jìn)行測量，繪制D2m與m關(guān)系圖線(xiàn)，見(jiàn)圖4，各組數據點(diǎn)排列呈現線(xiàn)性關(guān)系。
表1中以 1、 2和 3入射光時(shí)D2m與m相關(guān)系數值也顯示出其線(xiàn)性相關(guān)性。
3.3 結果分析
從實(shí)驗現象和結果來(lái)看，通過(guò)濾色片有效地濾出了高壓汞燈里的單色光，在干涉級數相等情況下，干涉環(huán)的直徑隨著(zhù)波長(cháng)的減小而減小。
根據不同光波獲得的與關(guān)系之斜率因子計算，待測波長(cháng)的測量結果見(jiàn)表2。
用牛頓環(huán)干涉法可以測量干涉光的波長(cháng)，測量精度較高，與波長(cháng)的公認值相比有較高的正確度。
4 結語(yǔ)
牛頓環(huán)干涉實(shí)驗中，若已知干涉光波長(cháng)，不僅能測量出牛頓環(huán)裝置中透鏡的球面半徑，而且若將待測單色可見(jiàn)光照射在牛頓環(huán)裝置上，光強足以形成牛頓環(huán)干涉圖樣，利用已知干涉光波長(cháng)可以計算出待測入射光的波長(cháng)。
本文從實(shí)驗的角度闡述了如何利用牛頓環(huán)裝置進(jìn)行光波波長(cháng)的測量，基于筆者對實(shí)驗理論和實(shí)驗方法的思考和探索。
根據實(shí)驗結果的精度以及與公認值的符合程度來(lái)看，達到了預期的效果。
故實(shí)驗教學(xué)可以通過(guò)對牛頓環(huán)等實(shí)驗的基本物理原理和實(shí)驗的基本方法的掌握，對一些基礎性實(shí)驗進(jìn)行拓展，可以引導和培養學(xué)生的創(chuàng )新思維、創(chuàng )新能力和綜合素質(zhì)，充分調動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng )造性。
(基金項目：上海工程技術(shù)大學(xué)教學(xué)建設項目(項目編號：y201121001))
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對牛頓環(huán)實(shí)驗教學(xué)的研究【2】
摘 要：牛頓環(huán)實(shí)驗是利用分振幅法獲得可相干光束的典型實(shí)驗，是大學(xué)物理實(shí)驗中的一個(gè)基礎光學(xué)實(shí)驗。
通過(guò)對牛頓環(huán)實(shí)驗教學(xué)的研究和思索，采用提出問(wèn)題、探究問(wèn)題和拓展實(shí)驗的教學(xué)方式，融入探究式教學(xué)的理念和思想。
有助于學(xué)生理解和領(lǐng)悟滲透在物理學(xué)內容中的物理思維、物理學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生對物理實(shí)驗的興趣，提升學(xué)生解決具體問(wèn)題的能力，增強學(xué)生的自信，提高物理實(shí)驗課的教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞：牛頓環(huán) 問(wèn)題 能力
牛頓環(huán)實(shí)驗是一個(gè)比較經(jīng)典的利用分振幅法獲得相干光束的大學(xué)物理實(shí)驗，傳統的做法是用鈉光燈做單色光源，通過(guò)讀數顯微鏡觀(guān)察牛頓環(huán)，并測出相應級次的牛頓環(huán)直徑，利用已知光波波長(cháng)采用逐差法來(lái)計算牛頓環(huán)平凸透鏡的曲率半徑。
該實(shí)驗內容簡(jiǎn)單、操作難度低、現象單一，學(xué)生能按照步驟很快地完成實(shí)驗，但教學(xué)效果并不理想，對培養學(xué)生的解決分析問(wèn)題能力和創(chuàng )新能力、實(shí)驗操作技能作用并不明顯。
通過(guò)對牛頓環(huán)實(shí)驗教學(xué)的不斷研究和思索，筆者在教學(xué)過(guò)程中采用提出問(wèn)題、探究問(wèn)題和拓展實(shí)驗的教學(xué)方式，融入探究式教學(xué)的理念和思想。
