劉立英,龍明亮,劉國慶,鄧金祥

(北京工業(yè)大學(xué),北京 100124)

PASCO實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計性應(yīng)用思路及其嘗試

劉立英,龍明亮,劉國慶,鄧金祥

(北京工業(yè)大學(xué),北京 100124)

本文利用PASCO平臺的傳感器及數(shù)據(jù)采集設(shè)備對傳統(tǒng)單縫衍射實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行改造,使單縫衍射的光強(qiáng)分布等不易觀察的物理量得到感官表現(xiàn),并能通過軟件進(jìn)行定量分析,具有良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

單縫衍射;光強(qiáng)分布;設(shè)計性實(shí)驗(yàn);PASCO傳感器

近些年隨著科學(xué)技術(shù)和教育觀念的改變,計算機(jī)及其傳感器在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用范圍越來越廣泛,形式越來越多樣化。美國 PASCO公司的科學(xué)工作室是一個將計算機(jī)數(shù)據(jù)采集與分析應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng),運(yùn)用現(xiàn)代電子技術(shù),采用傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,電腦進(jìn)行過程控制和數(shù)據(jù)處理,尤其是對一些瞬態(tài)變化的物理量能做到實(shí)時測量,對一些不易觀察的物理現(xiàn)象能實(shí)現(xiàn)感官展示。它主要由三個部分組成:計算機(jī)接口、傳感器、實(shí)驗(yàn)軟件。實(shí)驗(yàn)過程如圖1所示:

圖1 計算機(jī)數(shù)據(jù)采集與分析的實(shí)驗(yàn)過程

為了配合其計算機(jī)接口、傳感器和實(shí)驗(yàn)軟件使用,PASCO公司自己開發(fā)了一系列實(shí)驗(yàn)項目,包括一些典型的普通物理實(shí)驗(yàn)以及一些綜合性實(shí)驗(yàn)。利用這些現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)項目,在儀器配置和實(shí)驗(yàn)實(shí)施方面相應(yīng)比較容易,是目前各個學(xué)校使用PASCO實(shí)驗(yàn)平臺開展實(shí)驗(yàn)室工作的主要形式[1-2]。但這些實(shí)驗(yàn)項目的儀器配件比較昂貴;另一方面,很多典型的普通物理實(shí)驗(yàn)項目是很多高校的物理實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開設(shè)的,如果全部實(shí)驗(yàn)項目重新配備容易產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)設(shè)備冗余?？紤]PASCO公司的計算機(jī)接口和實(shí)驗(yàn)軟件對于不同實(shí)驗(yàn)項目是通用的,如果配備一套傳感器以及必備的零部件之后,通過與現(xiàn)在已有的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的合理集成,既最大限度的利用了現(xiàn)有資源,又能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)采集的自動化管理,這將是一個不錯的選擇。

本文以單縫衍射實(shí)驗(yàn)為例,利用 PASCO公司的計算機(jī)接口、傳感器和實(shí)驗(yàn)軟件,對傳統(tǒng)的單縫衍射平臺進(jìn)行改造,實(shí)現(xiàn)了自動化數(shù)據(jù)采集和處理,在開展設(shè)計性實(shí)驗(yàn)方面進(jìn)行了有益的嘗試,為PASCO實(shí)驗(yàn)平臺的應(yīng)用方式提出了一個新思路,對學(xué)生的思維創(chuàng)新和能力培養(yǎng)也大有益處。

1 單縫衍射實(shí)驗(yàn)原理

光在傳播過程中遇到障礙物,光波會繞過障礙物繼續(xù)傳播,這種現(xiàn)象稱為衍射[3]。如圖2所示,當(dāng)用散射角極小的激光器產(chǎn)生激光束,通過一個一條寬度與波長相當(dāng)?shù)莫M縫(約十分之幾毫米),在狹縫后適當(dāng)?shù)牡胤椒派嫌^察屏,就可看到衍射條紋,光強(qiáng)度在空間的分布也發(fā)生變化。這種現(xiàn)象就是單縫衍射。

通常,單縫衍射形成的明暗條紋的位置用衍射角θ表示,則:

其中,a為單縫寬度;λ為入射波長;k為衍射級數(shù)

圖2 單縫衍射

利用傳統(tǒng)的測微望遠(yuǎn)鏡或者光屏,一般能觀測或接收到單縫的衍射圖樣分布。但衍射光強(qiáng)分布只能根據(jù)理論上的光強(qiáng)分布公式作出數(shù)學(xué)分布圖,無法直接觀測。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及過程

