牛頓環實驗應用拓展
牛頓環實驗應用拓展【1】
摘 要：闡述如何利用牛頓環裝置，首先通過已知波長的單色光形成牛頓環干涉圖樣，進行干涉環直徑測量;進而以高壓汞燈作為光源，通過濾色片，得到不同波長單色光，再通過牛頓環干涉圖樣直徑測量及計算式，計算出該單色光波的波長，令牛頓環裝置有更大地應用。
關鍵詞：牛頓環 等厚干涉 波長 高壓汞燈 濾色片
應用牛頓環現象可判斷透鏡表面凸凹、精確檢驗光學元件表面質量、測量透鏡表面曲率半徑和液體折射率。
用牛頓環測量球面的曲率半徑，也是大學物理實驗中的一個典型光學實驗。
實驗裝置較簡單，但卻可以測量平凸、平凹透鏡球面的大曲率半徑，且測量精密度較高，實驗中通常利用鈉光產生分振幅干涉形成環狀的等厚干涉圖樣――牛頓環，對牛頓環的級數和對應直徑進行測量，通過計算可以獲得被測球面透鏡的曲率半徑;而如果再將不同波長的入射光照射在牛頓環裝置上，也可以形成牛頓環干涉圖樣，本文將闡述如何利用牛頓環干涉圖樣，對可見光單色光波長進行測量。
1 牛頓環測量波長原理
1.1 測量球面曲率半徑的原理
當一個曲率半徑很大的平凸透鏡的凸面與平面玻璃接觸時，兩者間形成空氣間隙，如圖1，間隙由中心接觸點到邊緣逐漸增加。
當單色光垂直照射時，由于經空氣間隙的上下表面反射的兩束光存在光程差，它們在透鏡凸面附近相遇時會產生明暗相間、同心圓環狀的干涉圖樣。
由于接觸壓力會引起玻璃形變，使牛頓環中心呈圓斑形的接觸狀態，使實際干涉半徑與理想不等，造成系統誤差，故采用以下解決方法：在空氣間隙的邊緣做適當墊高，使透鏡與平面玻璃在中心處剛好不接觸。
因此多了一段附加厚度則可導出：
1.2 牛頓環干涉法測量干涉光波長
2 待測光源選取及儀器裝置說明
2.1 光源選取
作為待測光源應具有較大的輸出光強和較好的單色性，鈉光燈比較適宜作為牛頓環實驗的單色光源，選擇鈉光光源作為 0;根據高壓汞燈的輸出光譜和發光特點選擇高壓汞燈中的579.0nm、546.1nm和435.8nm的光譜作為待測光源 1、 2和 3。
2.2 儀器調節和裝置說明
首先測量鈉光光源的牛頓環干涉圖樣直徑，其步驟按照牛頓環實驗步驟進行：光路調整、顯微鏡調焦、測量干涉環直徑等步驟進行。
用高壓汞燈作干涉光光源時，筆者獲取單色光的方法是，在高壓汞燈前加濾色片。
通過濾色片獲取不同波長的單色光，以期能形成等厚干涉圓環。
但由于汞燈光源出射窗口溫度較高，濾色片不能直接放在汞燈出射口處，故制作了一個簡易的接口，使得光線既能通過濾色片出射，而且濾色片距離光源出射窗口有適當的距離，又沒有散射的光線影響干涉環的對比度，其效果較好。
3 實驗結果
3.1 以鈉光 0、待測光源 1、 2和 3為干涉光源的干涉環實驗結果，見表1
3.2 不同波長下D2m與m線性關系圖線
用鈉光燈作為入射光形成的干涉的牛頓環干涉圖樣(見圖3)，對牛頓環直徑進行測量，計算出干涉直徑D2m，D2m與m關系圖線，數據點排列顯示D2m與m呈現線性關系。
表1中以 0為入射光時D2m與m相關系數值也顯示出其線性相關性。
以高壓汞燈作為光源，用濾色片獲取不同波長的單色光 1、 2和 3為入射光形成的牛頓環干涉圖樣，對三個不同干涉波長形成的牛頓環直徑分別進行測量，繪制D2m與m關系圖線，見圖4，各組數據點排列呈現線性關系。
表1中以 1、 2和 3入射光時D2m與m相關系數值也顯示出其線性相關性。
3.3 結果分析
