牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)中讀數(shù)顯微鏡教學(xué)設(shè)計(jì)范例

周歧剛

讀數(shù)顯微鏡是光學(xué)精密機(jī)械儀器中的一種讀數(shù)裝置，是利用顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)對(duì)線紋尺的分度進(jìn)行放大、細(xì)分和讀數(shù)的長(zhǎng)度測(cè)量工具。它常被用作比長(zhǎng)儀、測(cè)長(zhǎng)機(jī)和工具顯微鏡等的讀數(shù)部件，廣泛用于較小的尺寸如線紋間距、硬度測(cè)試中的壓痕直徑、裂縫和小孔直徑等的測(cè)定等。

在高等學(xué)校開設(shè)的《普通物理》實(shí)驗(yàn)課程中，通常選取牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)來(lái)讓學(xué)生來(lái)加深對(duì)光的干涉原理的理解、觀察和研究光的等厚干涉現(xiàn)象及其特點(diǎn)，以及用牛頓環(huán)測(cè)平凸透鏡的曲率半徑。該實(shí)驗(yàn)中，對(duì)牛頓環(huán)的觀察以及各級(jí)暗環(huán)直徑的測(cè)試常用讀數(shù)顯微鏡完成。實(shí)驗(yàn)中用到的實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1所示，主要包括讀數(shù)顯微鏡、牛頓環(huán)儀、單色光源（鈉燈）、玻璃片等。其中，讀數(shù)顯微鏡是整個(gè)裝置中的重要觀察和測(cè)試工具，主要由機(jī)械部分和光具部分組成。光具部分是一個(gè)長(zhǎng)焦顯微鏡，裝在一個(gè)由絲桿帶動(dòng)的滑動(dòng)臺(tái)上，滑動(dòng)臺(tái)安裝在一個(gè)大底座上?；瑒?dòng)臺(tái)連同顯微鏡對(duì)準(zhǔn)下方，可以左右移動(dòng)。讀數(shù)顯微鏡的機(jī)械部分是根據(jù)螺旋測(cè)微器原理制造的，與螺距為1毫米的絲桿聯(lián)動(dòng)的刻度圓盤上有100個(gè)等分格，因此，它的分度值是0.01毫米，讀數(shù)顯微鏡的量程為50毫米。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中讓學(xué)生深刻理解讀數(shù)顯微鏡的結(jié)構(gòu)原理并掌握其調(diào)節(jié)和使用方法是重要的教學(xué)任務(wù)。而實(shí)驗(yàn)室的讀數(shù)顯微鏡往往在超長(zhǎng)的使用年限后磨損老化嚴(yán)重，容易出現(xiàn)一些故障，諸如標(biāo)尺刻線磨損模糊不清影；回程誤差大；毫米刻尺零位不準(zhǔn)；鏡組不隨刻度輪轉(zhuǎn)動(dòng)向移動(dòng)；鏡筒自行下滑等。以上故障維修不及時(shí)當(dāng)然會(huì)影響學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作以及測(cè)試結(jié)果。傳統(tǒng)教學(xué)中，這些故障往往由實(shí)驗(yàn)老師在學(xué)生上課之前排除，學(xué)生實(shí)驗(yàn)課在中，按照正確的操作步驟完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)試和處理。但我們發(fā)現(xiàn)較多同學(xué)做完實(shí)驗(yàn)后對(duì)讀數(shù)顯微鏡的理解和掌握并不深刻，最近我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)充分利用讀數(shù)顯微鏡的故障對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，從反面卻能夠加深學(xué)生對(duì)讀數(shù)顯微鏡結(jié)構(gòu)原理的理解，進(jìn)而掌握其正常使用與維護(hù)保養(yǎng)，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力。以下以“讀數(shù)顯微鏡毫米刻尺零位不準(zhǔn)故障對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響”教學(xué)案例為例進(jìn)行說明這種改進(jìn)的教學(xué)范例形式。

在“牛頓環(huán)測(cè)平凸透鏡的曲率半徑”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們實(shí)驗(yàn)室有12套讀數(shù)顯微鏡，其中有一套由于長(zhǎng)期使用出現(xiàn)“毫米刻尺零位不準(zhǔn)”。我們?cè)诮虒W(xué)中有意保留該故障。有部分學(xué)生甚至比較馬虎，沒有意識(shí)到儀器有“毫米刻尺零位不準(zhǔn)”故障，直接就測(cè)試記錄數(shù)據(jù)。完成20級(jí)到5級(jí)暗環(huán)左右位置坐標(biāo)的測(cè)試后，學(xué)生發(fā)現(xiàn)計(jì)算出的結(jié)果中，少數(shù)較低級(jí)數(shù)的暗環(huán)直徑卻比較高級(jí)數(shù)的暗環(huán)還大！這顯然是不符合實(shí)際情況的。接著我們讓學(xué)生在正常讀數(shù)顯微鏡下測(cè)試牛頓環(huán)20級(jí)到5級(jí)暗環(huán)左右位置坐標(biāo)并計(jì)算出各暗環(huán)直徑，得到正常實(shí)驗(yàn)結(jié)果。我們讓學(xué)生思考為什么會(huì)有前面的異常測(cè)試結(jié)果。提示學(xué)生觀察故障讀數(shù)顯微鏡的測(cè)微鼓輪零刻線對(duì)準(zhǔn)其標(biāo)線后，再觀察主尺標(biāo)線與整毫米刻線的對(duì)齊情況，學(xué)生終于“看到”了“毫米刻尺零位不準(zhǔn)”的現(xiàn)象，進(jìn)而深刻理解了其對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。最后我們讓學(xué)生查找資料，自己動(dòng)手調(diào)節(jié)讀數(shù)顯微鏡將該故障排除，并在維修好的讀數(shù)顯微鏡上再次測(cè)試，得到正常結(jié)果。

同樣的，我們讓學(xué)生們先觀察了讀數(shù)顯微鏡的“回程誤差大；鏡組不隨刻度輪轉(zhuǎn)動(dòng)向移動(dòng)；鏡筒自行下滑”等故障現(xiàn)象，最后指導(dǎo)學(xué)生自己查找資料并動(dòng)手排除相關(guān)故障。通過這種教學(xué)設(shè)計(jì)，學(xué)生們深刻理解了讀數(shù)顯微鏡的結(jié)構(gòu)原理，掌握了其正確調(diào)節(jié)和使用步驟以及常見故障的排除方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊述武等，《普通物理實(shí)驗(yàn)》（第四版）【M】.北京：高等教育出版社，2007.

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