陳洪云，鄭安壽，張光勇

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢　30074)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)研究性教學(xué)的探討與實(shí)踐
——液晶的電光效應(yīng)及其應(yīng)用

陳洪云，鄭安壽，張光勇

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢30074)

摘 要：本文以液晶的電光效應(yīng)為例，介紹了如何在傳統(tǒng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中適當(dāng)引入研究?jī)?nèi)容，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，探索在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行研究性教學(xué)的途徑，使大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)成為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的課程，有效實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新能力的滲透式培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)；研究性教學(xué)；創(chuàng)新人才培養(yǎng)；液晶

1對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的思考

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是理工科大學(xué)院校學(xué)生必修的一門(mén)公共基礎(chǔ)課，是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，在全面提高學(xué)生科學(xué)素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力方面具有其他學(xué)科不可替代的重要作用。目前國(guó)內(nèi)大部分高校開(kāi)設(shè)的物理實(shí)驗(yàn)都采用了幾十年的傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本上只注重基礎(chǔ)性內(nèi)容，多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，它們只需要最簡(jiǎn)單的儀器和設(shè)備、按照實(shí)驗(yàn)講義上的操作步驟，就能得出最直觀的物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和最根本、單純的科學(xué)結(jié)論，但實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)技巧和實(shí)驗(yàn)方法缺乏創(chuàng)新思想。這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式不能有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，束縛學(xué)生科學(xué)思維能力的發(fā)展，不利于對(duì)學(xué)生進(jìn)行科研素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。雖然大多數(shù)高校對(duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系都有一定程度的研究，但沒(méi)有一套完整的培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，并且科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的新發(fā)展以及工程技術(shù)領(lǐng)域的新應(yīng)用在日常實(shí)驗(yàn)教學(xué)中極少反映，所以很難激發(fā)學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)興趣，大大制約了物理實(shí)驗(yàn)課程的發(fā)展[1-3]。

目前全國(guó)不少高校在對(duì)理工科各專(zhuān)業(yè)學(xué)生的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，開(kāi)展了較為深入的培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，在傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的同時(shí)通過(guò)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)、虛擬實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽以及參與新實(shí)驗(yàn)設(shè)備研制等多種激勵(lì)機(jī)制，其目的是改變學(xué)生被動(dòng)接受的學(xué)習(xí)模式，加強(qiáng)科學(xué)研究方法的學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生把注意力放在實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)上，培養(yǎng)學(xué)生的自主能力和科研能力，提高其實(shí)驗(yàn)素質(zhì)[4-10]。

本文以我校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心開(kāi)設(shè)的液晶的電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)為例，論述我校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與改革。液晶作為一種高分子材料，因其特殊的物理、化學(xué)、光學(xué)性質(zhì)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于輕薄的顯示技術(shù)上[11,12]，在實(shí)驗(yàn)講解時(shí)，簡(jiǎn)單介紹液晶顯示技術(shù)在我們生活中的應(yīng)用，能激發(fā)學(xué)生的興趣，使學(xué)生由被動(dòng)的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。

2液晶的電光效應(yīng)

本實(shí)驗(yàn)所用儀器為杭州精科儀器有限公司生產(chǎn)的FB738型液晶電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀，實(shí)驗(yàn)光路圖如圖1所示。

圖1　液晶光強(qiáng)調(diào)制實(shí)驗(yàn)光路圖

光學(xué)導(dǎo)軌上依次同一高度擺放氦氖激光器、前表面帶起偏板的液晶盒、檢偏版、光電探測(cè)器，并用導(dǎo)線與控制主機(jī)相連。由實(shí)驗(yàn)控制主機(jī)對(duì)激光器提供電源，液晶盒兩端的驅(qū)動(dòng)電壓可以通過(guò)控制主機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，光線透過(guò)液晶盒與檢偏板后被光電探測(cè)器接收，光電探測(cè)器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并反饋到控制主機(jī)上的光功率顯示窗口上，可以直接讀出接收到的光功率大小，從而得到光隨電壓的變化數(shù)據(jù)。

根據(jù)表格數(shù)據(jù)，以透光度為y軸，驅(qū)動(dòng)電壓為x軸，用Excel工具作出透光度隨電壓變化的液晶電光特性曲線圖，如圖2：

圖2　電光特性曲線圖

通過(guò)上面的數(shù)據(jù)我們的可以得到閾值電壓Uth=0.8 V ，當(dāng)液晶樣板的透光度達(dá)到90%時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓稱為飽和電壓，Ur=4.3 V，它是施加在液晶上的電壓數(shù)值所獲得的最大對(duì)比度的標(biāo)志，它的數(shù)值越小，因?yàn)樾枰碾妷狠^低，則功耗越小，從而壽命越長(zhǎng)，那么反應(yīng)了此液晶的顯示效果越好。實(shí)驗(yàn)所測(cè)量的參數(shù)包括最大光功率Wmax=4.5 μW以及最小光功率Wmin=0.9 μW。它們的比值即為對(duì)比度Dr=Wmax/Wmin=5，飽和電壓與閾值電壓的比值稱為陡度β=Ur/Uth=2.17。

3液晶時(shí)間響應(yīng)特性的測(cè)定

如果液晶的響應(yīng)時(shí)間越短，那么它顯示動(dòng)態(tài)圖像的效果就越好，液晶的響應(yīng)時(shí)間是液晶顯示器的重要指標(biāo)，所以測(cè)定液晶的時(shí)間響應(yīng)特性在現(xiàn)實(shí)中具有重要的指導(dǎo)意義。當(dāng)加上或去掉驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，能使液晶的分子排列發(fā)生變化，這種重新排列是需要時(shí)間的，用示波器通過(guò)主機(jī)轉(zhuǎn)換就能測(cè)出時(shí)間響應(yīng)曲線，本實(shí)驗(yàn)測(cè)得液晶樣品時(shí)間響應(yīng)曲線如圖3所示。