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)用單縫衍射儀包括縫寬可調(diào)節(jié)的單縫帽套、測微望遠(yuǎn)鏡和單色光源三部分[4]。光源裝在高度可以調(diào)節(jié)的底座上,根據(jù)情況可選擇鈉光光源或者激光。實(shí)驗(yàn)時將單縫帽套套在測微望遠(yuǎn)鏡的物鏡前,望遠(yuǎn)鏡安裝在底座上,如圖3所示,通過單縫的位置及寬度調(diào)節(jié),以及望遠(yuǎn)鏡的微調(diào)螺栓和測微目鏡等調(diào)節(jié),能在望遠(yuǎn)鏡中觀測到衍射條紋。

圖3 測微望遠(yuǎn)鏡和單縫帽套結(jié)構(gòu)示意圖

本實(shí)驗(yàn)中我們將單縫帽套從測微望遠(yuǎn)鏡上取下來,利用自己設(shè)計的夾具將其固定在光具座上,實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示,其中用到的光闌,光傳感器,轉(zhuǎn)動傳感器,750接口等,是已有的熱輻射項目的實(shí)驗(yàn)配件,通用性很強(qiáng),可方便拆裝。實(shí)驗(yàn)時,激光器產(chǎn)生的光入射到單縫上,透過縫后的衍射光被帶有光闌的光感應(yīng)傳感器接收。裝置中轉(zhuǎn)動傳感器與光傳感器固連在一起,轉(zhuǎn)動傳感器用來測定位置,光感應(yīng)傳感器測量相應(yīng)位置的光強(qiáng),兩者通過PASCO接口裝置與計算機(jī)連接。

圖4 重新組裝的單縫衍射裝置

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用圖 4所示的單縫衍射裝置,通過Datastudio數(shù)據(jù)采集軟件的采集、處理和分析,得到的光強(qiáng)分布如圖5所示。從中,我們不僅能對衍射現(xiàn)象及其光強(qiáng)分布有一個直觀的、感性的認(rèn)識,而且利用軟件的分析和處理功能,如公式擬合,最值查找等等,可以定量的驗(yàn)證光強(qiáng)分布的理論公式,確定明暗條紋的精確位置等等。

圖5 利用組裝的設(shè)備得到的單縫衍射光強(qiáng)分布圖

4 總 結(jié)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是高校一門重要的公共基礎(chǔ)課,在培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力方面具有重要的基礎(chǔ)作用。近些年隨著科學(xué)技術(shù)和教育觀念的改變,教育技術(shù)手段和方法不斷改革和創(chuàng)新。本文中利用PASCO實(shí)驗(yàn)平臺的傳感器和計算機(jī)對現(xiàn)有單縫衍射實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行改造,使光強(qiáng)以及光強(qiáng)分布等不易感官觀察的物理量得到定量表達(dá),具有良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。教師和學(xué)生自己設(shè)計實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測量和研究的過程,對于提高教師的實(shí)驗(yàn)技能、教育水平,提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、動手能力都大有裨益。另外,以現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為依托,巧妙的嵌入現(xiàn)代化教育元素,對于一些資金、設(shè)備等受限制的學(xué)校不失為一種有效的措施,也為新的儀器設(shè)備和儀器手段的更有效利用提出了一種新思路。

[1]陳修芳.亥姆霍茲線圈磁場分布及其測量[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2009,22(3).

[2]朱禮軍,魏昕,喻穎.利用 PASCO傳感器研究管中聲波的共振,Vo1.28,10,2008,10.

[3]姚啟鈞.光學(xué)教程[M].3版.北京:高等教育出版社,2002.

[4]鄧金祥,劉國慶.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社,2005.

Design Experiment Pattern Based on the PASCOPhysics Platform

LIU Li-ying,LONG Ming-liang,LIU Guo-qing,DENGJin-xiang

(Beijing University of Technology,Beijing 100124)

In this paper,the PASCOplatform sensors are used intOthe traditional diffraction experiment and the distribution of the diffracted luminous intensity is presented intuitively.In addition,the diffraction result can be analysed quantitatively through the DataStudiOsoftware,provided good experiment effect.

diffraction experiment;luminous intensity;designable experiment;sensors of PASCOplatform

O4-39

A

1007-2934(2011)03-0082-03

2010-10-28

北京工業(yè)大學(xué)教育研究立項(ER2009-C-69)