基于仿真實(shí)驗(yàn)平臺改善牛頓環(huán)教學(xué)效果研究

摘要：本文以大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)操作讀數(shù)顯微鏡的教學(xué)為例，結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)的操作演示。此對于改善牛頓環(huán)教學(xué)質(zhì)量具有較為明顯的成效。

關(guān)鍵詞：牛頓環(huán);仿真實(shí)驗(yàn)平臺;輔助教學(xué)

1.前言

牛頓環(huán)具體現(xiàn)象為：用單色光（或復(fù)色光）照射放在平面玻璃上的平凸透鏡，其現(xiàn)象是明暗相間的單色（彩色）同心圓，相鄰?fù)膱A的距離隨著遠(yuǎn)離圓心將越來越近[1]。牛頓環(huán)是一種薄膜干涉現(xiàn)象，球面上的透射和平面上的反射光線是兩束相干光，經(jīng)相互干涉形成干涉條紋。在干涉現(xiàn)象中，不論何種干涉，相鄰干涉條紋（亮紋或暗紋）的光程差的改變量都等于相干光的波長，可見光的波長雖然很小，但干涉條紋間的距離或干涉條紋的數(shù)目是可以計(jì)量的。因此，通過對干涉條紋數(shù)目或條紋移動(dòng)數(shù)目的計(jì)量，可以得到以光的波長為單位的光程差。利用光的等厚干涉可以測量光的波長，檢驗(yàn)表面的平面度，球面度，光潔度，以及精確測量長度，角度和微小形變等，在科學(xué)研究與計(jì)量技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。

在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，要觀察到清晰的牛頓環(huán)現(xiàn)象以及準(zhǔn)確測量牛頓環(huán)不同環(huán)的直徑，需要求學(xué)生較為熟練使用讀數(shù)顯微鏡。由于儀器調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)測量需要結(jié)合現(xiàn)象去操作，作為教師要讓學(xué)生能較為更快理解相應(yīng)操作原理，需要解決的主要問題是牛頓環(huán)現(xiàn)象與具體操作調(diào)節(jié)的同步呈現(xiàn)。例如，調(diào)節(jié)讀數(shù)顯微鏡物鏡焦距 看清牛頓環(huán)現(xiàn)象;調(diào)整鈉燈角度位置防止光源不足影響觀察及測量等操作都需要實(shí)驗(yàn)者親自通過顯微鏡觀察，教師一對多教學(xué)的操作演示就會(huì)存在局限性，最終導(dǎo)致學(xué)生不理解操作嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)精度[2]。因?yàn)檫@種問題的存在，此類實(shí)驗(yàn)往往會(huì)出現(xiàn)老師講解后，學(xué)生較難理解的情況。

2.牛頓環(huán)基本原理

在平板玻璃面上放一個(gè)曲率半徑很大的平凸透鏡，這樣在凸透鏡和平面玻璃之間，形成一層厚度不均勻的空氣薄膜，單色光從上方垂直入射到透鏡上，透過透鏡，近似垂直地入射于空氣膜。分別從膜的上下表面反射的兩條光線來自同一條入射光線，它們滿足相干條件并在膜的上表面相遇而產(chǎn)生干涉，干涉后的強(qiáng)度由相遇的兩條光線的光程差決定，二者的光程差△’ 等于膜厚度e的兩倍，即△’ =2e

此外，當(dāng)光在空氣膜的上表面反射時(shí)，是從光密媒質(zhì)射向光疏媒質(zhì)，反射光不發(fā)生相位突變，而在下表面反射時(shí)，則會(huì)發(fā)生相位突變，即在反射點(diǎn)處，反射光的相位與入射光的相位之間相差 ，與之對應(yīng)的光程差為 /2，所以相干的兩條光線還具有 /2的附加光程差，總的光程差為

在實(shí)際問題中，考慮到由于玻璃的彈性形變及接觸處不干凈等因素，透鏡和玻璃板之間不可能是一個(gè)理想的點(diǎn)接觸。這樣一來，干涉環(huán)的圓心就很難確定，rk就很難測準(zhǔn)，而且在接觸處，到底包含了幾級條紋也難以知道，這樣級數(shù)k也無法確定。在實(shí)驗(yàn)中，我們選擇兩個(gè)離中心較遠(yuǎn)的暗環(huán)，假定他們的級數(shù)為m和n，測出它們直徑dm = 2rm，dn = 2rn，由此得出

從這個(gè)公式可以看出，只要我們準(zhǔn)確地測出某兩條暗紋的直徑，準(zhǔn)確地?cái)?shù)出級數(shù)m和n之差（m-n）（不必確定圓心也不必確定具體級數(shù)m和n），即可求得曲率半徑R。

3.利用仿真實(shí)驗(yàn)操作演示

如圖所示，利用鼠標(biāo)點(diǎn)擊對應(yīng)位置即可調(diào)節(jié)相應(yīng)位置的參數(shù)，例如點(diǎn)擊顯微鏡目鏡鏡筒位置，可調(diào)出觀察窗口，觀察窗口中的干涉現(xiàn)象隨著調(diào)節(jié)對應(yīng)發(fā)生變化。例如鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊目鏡位置箭頭可調(diào)節(jié)觀察窗口中十字叉絲順（逆）時(shí)針旋轉(zhuǎn);鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊物鏡旋鈕可調(diào)節(jié)顯微鏡鏡筒高度，改變觀察窗口干涉圖像的清晰程度;鼠標(biāo)左右鍵點(diǎn)擊反光鏡，調(diào)節(jié)射入光強(qiáng)，改變觀察窗口干涉圖像的明亮程度;鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊測微鼓輪，調(diào)出微調(diào)標(biāo)尺窗口，調(diào)節(jié)測微鼓輪，標(biāo)尺讀數(shù)改變，觀察窗口中的十字叉絲隨著測微鼓輪的轉(zhuǎn)動(dòng)左右平移?；诜抡孀x數(shù)顯微鏡的演示，儀器的操作與現(xiàn)象非常直觀地展現(xiàn)出來。

4.結(jié)束語

在牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)讀數(shù)顯微鏡的操作過程當(dāng)中，許多儀器的調(diào)節(jié)需結(jié)合實(shí)驗(yàn)者所觀察到的現(xiàn)象進(jìn)行操作，教學(xué)效果往往不理想。通過教師利用投影仿真實(shí)驗(yàn)的操作畫面，學(xué)生能夠非常直觀地觀察到操作和同步現(xiàn)象直接聯(lián)系，從而加深對該實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)操作的理解。將仿真實(shí)驗(yàn)平臺作為牛頓環(huán)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助工具，在一定程度上能提高實(shí)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]朱曉梅，向偉銘，姜向東.牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理改進(jìn)及圖像分析[J].物理與工程，2019，29（03）：55-58+62.

[2]韓湖斌.牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)讀數(shù)誤差分析及改進(jìn)方法研究[J].科技資訊，2019，17（07）：227-229.

作者簡介：劉祥（1991.09-），男，漢族，四川成都人，講師，碩士，主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教育研究。