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一个研讨型试验项意图评论

——使用迈克耳逊干与仪测气体折射率

王法远

摘要：“研讨型”物理试验的开设对激起学生的求知欲、拓展其常识面、培育其立异思维才能等方面都具有重要意义。本文以迈克耳逊干与仪试验为例，经过在试验设备中增设可调压强的气室和CCD图画收集体系，完结对干与图样的实时调查和气体折射率的较准确丈量。试验规划还考虑到了试验内容及其难度的可深化与拓展空间，具有很强的研讨型试验特色，而且可以依据恰当的教育规划将此试验开设成综合性或规划性试验。

关键词：研讨型物理试验;迈克耳逊干与仪;CCD;折射率

AResearch-typePhysicalExperiment

——Measurementofgas’refractiveindexbyusingMichelsoninterferometer

FayuanWang

TutoredbyJianmingDai

DepartmentofPhysics,HuaibeiCoalIndustryNormalCollege

Abstract:Theresearch-typephysicalexperimentscanplayveryimportantroletoexcitethestudents’thirstforknowledge,widentherangeofknowledge,cultivatetheinnovativeandresearchability.Asanexample,aresearch-typeexperiment,themeasurementofgas’refractiveindexbyusingMichelsoninterferometerandCCDsystem,isdesignedandputtedinpractice.Thedevelopmentalspaceincontentandcomplexityisconsideredinthedesignofexperiment.Itisindicatedthattheexperimenthastheobviouscharactersofresearchandverysuitstostudyasresearch-typeexperimentforstudents.

Keywords:research-typephysicalexperiment;michelsoninterferometer;CCD;refractiveindex

1导言

跟着社会科技、经济的高速展开，人才竞赛越来越剧烈，怎么培育具有立异才能的高素质人才已遭到遍及重视，这也对高校教育教育提出了新的挑战和要求。对理工科各专业来说，大学物理试验教育对培育学生的实践才能、剖析和研讨问题的才能起到十分重要的作用，因而在高校立异型人才的培育中，大学物理试验教育的变革首战之地。

长期以来，因为受应试教育和传统文化等方面的影响，与国外学生相比我国的学生学习十分吃苦、理论常识恰当厚实，但在着手才能和立异知道上显得缺乏。

而另一方面，现在大学物理试验教育中也存在许多不利于学生立异才能培育的要素，杰出表现在试验内容偏重于验证性，试验的理念、思维、办法和手法落后等。为改动这一格式，近年来，各高校和教育管理部门都十分重视对“综合性、规划性、研讨性”试验的开设要求[1-3]。但终究什么是综合性、规划性、研讨性试验，怎么开设这样的试验，依然需求作深化的研讨和教育实践。本文就怎么开设研讨型试验作一评论，并给出一个研讨型试验事例作具体的试验剖析。

2研讨型试验及其开设要求

2.1研讨型试验的根本内在

一般“研讨型”物理试验是在综合性、规划性物理试验的根底上由学生自己选题、查阅文献、规划试验计划，在教师辅导下完结试验。“研讨型”试验一般是要求学生带着问题测取数据，探究试验规则，然后带着问题查找材料、探寻答案，并试着对所调查到的现象进行理论剖析，并做出合理的解说。这类试验的开设意图是全方位地训练学生试验研讨的才能，充沛调动学生的主动性和积极性，激起他们从事物理学研讨的爱好和热心，为今后从事科研工作打下杰出的根底。

2.2研讨型试验的选题

研讨型试验要精心选题、科学规划。试验内容要新颖、有趣味性，物理现象比较显着和具有可研讨性。一起还要考虑试验室条件和学生的水平与才能，能让学生在比较了解的理论根底上作开始的剖析与展开。既要与已知的现象、理论和办法有联络又要有必定的深度和广度。作为根底物理试验，研讨型试验内容不能过于杂乱，要求不宜过高，要能经过剖析、评论和查阅材料等办法让学生可以比较容易地规划和施行试验计划。

2.3怎么展开研讨型试验的教育

与传统物理试验不同，研讨型试验可以较充沛地发挥学生的主观能动性去探究不知道的范畴。因而，开设此类试验项意图最好办法是使用试验室敞开的方式，由学生自主挑选和把握试验时刻。研讨型试验项目可以有教师指定和学生自拟等方式，但不管那种方式，对试验辅导教师都提出了更高的要求。辅导教师要对学生所选的研讨型试验项目在施行进程中或许呈现的各种问题有充沛的估量和知道，可以引导、启示和鼓励学生完结试验，并把握能作进一步深化研讨的空间。

研讨型试验更重视试验成果的剖析、评论和总结。因而，学生完结研讨型试验后要求写出的试验陈述可以不同于一般试验的陈述，可以写成研讨总结陈述方式或研评论文方式，乃至可以选用学术陈述的方式口头陈述研讨成果。