實(shí)踐表明，這種教學(xué)方式極大地提高了學(xué)生的實(shí)驗興趣，發(fā)揮了學(xué)生的主導作用，最大限度地激發(fā)了學(xué)生在實(shí)驗中的思維能和動(dòng)手能力，進(jìn)而更有效地培養了學(xué)生的實(shí)驗技巧和操作能力。
1 提出問(wèn)題
相比于傳統的實(shí)驗教學(xué)過(guò)程，筆者教學(xué)過(guò)程中在實(shí)驗開(kāi)始前先給學(xué)生提出一些問(wèn)題，而這些問(wèn)題盡可能提醒學(xué)生實(shí)驗操作過(guò)程中應注意到的相關(guān)細節，促使學(xué)生養成仔細觀(guān)察實(shí)驗現象的良好習慣，促使學(xué)生加深對實(shí)驗有關(guān)物理理論的理解，使實(shí)驗教學(xué)與理論教學(xué)有機地結合在一起。
提出的這些問(wèn)題筆者可以舉例說(shuō)明，如牛頓環(huán)實(shí)驗教學(xué)中為何取暗環(huán)來(lái)測量，而不取明環(huán)來(lái)測量?鑒于同學(xué)上學(xué)期已經(jīng)做過(guò)一些物理實(shí)驗了，對這個(gè)問(wèn)題有些同學(xué)稍加思索，就說(shuō)出了理由：因為暗環(huán)人眼容易對準，而明環(huán)不易對準。
再如，實(shí)驗中讀數顯微鏡下方45°反射鏡與光源不等高，會(huì )給實(shí)驗帶來(lái)什么影響?因為這個(gè)問(wèn)題的提出，實(shí)驗操作結束后，同學(xué)們對45°反射鏡調節中與光源不等高時(shí)的實(shí)驗現象仍頗為深刻，大家加以思索總結發(fā)現：如果45°鏡片與光源不等高，光線(xiàn)就不能按正常45°入射，單色光也就不能?chē)栏翊怪比肷涞脚ｎD環(huán)上，這時(shí)讀數顯微鏡的視場(chǎng)變暗，亮紋和暗紋邊緣模糊不清，讀數條紋比較困難，增大了實(shí)驗誤差。
再者，如果調節牛頓環(huán)儀中下方3個(gè)螺栓會(huì )出現什么現象，對實(shí)驗的測量是否有影響?帶著(zhù)疑問(wèn)，學(xué)生在實(shí)驗操作中對3個(gè)螺栓的用力程度、調節松緊比較用心，觀(guān)察非常仔細。
結果學(xué)生發(fā)現：若3個(gè)螺栓調節過(guò)緊，則施加的壓力太大，中心暗斑半徑變大，條紋也出現稍微的變形;3個(gè)螺栓調節得過(guò)松，小的擾動(dòng)和干擾就會(huì )造成條紋晃動(dòng)，不利于觀(guān)察，并影響了條紋數數的準確度，從而增加實(shí)驗的偶然誤差。
再如，操作中如果發(fā)現牛頓環(huán)中心出現的是亮斑，而不是暗斑，那又是什么情況造成中心出現了亮斑呢?實(shí)驗過(guò)程中同學(xué)們興致盎然，對發(fā)現亮斑的情形，都爭相觀(guān)察，之后靜思其原因。
在教師的適度引導下，學(xué)生從光程差考慮發(fā)現了原因，中心出現亮斑可能是平凸透鏡曲面和平板玻璃之間并沒(méi)有緊密接觸，或者接觸處可能會(huì )有塵埃，從而產(chǎn)生了附加光程差。
通過(guò)上述問(wèn)題的提出和引導，不僅有助于學(xué)生順利完成實(shí)驗操作，而且激發(fā)了學(xué)生的好奇心和實(shí)驗興趣。
使學(xué)生切身感受到，物理實(shí)驗課并不僅僅是數據測量，實(shí)驗過(guò)程中不僅要測量，還要觀(guān)察、分析和思考。
這樣學(xué)生才能真正了解物理學(xué)原理，并利于培養學(xué)生實(shí)驗中的觀(guān)察能力和分析能力，提高了牛頓環(huán)實(shí)驗的教學(xué)效果。
2 探究問(wèn)題
物理��驗教學(xué)中，教師是課堂教學(xué)的組織者，是學(xué)生學(xué)習的指導者。
學(xué)生思維的發(fā)展水平高低，很大一部分要靠教師的指導。
