李志剛，王明吉，曹 文

（東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 163318）

雙棱鏡干涉實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)演示的可視化研究

李志剛，王明吉，曹 文

（東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 163318）

傳統(tǒng)的雙棱鏡干涉實(shí)驗(yàn)是通過(guò)測(cè)微目鏡來(lái)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的，其視場(chǎng)很小，不利于課堂教學(xué)演示。針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行課堂教學(xué)演示的可視化研究，引入攝像頭觀測(cè)，增強(qiáng)了課堂教學(xué)演示的直觀性，提高了課堂教學(xué)演示的效率和質(zhì)量。

雙棱鏡干涉；測(cè)微目鏡；攝像頭；教學(xué)演示；干涉條紋

雙棱鏡干涉實(shí)驗(yàn)是大多數(shù)高校開設(shè)的重要的光學(xué)實(shí)驗(yàn)之一，該實(shí)驗(yàn)在物理思想、實(shí)驗(yàn)方法以及測(cè)量技巧上都具有較高的教學(xué)價(jià)值［1］，是利用簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)器材通過(guò)對(duì)宏觀量的觀測(cè)測(cè)量微觀量的典型實(shí)驗(yàn)之一。但目前大部分高校在該實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)中存在不少問(wèn)題：一是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象大都是通過(guò)測(cè)微目鏡進(jìn)行觀察，教師演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生一般看不到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及其隨儀器調(diào)整的變化情況；二是用共軛成像法測(cè)量?jī)商摴庠吹木嚯x時(shí)，很多學(xué)生認(rèn)不清到底哪個(gè)是清晰的放大像（縮小像）；三是學(xué)生用在儀器調(diào)節(jié)上的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)難以完成實(shí)驗(yàn)；四是個(gè)別學(xué)生在使用測(cè)微目鏡測(cè)量讀數(shù)時(shí)還存在問(wèn)題。這些問(wèn)題既影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的正常進(jìn)行，也不易取得好的教學(xué)效果，教學(xué)目的也就很難達(dá)到。從《雙棱鏡干涉實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)淺議》［2］一文中拍攝的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象照片得到啟發(fā)，筆者在教學(xué)中針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)該實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)演示進(jìn)行了可視化研究，增強(qiáng)了課堂教學(xué)的直觀性，進(jìn)一步提高了該實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)演示的效率和質(zhì)量。

從筆者掌握的資料分析，很多院校該實(shí)驗(yàn)的調(diào)試操作大都是在1.2～1.5 m的導(dǎo)軌上進(jìn)行的，學(xué)生很難在調(diào)整儀器的同時(shí)觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的變化，這也是該實(shí)驗(yàn)調(diào)試操作的一大問(wèn)題。本實(shí)驗(yàn)室也是采用大多數(shù)院校普遍采用的實(shí)驗(yàn)器材：鈉光燈、棱脊夾角為179°左右的雙棱鏡、焦距為十幾厘米的輔助透鏡等，并在1.5 m的導(dǎo)軌上共用一個(gè)鈉光燈擺放了兩套實(shí)驗(yàn)裝置。這樣，絕大多數(shù)學(xué)生都能做到在調(diào)整儀器的同時(shí)觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的變化，多年來(lái)實(shí)驗(yàn)效果一直很好。

1 具體作法

1.1 方案選擇

該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和測(cè)量目前在大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室中都是通過(guò)測(cè)微目鏡進(jìn)行的，由于測(cè)微目鏡的視場(chǎng)很小，觀察者的眼睛必需靠近它才能觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并且其視場(chǎng)的亮度也較低。因此，該實(shí)驗(yàn)在課堂教學(xué)演示中學(xué)生一般看不到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及其隨儀器調(diào)整的變化情況。這使課堂教學(xué)演示的效果不佳，也使學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)的儀器狀態(tài)與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的對(duì)應(yīng)關(guān)系的了解大打折扣，進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)這樣那樣的問(wèn)題。也是由于測(cè)微目鏡的視場(chǎng)小、視場(chǎng)亮度低，該實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)大都在暗室中進(jìn)行，許多視力不好的學(xué)生在教師演示實(shí)驗(yàn)時(shí)看不清實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，在他們自己做實(shí)驗(yàn)時(shí)難免會(huì)出問(wèn)題了。因而，擴(kuò)大該實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)視場(chǎng)、提高其觀測(cè)視場(chǎng)的亮度就成為改善該實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)演示效果的關(guān)鍵因素。

