使用自制光电等厚干涉实验仪的教学实践和效果

1、使用自制光电等厚干涉实验仪的教学实践和效果         【摘要】  数理学院物理实验室自制出新型“光电等厚干涉实验仪”，并应用于教学实践，取得了良好的教学效果。从而说明操作简便、测量精度好、科技含量高的新仪器能大大地激发学生的学习兴趣，提高教学质量。 【关键词】  大学物理实 光电等厚干涉实验仪 教学实践 教学效果Abstract  The physics laborator of mathematics and physics has developed a new photoe

2、lectric experimental instrument for equal thickness interference and introduced the instrument into teaching practice,which resulted in well teaching effect.this paper shows that the new convenient advanced instrument can inspire greatly students with interest of studying ande improve the teaching q

3、uality.   Key words   tphotoelectric experimental instrument for equal thickness interference;teaching practise:teaching effort牛顿环干涉实验是大学物理实验教学中一个重要的基础实验，传统的牛顿环实验是通过读数显微镜对牛顿环的干涉条纹进行测量，进而计算出平凸透镜的曲率半径。测量时，为保证精度，一般需要测到几十环的干涉同心圆环的直径，学生很容易在数环时由于视力疲劳引起条纹记数错误，如果中途出现碰撞、振动等干扰还会造成“回程误差”。另外

4、，读数显微镜的读数范围小，无法看见全场的牛顿环干涉图样，直观性也不好。总之，由于传统仪器设备老旧，操作繁杂，测量精度不高，长期以来学生对学习、操作这个实验兴趣不大，不少同学还对做物理实验缺乏信心。   为配合大学物理实验课程教学改革，提高教学质量，我们引入现代教育技术，在教学中融入当今高新科技元素，将CCD技术应用于牛顿环实验，在监视器屏幕上实现数字化测量，研制成光电等厚干涉仪。它操作简便，直观性强，易于准确测量，在投入教学实践后，取得了较好的效果。1  光电等厚干涉仪    光电等厚干涉仪是南华大学物理实验室研制的新型物理实验仪器，它由显微镜

5、、监视器、CCD、摄像头、测量电路、牛顿环装置、光刻标尺等组成，其系统结构如图1所示。   该仪器将光的干涉条纹图像信号转换为电信号在监视器屏幕上显示，并采用数字逻辑电路在监视器屏幕上产生两条能在水平方向上移动的测量线，调整两测量线在屏幕上的位置，使其分别与待测物两端重合，数码显示器的显示即与待测物的长度对应，实现了直接在监视器屏幕上对所观察的图像进行数字化测量 。在在牛顿环法测量透镜的曲率半径实验中，先将刻有标准长度的光刻标尺像于监视器屏幕上，调整两测量线分别与代表适当长度（用L标 表示）的两刻线对齐，此时数码显示器记数用N标 表示，再将牛顿环装置产生的干涉条纹成像于屏幕

6、上，调整两测量线分别与某一级干涉环两侧相切，此时数码显示器的计数用N测 表示，则所测环的直径可用下面的公式计算   d=N测N标×L标   光电等厚干涉实验仪引入新的测量方法，改传统的机械螺旋测量为电测量。2  教学实践和教学效果自2004年开始，在本校大学物理实验课程中我们用自制光电等厚干涉仪代替传统仪器，历时约4年，有近万名理工科学生使用新仪器做光的等厚干涉实验。相比之前，学生学习的积极性被充分调动，课堂气氛活跃，测量结果精确，取得了良好的教学效果，现归纳为以下几个方面。2.1  将现代技术融入传统实验，激发学生学习兴趣

7、   光电等厚干涉实验仪加入CCD技术，改传统的机械螺旋测量为电测量，便于演示，从监视器上看到的干涉条纹清晰直观。投入教学后，学生一改以往做实验时按照实验步骤机械地完成，表现出对新仪器，对干涉现象浓厚的兴趣。同学们对通过移动监视器上的两根测量线就能准确地测出干涉同心圆环的直径非常好奇，或询问老师，或课后查找相关资料，开阔视野的同时，也加深了实验原理的理解。很多同学在完成要求的实验内容后，尝试改变牛顿环仪3个螺丝的松紧程度，或把一根头发夹在平凸透镜和玻璃片之间，观察新的现象，并在老师的引导下，积极思考成因，整个实验过程变得轻松愉快，更重要的是激发了学生主动探索科学的欲望。甚至

8、有的同学在做完该实验几周后又回到实验室要求重做一次，这是未有过先例的。         2.2  操作简便，提高课时利用率   传统实验中用直接读数显微镜测量干涉条纹，操作繁杂不便，导致不少学生存在畏难情绪。而使用光电等厚干涉仪做同一个实验，学生可以在监视器屏幕上轻松地观察干涉条纹，测量牛顿环的直径和劈尖干涉条纹间距，不用一边看显微镜的目镜，一边手摇测量鼓轮，只需调节仪器面板的测量旋钮使两测量线分别与某一级干涉环两侧相切记录数码显示器记数即可，不易有视力疲劳 ，提高了测量速度。原来需要

9、做3个学时的牛顿环干涉实验，现缩减为12个学时，就可以增补上波长测量、劈尖干涉等实验内容，有效得提高了课时利用率。2.3  减小误差，提高测量精度   读数显微镜是采用刻尺和读数鼓轮进行读数的，刻尺的最小分度值是0.01mm,又由于视差和回程误差的影响，测量结果的相对误差在5% 左右，精度偏低。而自制GDZ-1光电等厚干涉仪仪器最小分度值：4倍物镜1.1m ，40倍物镜为0.11m ；仪器相对误差：屏幕中心50%区域内0.5%，满屏0.8%，极为有效地提高了实验的测量精度。现给出一组学生的测量数据为例   用牛顿环法测定透镜的曲率半径 

10、; 实验仪器：GDZ-1近代光电综合实验仪   = 589.3nm  L标 = 2.000mm  N标=1799   R=109.89mm   =（ N2m-N2n )L标4（m-n)N2标 = 1685284.375×2.00024×8×17992×5893×10-7=110.45mm   E=|-R0|R0×100%=110.45-109.89109.89×10%   =5.09%8%3  结束语   提高学生的学习兴趣是提高教学质量的基础之一。近几年光电等厚干涉实验仪在多所高校投入大学物理实验的实践表明，科技含量高、操作方便、测量精度高的实验仪器有助于提高学生对大学物理实验的兴