實(shí)驗操作和數據測量結束后，教師可以積極引導，啟發(fā)學(xué)生逐步對牛頓環(huán)實(shí)驗中發(fā)現的基本問(wèn)題進(jìn)一步深入和拓展，提出一些實(shí)驗現象和物理理論相結合的問(wèn)題，引導學(xué)生層層深入、趁熱打鐵，繼續對實(shí)驗進(jìn)行探究。
牛頓環(huán)實(shí)驗教學(xué)中筆者就引導學(xué)生繼續進(jìn)一步思考和探究更深層的問(wèn)題，例如，從已知的等厚干涉物理學(xué)原理出發(fā)，結合牛頓環(huán)實(shí)驗，理論上分析出牛頓環(huán)干涉條紋的典型特點(diǎn)。
再者，為什么使用鈉黃光垂直照射牛頓環(huán)時(shí)，只有經(jīng)過(guò)空氣薄膜上下表面反射的這兩束光是相干光，能產(chǎn)生干涉條紋?如果光源變了，在平凸透鏡上平面和下曲面的反射光線(xiàn)或平板玻璃上下表面的反射光線(xiàn)能否產(chǎn)生干涉條紋?若能產(chǎn)生干涉條紋，是否比鈉黃光更方便測量平凸透鏡曲率半徑呢?再有，如果把平凸透鏡翻過(guò)來(lái)，還會(huì )觀(guān)察到等厚干涉現象嗎? 類(lèi)似問(wèn)題很多，可以引導學(xué)生舉一反三，逐步去發(fā)現問(wèn)題、探究問(wèn)題、解決問(wèn)題。
鼓勵學(xué)生將解決的實(shí)驗問(wèn)題以科技小論文的形式撰寫(xiě)，選擇優(yōu)秀的論文將其發(fā)表在相應的校報或學(xué)術(shù)刊物上。
3 拓展實(shí)驗
隨著(zhù)對牛頓環(huán)實(shí)驗的探究，實(shí)驗內容越來(lái)越豐富，針對這一現象，院校專(zhuān)門(mén)設置了開(kāi)放實(shí)驗中心和仿真物理實(shí)驗室。
我們積極鼓勵學(xué)生按照自己的思想，提出實(shí)驗內容，設計實(shí)驗過(guò)程，并到開(kāi)放實(shí)驗室完成自己設計的實(shí)驗，開(kāi)拓了學(xué)生的視野和思路，激發(fā)了學(xué)生對物理實(shí)驗的興趣，培養了學(xué)生分析、設計和操作的綜合能力，收到良好的教學(xué)效果。
例如，有的學(xué)生馬上想到激光的相干性很好，于是嘗試用激光代替鈉光燈作為光源，觀(guān)察牛頓環(huán)的變化。
有的學(xué)生則將平板玻璃和平凸透鏡之間充滿(mǎn)了二氧化硫，觀(guān)測條紋變化。
有些仔細觀(guān)察生活而又充滿(mǎn)好奇的同學(xué)則直接將眼睛放在載物臺上，從而觀(guān)察條紋變化。
并且，還可以利用仿真軟件擴展實(shí)驗內容，充分發(fā)揮計算機三維動(dòng)畫(huà)和實(shí)時(shí)仿真的特點(diǎn)，對儀器的內部結構和操作過(guò)程進(jìn)行形象化的展示，提高了學(xué)生實(shí)驗的興趣。
4 結語(yǔ)
轉變傳統實(shí)驗教學(xué)的設計思想，以提問(wèn)形式帶動(dòng)學(xué)生實(shí)驗，在實(shí)驗中學(xué)生既要操作又要思考，促使學(xué)生留心和用心觀(guān)察實(shí)驗現象，并加深對物理知識的理解，進(jìn)而激發(fā)了學(xué)生的好奇心和實(shí)驗興趣。
通過(guò)探究問(wèn)題的方式可以培養學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。
通過(guò)對實(shí)驗內容的拓展，重新構建實(shí)驗設計思想、實(shí)驗方法和實(shí)驗情景，培養了學(xué)生改進(jìn)原有實(shí)驗和設計新實(shí)驗的創(chuàng )新能力，開(kāi)拓了學(xué)生的視野和思路。
參考文獻
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演示牛頓管實(shí)驗的操作技巧【3】
“自由落體運動(dòng)”是高中物理力學(xué)教學(xué)中重要的演示實(shí)驗，本節教學(xué)的重點(diǎn)和關(guān)鍵在于說(shuō)明不同物體在真空中下落快慢都是一樣的。