從實驗現象和結果來看，通過濾色片有效地濾出了高壓汞燈里的單色光，在干涉級數相等情況下，干涉環的直徑隨著波長的減小而減小。
根據不同光波獲得的與關系之斜率因子計算，待測波長的測量結果見表2。
用牛頓環干涉法可以測量干涉光的波長，測量精度較高，與波長的公認值相比有較高的正確度。
4 結語
牛頓環干涉實驗中，若已知干涉光波長，不僅能測量出牛頓環裝置中透鏡的球面半徑，而且若將待測單色可見光照射在牛頓環裝置上，光強足以形成牛頓環干涉圖樣，利用已知干涉光波長可以計算出待測入射光的波長。
本文從實驗的角度闡述了如何利用牛頓環裝置進行光波波長的測量，基于筆者對實驗理論和實驗方法的思考和探索。
根據實驗結果的精度以及與公認值的符合程度來看，達到了預期的效果。
故實驗教學可以通過對牛頓環等實驗的基本物理原理和實驗的基本方法的掌握，對一些基礎性實驗進行拓展，可以引導和培養學生的創新思維、創新能力和綜合素質，充分調動學生的主動性和創造性。
(基金項目：上海工程技術大學教學建設項目(項目編號：y201121001))
參考文獻：
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對牛頓環實驗教學的研究【2】
摘 要：牛頓環實驗是利用分振幅法獲得可相干光束的典型實驗，是大學物理實驗中的一個基礎光學實驗。
通過對牛頓環實驗教學的研究和思索，采用提出問題、探究問題和拓展實驗的教學方式，融入探究式教學的理念和思想。
有助于學生理解和領悟滲透在物理學內容中的物理思維、物理學方法，激發學生對物理實驗的興趣，提升學生解決具體問題的能力，增強學生的自信，提高物理實驗課的教學效果。
關鍵詞：牛頓環 問題 能力
牛頓環實驗是一個比較經典的利用分振幅法獲得相干光束的大學物理實驗，傳統的做法是用鈉光燈做單色光源，通過讀數顯微鏡觀察牛頓環，并測出相應級次的牛頓環直徑，利用已知光波波長采用逐差法來計算牛頓環平凸透鏡的曲率半徑。
該實驗內容簡單、操作難度低、現象單一，學生能按照步驟很快地完成實驗，但教學效果并不理想，對培養學生的解決分析問題能力和創新能力、實驗操作技能作用并不明顯。
通過對牛頓環實驗教學的不斷研究和思索，筆者在教學過程中采用提出問題、探究問題和拓展實驗的教學方式，融入探究式教學的理念和思想。
實踐表明，這種教學方式極大地提高了學生的實驗興趣，發揮了學生的主導作用，最大限度地激發了學生在實驗中的思維能和動手能力，進而更有效地培養了學生的實驗技巧和操作能力。
1 提出問題
相比于傳統的實驗教學過程，筆者教學過程中在實驗開始前先給學生提出一些問題，而這些問題盡可能提醒學生實驗操作過程中應注意到的相關細節，促使學生養成仔細觀察實驗現象的良好習慣，促使學生加深對實驗有關物理理論的理解，使實驗教學與理論教學有機地結合在一起。
提出的這些問題筆者可以舉例說明，如牛頓環實驗教學中為何取暗環來測量，而不取明環來測量?鑒于同學上學期已經做過一些物理實驗了，對這個問題有些同學稍加思索，就說出了理由：因為暗環人眼容易對準，而明環不易對準。
再如，實驗中讀數顯微鏡下方45°反射鏡與光源不等高，會給實驗帶來什么影響?因為這個問題的提出，實驗操作結束后，同學們對45°反射鏡調節中與光源不等高時的實驗現象仍頗為深刻，大家加以思索總結發現：如果45°鏡片與光源不等高，光線就不能按正常45°入射，單色光也就不能嚴格垂直入射到牛頓環上，這時讀數顯微鏡的視場變暗，亮紋和暗紋邊緣模糊不清，讀數條紋比較困難，增大了實驗誤差。