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，電腦、攝像機(jī)、攝像頭、數(shù)碼相機(jī)等高科技產(chǎn)品在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用日益廣泛。一些有條件的實(shí)驗(yàn)室把電腦、攝像機(jī)引入實(shí)驗(yàn)中，取得了相當(dāng)好的效果［3－6］，但因其資金投入較大等原因難以普及。有人撤掉測(cè)微目鏡，在遠(yuǎn)處放上接收屏，也能很好地觀察到虛光源的像及干涉條紋［7］。但這種方法只適合激光等光強(qiáng)比較強(qiáng)的待測(cè)光，對(duì)于鈉光燈等強(qiáng)度一般的光源則不適合，而目前大部分高校在該實(shí)驗(yàn)中采用的光源卻都是鈉光燈。將攝像頭引入雙棱鏡干涉實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)演示中，可擴(kuò)大該實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)視場(chǎng)、提高其觀測(cè)視場(chǎng)的亮度。這樣既可克服傳統(tǒng)觀測(cè)手段的不足，增強(qiáng)課堂教學(xué)演示的直觀性，又可避免大的資金投入。

1.2 實(shí)施過(guò)程

該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置一般是安放在上下左右位置均可調(diào)的滑塊上，滑塊按鈉燈、狹縫、雙棱鏡、透鏡（儀器共軸調(diào)節(jié)以及測(cè)量?jī)商摴庠撮g距d時(shí)用）、測(cè)微目鏡的順序擺放在導(dǎo)軌上，見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

本實(shí)驗(yàn)采用WAT-202B型攝像頭和CE-7014C型顯示器，對(duì)該實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)演示的可視化進(jìn)行了研究。具體做法是：將攝像頭固定在上下左右位置均可調(diào)的滑塊上，并將其與顯示器連接。在該實(shí)驗(yàn)的儀器調(diào)節(jié)過(guò)程中，該滑塊始終隨著測(cè)微目鏡的滑塊一起運(yùn)動(dòng)，并注意保持這兩個(gè)滑塊間的距離不變，同時(shí)還應(yīng)隨時(shí)調(diào)整攝像頭和測(cè)微目鏡的焦距，確保顯示器始終都能清晰地顯示出測(cè)微目鏡視場(chǎng)中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。這樣，該實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)的調(diào)試方法和步驟沒(méi)變，但在教師進(jìn)行課堂教學(xué)演示時(shí)，每個(gè)學(xué)生都能看清相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及其隨儀器調(diào)節(jié)的變化情況，提高了該實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)演示的效率和質(zhì)量。

1.3 實(shí)際效果

采用三星S500型數(shù)碼相機(jī)將該實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)演示中引入攝像頭后的實(shí)際效果拍攝了下來(lái)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的清晰度和亮度都很好。

干涉的基本前提是存在兩個(gè)相干光源，所以應(yīng)先找到兩虛光源的交疊區(qū)域，其特點(diǎn)就是比視場(chǎng)的其他部分亮（兩虛光源同時(shí)照到）。由于測(cè)微目鏡的視角有限，將其移近雙棱鏡則會(huì)增大視角，有利于尋找兩虛光源的交疊區(qū)域（亮帶，只占視場(chǎng)的一小部分）。狹縫的寬度適度調(diào)窄，然后調(diào)節(jié)測(cè)微目鏡的左右位置，尋找到該亮帶后再次改變狹縫的寬度，使視場(chǎng)中的亮帶最明顯，見圖2。

找到兩虛光源的交疊區(qū)域（亮帶）后，只需調(diào)整狹縫的寬度以及雙棱鏡的棱脊與狹縫的平行度就可觀察到清晰的干涉條紋（具體方法可參見文獻(xiàn)［2］）。例如，先調(diào)整雙棱鏡的棱脊與狹縫的平行度使干涉條紋的清晰度達(dá)到最好，若還不夠理想則可稍微調(diào)整狹縫的寬度。如此反復(fù)調(diào)節(jié)，直至觀察到清晰明亮的干涉條紋。若該條紋未處在測(cè)微目鏡的視場(chǎng)中心，則可調(diào)整測(cè)微目鏡的左右位置以方便測(cè)量，見圖3。

