家庭物理實(shí)驗(yàn)常遇問題及解決策略

孫英睿

摘要：家庭物理實(shí)驗(yàn) 在提高學(xué)生綜合素質(zhì)方面起著不可忽視的作用，是課堂教學(xué)的必要補(bǔ)充。但是，由于受到客觀條件的限制，家庭實(shí)驗(yàn)在操作過程中會(huì)遇到實(shí)驗(yàn)精度低、實(shí)驗(yàn)器材較難獲得的問題。結(jié)合楊氏雙縫干涉測量波長家庭實(shí)驗(yàn)，提出了解決問題的思路與辦法：加大試驗(yàn)裝置的尺寸、巧用轉(zhuǎn)化法處理問題、精簡實(shí)驗(yàn)裝置的部件、核心部件盡量正規(guī)等。

關(guān)鍵詞：家庭物理實(shí)驗(yàn) 問題 策略

一、楊氏雙縫干涉測量波長實(shí)驗(yàn)及具體操作

托馬斯·楊（Thomas Young，1773—1829）于1801年進(jìn)行了一次光的干涉實(shí)驗(yàn)，即著名的楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，并首次肯定了光的波動(dòng)性。下面是筆者的具體操作步驟。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模豪脳钍想p縫干涉原理測量波長。

實(shí)驗(yàn)器材：紅色教學(xué)激光筆、自制雙縫、遮光筒、測微顯微鏡、數(shù)碼照相機(jī)、刻度尺、硬紙板、書立。

實(shí)驗(yàn)原理：如圖：

實(shí)驗(yàn)步驟：

1.組裝實(shí)驗(yàn)裝置；

2.調(diào)節(jié)書立的高度使激光筆、雙縫、遮光筒在同一高度上；

3.打開激光筆，調(diào)節(jié)雙縫水平位置；

4.用數(shù)碼照相機(jī)連續(xù)多次拍攝條紋及刻度尺，使照片同時(shí)包含刻度線及全部亮紋；

5.用刻度尺測量雙縫至屏距離l，重復(fù)測量3次，取平均值l=41.60cm；

6.重復(fù)步驟2～5數(shù)次，獲得多組數(shù)據(jù)；

7.取下雙縫，利用測微顯微鏡測量雙縫縫寬d=0.1463mm；

8.亮條紋寬度測量方法：

⑴將實(shí)驗(yàn)步驟4中所拍攝的照片放大；⑵讀取并記錄照片中刻度尺5.0mm所對應(yīng)實(shí)際長度X1；⑶讀取并記錄照片中5個(gè)條紋間距ΔX所對應(yīng)實(shí)際長度X2；⑷根據(jù)公式計(jì)算得ΔX；⑸根據(jù)多張照片取平均值。 實(shí)驗(yàn)結(jié)論：所測激光筆的紅波波長約為647.3nm（教學(xué)激光筆激光波長參數(shù)為650nm）。

誤差分析：

1.測量d時(shí)使用測微顯微鏡，較準(zhǔn)確；測量時(shí)，絕對誤差不差過1mm，相對誤差不超過0.25%；

2.在計(jì)算ΔX的過程中，由于相機(jī)屏幕的折光影響，對照片中5mm刻度及亮條紋的實(shí)際長度影響可達(dá)0.5mm～1mm，相對誤差1.6～3.0%左右。

二、家庭做楊氏雙縫干涉測量波長實(shí)驗(yàn)可能遇到的問題

1.實(shí)驗(yàn)精度較低。家庭中由于條件所限，實(shí)驗(yàn)精度會(huì)大大降低。對于一般的定性試驗(yàn)來說，難度還不是很大。但對于精度要求較高的定量實(shí)驗(yàn)來說，家庭物理實(shí)驗(yàn)的條件就顯得不足了。筆者在家做的楊氏雙縫干涉測量波長實(shí)驗(yàn)中，條紋間距ΔX為毫米級(jí)，雙縫寬d為10-4米級(jí)，在家庭實(shí)驗(yàn)條件下很難精確測量。

2.實(shí)驗(yàn)器材較難獲得。一些專業(yè)的器材在一般家庭中很難獲得。比如在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中需要用到的光具座、測量頭、雙縫、遮光筒等。

三、解決措施

1.加大試驗(yàn)裝置的尺寸。較大的實(shí)驗(yàn)裝置不僅可以使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，還可以降低達(dá)到實(shí)驗(yàn)所要求精度的難度，從而降低試驗(yàn)的相對誤差。

2.巧用轉(zhuǎn)化法處理問題。轉(zhuǎn)化法是物理學(xué)的基本方法之一，有些問題經(jīng)過轉(zhuǎn)化，就可以由難變易，由復(fù)雜變簡單。

3.精簡實(shí)驗(yàn)裝置的部件。雙縫干涉測量波長實(shí)驗(yàn)中，光具座的主要作用是支撐和方便讀取縫屏距l(xiāng)。由于l數(shù)值較大，即便使用普通米尺測量，誤差也不會(huì)超過1%，因此，筆者在實(shí)驗(yàn)中沒有準(zhǔn)備光具座，而是改用書立和硬紙板支撐實(shí)驗(yàn)裝置，并用刻度尺直接測量l。

4.核心部件盡量正規(guī)。對家庭物理實(shí)驗(yàn)的自制雙縫而言，間距需進(jìn)行測量。由于d極小，僅約0.1mm，用常用工具根本無法測量，且極易產(chǎn)生較大的實(shí)驗(yàn)誤差，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。事實(shí)證明，在核心部件上使用精密儀器可使相對誤差減小50～80%。當(dāng)然，對于測微顯微鏡這種精密儀器，我們在使用過程中一定要仔細(xì)認(rèn)真，嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行操作。

參考文獻(xiàn)：

[1] 何科麗.開展家庭物理實(shí)驗(yàn)的探究[J].中國校外教育，2008，（7）：105.

[2]普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書 物理 選修3-4.人民教育出版社，2010.