再者，如果調節牛頓環儀中下方3個螺栓會出現什么現象，對實驗的測量是否有影響?帶著疑問，學生在實驗操作中對3個螺栓的用力程度、調節松緊比較用心，觀察非常仔細。
結果學生發現：若3個螺栓調節過緊，則施加的壓力太大，中心暗斑半徑變大，條紋也出現稍微的變形;3個螺栓調節得過松，小的擾動和干擾就會造成條紋晃動，不利于觀察，并影響了條紋數數的準確度，從而增加實驗的偶然誤差。
再如，操作中如果發現牛頓環中心出現的是亮斑，而不是暗斑，那又是什么情況造成中心出現了亮斑呢?實驗過程中同學們興致盎然，對發現亮斑的情形，都爭相觀察，之后靜思其原因。
在教師的適度引導下，學生從光程差考慮發現了原因，中心出現亮斑可能是平凸透鏡曲面和平板玻璃之間并沒有緊密接觸，或者接觸處可能會有塵埃，從而產生了附加光程差。
通過上述問題的提出和引導，不僅有助于學生順利完成實驗操作，而且激發了學生的好奇心和實驗興趣。
使學生切身感受到，物理實驗課并不僅僅是數據測量，實驗過程中不僅要測量，還要觀察、分析和思考。
這樣學生才能真正了解物理學原理，并利于培養學生實驗中的觀察能力和分析能力，提高了牛頓環實驗的教學效果。
2 探究問題
物理��驗教學中，教師是課堂教學的組織者，是學生學習的指導者。
學生思維的發展水平高低，很大一部分要靠教師的指導。
實驗操作和數據測量結束后，教師可以積極引導，啟發學生逐步對牛頓環實驗中發現的基本問題進一步深入和拓展，提出一些實驗現象和物理理論相結合的問題，引導學生層層深入、趁熱打鐵，繼續對實驗進行探究。
牛頓環實驗教學中筆者就引導學生繼續進一步思考和探究更深層的問題，例如，從已知的等厚干涉物理學原理出發，結合牛頓環實驗，理論上分析出牛頓環干涉條紋的典型特點。
再者，為什么使用鈉黃光垂直照射牛頓環時，只有經過空氣薄膜上下表面反射的這兩束光是相干光，能產生干涉條紋?如果光源變了，在平凸透鏡上平面和下曲面的反射光線或平板玻璃上下表面的反射光線能否產生干涉條紋?若能產生干涉條紋，是否比鈉黃光更方便測量平凸透鏡曲率半徑呢?再有，如果把平凸透鏡翻過來，還會觀察到等厚干涉現象嗎? 類似問題很多，可以引導學生舉一反三，逐步去發現問題、探究問題、解決問題。
鼓勵學生將解決的實驗問題以科技小論文的形式撰寫，選擇優秀的論文將其發表在相應的校報或學術刊物上。
3 拓展實驗
隨著對牛頓環實驗的探究，實驗內容越來越豐富，針對這一現象，院校專門設置了開放實驗中心和仿真物理實驗室。
我們積極鼓勵學生按照自己的思想，提出實驗內容，設計實驗過程，并到開放實驗室完成自己設計的實驗，開拓了學生的視野和思路，激發了學生對物理實驗的興趣，培養了學生分析、設計和操作的綜合能力，收到良好的教學效果。
例如，有的學生馬上想到激光的相干性很好，于是嘗試用激光代替鈉光燈作為光源，觀察牛頓環的變化。
有的學生則將平板玻璃和平凸透鏡之間充滿了二氧化硫，觀測條紋變化。
有些仔細觀察生活而又充滿好奇的同學則直接將眼睛放在載物臺上，從而觀察條紋變化。
并且，還可以利用仿真軟件擴展實驗內容，充分發揮計算機三維動畫和實時仿真的特點，對儀器的內部結構和操作過程進行形象化的展示，提高了學生實驗的興趣。
4 結語
轉變傳統實驗教學的設計思想，以提問形式帶動學生實驗，在實驗中學生既要操作又要思考，促使學生留心和用心觀察實驗現象，并加深對物理知識的理解，進而激發了學生的好奇心和實驗興趣。
通過探究問題的方式可以培養學生分析問題和解決問題的能力。