圖2 兩虛光源的交疊區(qū)域——亮帶

圖3 干涉條紋

在多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)許多學(xué)生在測(cè)量?jī)商摴庠吹姆糯笙窈涂s小像時(shí)認(rèn)不清到底哪個(gè)是清晰的像。筆者將兩虛光源清晰的像、不太清晰的像以及調(diào)整輔助透鏡過(guò)程中非常不清晰的像都拍攝出來(lái)，見圖4。常有學(xué)生將d圖所示不清晰的像當(dāng)做清晰的像來(lái)測(cè)量的根本原因就是他們沒(méi)有看清（到）教師課堂教學(xué)演示中調(diào)整輔助透鏡的位置時(shí)兩虛光源像的變化情況，現(xiàn)在這一問(wèn)題得到了很好的解決。

圖4 兩虛光源的像

也有學(xué)生在使用測(cè)微目鏡讀數(shù)時(shí)出問(wèn)題的，筆者也將其拍攝下來(lái)了，見圖5（從圖a和圖b可看出轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微目鏡的讀數(shù)鼓輪時(shí)十字叉絲在主尺上的位置變化情況）。這樣，教師在演示、講解測(cè)微目鏡的讀數(shù)方法和注意事項(xiàng)時(shí)，學(xué)生會(huì)有非常直觀的印象，從而提高課堂教學(xué)演示的效率和質(zhì)量。

圖5 測(cè)微目鏡的主尺和叉絲

3 結(jié)束語(yǔ)

在雙棱鏡干涉實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)演示中引入攝像頭，擴(kuò)大了觀測(cè)視場(chǎng)，使該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)演示更加形象直觀，可使學(xué)生觀察到教學(xué)演示過(guò)程中實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象隨儀器調(diào)節(jié)而變化的每個(gè)細(xì)節(jié)，從而加深其對(duì)該實(shí)驗(yàn)的理解和認(rèn)識(shí)，減少其在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出錯(cuò)的幾率。因此，該課堂教學(xué)演示可視化方案能更有效地培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、思維能力和創(chuàng)新能力，可進(jìn)一步地提高課堂教學(xué)演示的效率和質(zhì)量。并且這一方案既不需要太多的資金投入，也不會(huì)改變?cè)搶?shí)驗(yàn)傳統(tǒng)的操作和測(cè)量方式，其傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)得以完整保留?？傊瑢z像頭引進(jìn)到該實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)演示中，不僅提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣、開闊了學(xué)生的視野，實(shí)現(xiàn)了課堂教學(xué)演示手段的現(xiàn)代化，而且其實(shí)現(xiàn)和普及均比較容易。

［1］ 趙凱華，鐘錫華.光學(xué)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，1984.

［2］ 李志剛，曹文，張利巍.雙棱鏡干涉實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)淺議［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2010，23（4）：87-89.

［3］ 余小英.雙棱鏡干涉實(shí)驗(yàn)中現(xiàn)代化觀測(cè)手段的應(yīng)用［J］.凱里學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，26（6）：27-29.

［4］ 羅旺，艾瑞波.雙棱鏡干涉實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)代化改進(jìn)［J］.高師理科學(xué)刊，2006，26（3）：105-107.

［5］ 彭葆進(jìn)，李勇，金洪震等.CCD滲入雙棱鏡實(shí)驗(yàn)——計(jì)算機(jī)輔助普通物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的嘗試［J］.大學(xué)物理，2001，20（9）：34-37.

［6］ 張永炬，洪方泰，馮尚申等.CCD器件在光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，1999（2）：71-73.

［7］ 廖立新，劉生長(zhǎng)，米賢武.用雙棱鏡測(cè)激光波長(zhǎng)的簡(jiǎn)單方法［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2007，27（7）：34-35.

Visualization Study of Classroom Teaching Demonstration in Bi-prism Interference Experiment

LI Zhi-gang，WANG Ming－ji，CAO Wen

（Northeast Petroleum University，Heilongjiang Daqing 163318）

The traditional bi-prism interference experiment is through micro eyepiece to observe experimental phenomena，which field of view very small，so it is not conductive to classroom teaching demonstration.To solve this problem，this article proceed the visualization study of classroom teaching demonstration through bringing in camera，which strengthen the intuitiveness of classroom teaching demonstration，and heighten the efficiency and quality of classroom teaching demonstration.

bi-prism interference；micro eyepiece；camera；teaching demonstration；interference pattern

O 436.1

A

1007-2934（2011）05-0067-03

2011-03-06