但學(xué)生由于受日常經(jīng)驗的影響，對重的物體落得快，輕的物體落得慢印象很深，所以教師做好該演示實(shí)驗十分重要。
教師通常演示實(shí)驗步驟如下：
實(shí)驗裝置如圖1所示，在一根長(cháng)約1.5cm的玻璃管中，放入一些形狀和重力均不同的小物體，如羽毛、小鐵片等，演示實(shí)驗步驟為：
(1)不抽出玻璃管中的空氣，首先豎直管身，使兩物體置于管底，將玻璃管在豎直平面內迅速倒轉過(guò)來(lái)，使管身豎直，兩物體置于管內頂部，這時(shí)觀(guān)察兩物體在大氣中下落情形;
(2)抽去玻璃管中部分空氣，重復步驟1中的操作，觀(guān)察兩物體在稀薄空氣中下落情形;
(3)繼續抽取玻璃管中空氣，使其逐漸接近真空，再重復步驟1操作，再觀(guān)察物體在接近真空時(shí)下落情形;
(4)接著(zhù)教師讓學(xué)生討論：從該實(shí)驗中，同學(xué)們看到什么現象，這些現象說(shuō)明了什么問(wèn)題?最后學(xué)生得出結論是在接近真空時(shí)，小鐵片(重)與羽毛(輕)下落快慢相同。
實(shí)驗的這種操作法，存在兩個(gè)明顯的缺陷：一是，迅速使管身豎直，目的是使小鐵片與羽毛同時(shí)下落，由于這個(gè)過(guò)程變化太快，學(xué)生不易觀(guān)察，怎么能使學(xué)生相信，小鐵片和羽毛是同時(shí)下落的呢?二是，實(shí)驗操作中需要逐步抽出管內空氣，由于抽取空氣要耽誤時(shí)間，就會(huì )影響課堂的教學(xué)效率。
同時(shí)，停下來(lái)用一段時(shí)間抽取空氣，再讓學(xué)生來(lái)觀(guān)察兩物體在不同密度的空氣里下落情形，這樣觀(guān)察就不連續，不利于學(xué)生進(jìn)行差異比較，妨礙了學(xué)生正確得出結論。
針對這些不足，我在上課時(shí)的實(shí)驗演示改進(jìn)為如下操作：
(1)在課前，事先將牛頓管內的空氣抽取到接近真空，首先晃動(dòng)玻璃管，使小鐵片壓住羽毛，再用一個(gè)小磁鐵吸住鐵片，再慢慢地倒立過(guò)來(lái)，如圖2所示，由于磁鐵的吸引作用，羽毛被小鐵片牢牢地壓在管頂，接著(zhù)再讓學(xué)生倒數數“3、2、1”，這時(shí)，教師松開(kāi)小磁鐵，羽毛和鐵片同時(shí)下落，學(xué)生觀(guān)察兩物體下落情形，如圖3所示;
(2)輕開(kāi)閥門(mén)，放入少許空氣(提醒學(xué)生保持安靜注意聽(tīng)，會(huì )聽(tīng)到“嗤嗤”的空氣進(jìn)入管內的聲音)，重復步驟1，觀(guān)察兩物體下落情形;
(3)打開(kāi)閥門(mén)，使其與外部相通，這樣管內充滿(mǎn)空氣，再重復上述步驟，再觀(guān)察兩物體下落情形;
(4)這時(shí)，教師引導學(xué)生分析所觀(guān)察到的現象，管內空氣密度越大，兩物體下落差別就越大。
如果逆向思維，管內空氣越來(lái)越少，結果肯定是兩物體下落的快慢越來(lái)越接近，最后，管內如果為真空時(shí)，兩物體下落快慢自然就相同了，從而得出所期望的結論。
演示實(shí)驗的功能是為了揭示現象的本質(zhì)，提高學(xué)生學(xué)習的興趣。
我啟發(fā)學(xué)生采用逆向思維的方式，演示實(shí)驗并不是不斷地抽出玻璃管中的空氣，而是首先就做“真空”情況下，再不斷地放入空氣，再來(lái)觀(guān)察物體下落的情況;這樣每次演示實(shí)驗間隔時(shí)間不長(cháng)，連續性好，也節省了實(shí)驗時(shí)間，提高了課堂教學(xué)效率。
同時(shí)，開(kāi)始時(shí)利用磁鐵吸住壓住的羽毛的小鐵片，改進(jìn)了實(shí)驗效果。
教師演示時(shí)如果不拘小節，站在凳子或講臺桌上來(lái)演示，這樣能夠使全體學(xué)生都能輕易地觀(guān)察到實(shí)驗現象，演示效果更佳。
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