圖3　液晶樣品時(shí)間響應(yīng)曲線

通過(guò)示波器顯示的數(shù)值我們得出了上升時(shí)間Tr=247.8 μS 以及下降時(shí)間Td=298.8 μS。

4液晶相位調(diào)制實(shí)驗(yàn)光路圖

在一般的實(shí)驗(yàn)教材講義中，大多要求學(xué)生把上面的有關(guān)液晶的性質(zhì)測(cè)量出以后，就不再有其他的實(shí)驗(yàn)要求。為了幫助學(xué)生打開(kāi)思路，激發(fā)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程中建議學(xué)生能否與其他的實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，深入學(xué)習(xí)液晶的性質(zhì)及其應(yīng)用。下面是我校實(shí)驗(yàn)中心學(xué)生設(shè)計(jì)的液晶在邁克遜干涉實(shí)驗(yàn)中的相位調(diào)制實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)光路如下圖4所示：

圖4　液晶相位調(diào)制實(shí)驗(yàn)光路圖

液晶相位調(diào)制實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)光路為基于邁克遜干涉儀的光路，將液晶盒至于其中一條光路之上，氦氖激光器發(fā)出的光波長(zhǎng)為632 nm，經(jīng)擴(kuò)束鏡L的擴(kuò)束準(zhǔn)之后由邁克遜干涉儀的分束鏡分為兩束，其中一束經(jīng)過(guò)液晶盒的調(diào)制并由反射鏡M1反射回來(lái)，另一束不經(jīng)過(guò)液晶盒的調(diào)制經(jīng)過(guò)補(bǔ)償板并由反射鏡M2反射回來(lái)稱為參考光，參考光與被液晶盒調(diào)制的光在觀察屏W上發(fā)生干涉，所以可以用這個(gè)基于邁克遜干涉儀的光路進(jìn)行液晶盒的相位調(diào)制實(shí)驗(yàn)。

手動(dòng)調(diào)控驅(qū)動(dòng)電壓從0開(kāi)始逐漸增大，用相機(jī)拍下干涉條紋隨外加電壓的變化情況，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)了如下規(guī)律：

(1)驅(qū)動(dòng)電壓約在0～0.96 V之間，干涉條紋圖像沒(méi)有明顯變化，未觀測(cè)到干涉條紋的吞進(jìn)或吐出現(xiàn)象，說(shuō)明相位調(diào)制量在該區(qū)間變化較平緩。

圖5　干涉條紋隨電壓的變化圖

(2)驅(qū)動(dòng)電壓約在0.96～1.68 V之間，我們觀測(cè)到干涉條紋隨著電壓的變化比較明顯，在調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓的過(guò)程中觀測(cè)到有一條暗紋從原本是亮紋的干涉圓環(huán)的中心吐出，圖5是采集到的從干涉暗條紋出現(xiàn)開(kāi)始并逐漸從干涉圓環(huán)中心吐出的干涉條紋的圖像。

電壓在0.96～1.68 V之間時(shí)，觀測(cè)到干涉條紋隨著電壓的增加有著明顯的吐出，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀測(cè)到有一條暗紋在干涉圓環(huán)的中心吐出，說(shuō)明相位調(diào)制在該電壓區(qū)段比較劇烈。根據(jù)邁克遜干涉儀的原理知，在該電壓區(qū)段，液晶的光程差改變了約半個(gè)波長(zhǎng)，即得到相位調(diào)制量約為π。

(3)驅(qū)動(dòng)電壓在1.68 V之后，干涉條紋的圖像再也沒(méi)有明顯的變化，說(shuō)明相位調(diào)制量基本已達(dá)到最大值。

5結(jié)束語(yǔ)

由于篇幅限制，這里僅介紹了對(duì)液晶的電光效應(yīng)及響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量和液晶在邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。該實(shí)驗(yàn)還可以對(duì)液晶的方向角等相關(guān)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，并可以進(jìn)一步拓展到對(duì)其他應(yīng)用的研究，形成高年級(jí)的課題型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)可以充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，利用他們的聰明才智，大膽提出不同的觀點(diǎn)和見(jiàn)解，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，獲得新的結(jié)論，有效實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新能力的滲透式培養(yǎng)。

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The Discussion and Practice of Research-Oriented Teaching in College Physics Experiments ——The Application of Liquid Crystal Based on Electro-Optic Effect

CHEN Hong-yun,ZHENG An-shou,ZHANG Guang-yong

(China University of Geosciences,Hubei Wuhan 430074)

Abstract：We discuss that how to introduce the research content and improve the students' ability to innovate in traditional college physics experiment using the example of liquid crystal electro-optic effect.The aim is to find a way to practice research-oriented physical experiment teaching and train innovative students by the college physical experiment.

Key words：college physical experiment；research-oriented teaching；creative students training；liquid crystal

收稿日期：2015-10-11

基金項(xiàng)目：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)校級(jí)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究項(xiàng)目“基于波導(dǎo)陣列經(jīng)典模擬量子現(xiàn)象”(2015)

文章編號(hào)：1007-2934(2016)02-0142-04

中圖分類(lèi)號(hào)：G 420

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.002.038