通過對實驗內容的拓展，重新構建實驗設計思想、實驗方法和實驗情景，培養了學生改進原有實驗和設計新實驗的創新能力，開拓了學生的視野和思路。
參考文獻
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演示牛頓管實驗的操作技巧【3】
“自由落體運動”是高中物理力學教學中重要的演示實驗，本節教學的重點和關鍵在于說明不同物體在真空中下落快慢都是一樣的。
但學生由于受日常經驗的影響，對重的物體落得快，輕的物體落得慢印象很深，所以教師做好該演示實驗十分重要。
教師通常演示實驗步驟如下：
實驗裝置如圖1所示，在一根長約1.5cm的玻璃管中，放入一些形狀和重力均不同的小物體，如羽毛、小鐵片等，演示實驗步驟為：
(1)不抽出玻璃管中的空氣，首先豎直管身，使兩物體置于管底，將玻璃管在豎直平面內迅速倒轉過來，使管身豎直，兩物體置于管內頂部，這時觀察兩物體在大氣中下落情形;
(2)抽去玻璃管中部分空氣，重復步驟1中的操作，觀察兩物體在稀薄空氣中下落情形;
(3)繼續抽取玻璃管中空氣，使其逐漸接近真空，再重復步驟1操作，再觀察物體在接近真空時下落情形;
(4)接著教師讓學生討論：從該實驗中，同學們看到什么現象，這些現象說明了什么問題?最后學生得出結論是在接近真空時，小鐵片(重)與羽毛(輕)下落快慢相同。
實驗的這種操作法，存在兩個明顯的缺陷：一是，迅速使管身豎直，目的是使小鐵片與羽毛同時下落，由于這個過程變化太快，學生不易觀察，怎么能使學生相信，小鐵片和羽毛是同時下落的呢?二是，實驗操作中需要逐步抽出管內空氣，由于抽取空氣要耽誤時間，就會影響課堂的教學效率。
同時，停下來用一段時間抽取空氣，再讓學生來觀察兩物體在不同密度的空氣里下落情形，這樣觀察就不連續，不利于學生進行差異比較，妨礙了學生正確得出結論。
針對這些不足，我在上課時的實驗演示改進為如下操作：
(1)在課前，事先將牛頓管內的空氣抽取到接近真空，首先晃動玻璃管，使小鐵片壓住羽毛，再用一個小磁鐵吸住鐵片，再慢慢地倒立過來，如圖2所示，由于磁鐵的吸引作用，羽毛被小鐵片牢牢地壓在管頂，接著再讓學生倒數數“3、2、1”，這時，教師松開小磁鐵，羽毛和鐵片同時下落，學生觀察兩物體下落情形，如圖3所示;
(2)輕開閥門，放入少許空氣(提醒學生保持安靜注意聽，會聽到“嗤嗤”的空氣進入管內的聲音)，重復步驟1，觀察兩物體下落情形;
(3)打開閥門，使其與外部相通，這樣管內充滿空氣，再重復上述步驟，再觀察兩物體下落情形;
(4)這時，教師引導學生分析所觀察到的現象，管內空氣密度越大，兩物體下落差別就越大。
如果逆向思維，管內空氣越來越少，結果肯定是兩物體下落的快慢越來越接近，最后，管內如果為真空時，兩物體下落快慢自然就相同了，從而得出所期望的結論。
演示實驗的功能是為了揭示現象的本質，提高學生學習的興趣。
我啟發學生采用逆向思維的方式，演示實驗并不是不斷地抽出玻璃管中的空氣，而是首先就做“真空”情況下，再不斷地放入空氣，再來觀察物體下落的情況;這樣每次演示實驗間隔時間不長，連續性好，也節省了實驗時間，提高了課堂教學效率。
同時，開始時利用磁鐵吸住壓住的羽毛的小鐵片，改進了實驗效果。
教師演示時如果不拘小節，站在凳子或講臺桌上來演示，這樣能夠使全體學生都能輕易地觀察到實驗現象，演示效果更佳。
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