3使用迈克耳逊干与仪进行研讨型试验项意图规划

迈克耳逊干与仪是一种典型的使用分振幅办法完结干与的光学仪器，作为近代精细丈量光学仪器之一，被广泛用于科学研讨和检测技能等范畴[4]。使用迈克耳逊干与仪，能以极高的精度丈量长度的细小改动及其与此相关的物理量。假如与CCD摄像、图象处理等现代监测技能结合，可以实时观测和剖析各种干与现象的改动，到达干与检测和主动控制的意图[5,6]。因而，使用迈克耳逊干与仪进行研讨型试验规划具有改动多、内容丰厚、研讨性杰出等特色。这儿咱们以“使用迈克耳逊干与仪丈量气体折射率”为题，作为一个研讨型试验的事例，简述其试验规划与施行进程。

3.1规划原理与试验设备

试验时，可以向学生供给：迈克耳逊干与仪、He-Ne激光器、带气压表的“气室”、CCD图象收集体系等试验器件，要求规划一个试验计划并测定空气等气体的折射率。这儿简述试验根本原理：

在传统的迈克耳逊干与仪的一个丈量光路上放置一个可充气的“气室”，干与图的观测选用CCD和核算机进行图象收集与处理。如图1为使用迈克耳逊干与仪测定气体折射率的试验光路图。

图1试验光路图

图中P为“气室”，它是由腔体、压力表和皮郛等组成。经过皮郛可以给气室中的气体添加压力，也可以经过皮郛的减压阀放气给气室减压，腔内气压可以经过压力表读出。图中接纳屏W处放置一CCD摄像头，干与图画可以经过核算机进行显现和处理。

当激光束经过图1中M1前面的气室时，干与图样随气室里气体气压的改动而改动：当气压添加时，干与圆环从中心涌出；反之，干与圆环向中心堕入。经过研讨气体压强改动与条纹移动的联系可以得到气体折射率。在稳定温度下，气体折射率n与气压成正比：

(1)

式中p为气体压强，k为份额系数。在肯定真空下，则。关于常压条件下，则，当气室内压强改动时，因为折射率的改动引起光程差改动，可以观测到条纹的移动个数N。各参数之间的联系为

(2)

式中L为气室的有用长度，由上述各式可以推得常压()下空气折射率为

(3)

3.2试验成果与剖析

使用图1的光路经细心调理可以获得等倾干与图象，图2是经CCD和核算机体系收集到的干与图象。当改动气室内的压强时可以看到干与圆环从中心涌出或向中心堕入。试验中先向气室充气加压，然后缓慢放气并观测干与圆环向中心堕入的条纹数。

试验顶用He-Ne激光作为光源，所用气室的有用长度L=75mm，假如常压取规范大气压强760mmHg，则(3)式可以写成：

(4)

表1给出了气室内压强添加值与条纹移动数N和核算得到的折射率之间的联系。

图2CCD和核算机体系收集到的干与图象

表1：气室内压强添加值、条纹移动数N和核算得到的折射率值

/mmHg230210190170150130110

N/个20.819.016.615.013.511.89.8

1.00029031.0029041.00028051.00028321.00028891.00029141.0002860

对丈量数据求平均值并核算不确定度，得到

数据处理的办法还可以用作图软件，作出～N的联系曲线，经过求斜率核算得到折射率。空气折射率的规范值是1.0002926[7]，丈量差错首要来自条纹移动非整数部分的估读和气压表读数差错。别的，对气室的有用长度L和试验室的常压的丈量也对试验成果引进差错。

3.3试验内容和难度的拓展

作为研讨型试验，迈克耳逊干与仪可以供给丰厚的规划思维。例如，选用上述办法将气室与一充溢不同气体的气囊相连，可以用于丈量各种气体的折射率；假如对CCD收集图象进行核算机处理和编程可以完结条纹移动的主动记数；使用这一试验体系可以细心观测、剖析定域和非定域干与现象[8]；假如选用面光源或扩束的平行光作为光源，在图1光路中气室P换成一个平板玻璃，则可以检测玻璃外表平整度或介质内部的不均匀性；假如对有机玻璃片或通明塑料片等施加必定的应力，用上述办法可以剖析通明介质的应力散布。等等这些内容经过精心规划均可作为研讨型试验开设。值得一提的是依据综合性、规划性试验的不同要求，将上述研讨型试验进行恰当的教育规划，完全可以开设成综合性或规划性试验。

4结束语

研讨型物理试验是一种不同于传统物理试验教育的形式，它具有很强的灵敏多样性，首要以激起学生的求知欲、拓展其常识面、培育其立异思维才能为意图。咱们经过“使用迈克耳逊干与仪丈量气体折射率”作为一个研讨型试验的事例，较具体地进行了研讨型试验规划和试验测验与剖析，成果表明可以作为一个很好的研讨型试验项目供给给学生作为试验教育用。

参考文献：

[1]周进，于瑶，王思慧，潘元胜．学生主导性物理试验的探究〔J〕．物理试验，2005，25(1)：28

[2]张瑞，林幸笋，何友军等．一个研讨型物理试验项目——周期物成像规则试验〔J〕．物理试验，2001，21(4)：28

[3]金恩培，钱守仁，赵海发，张立彬．怎么开好规划性试验〔J〕．物理试验，2000，20(7)：24

[4]程守洙，江之永．一般物理学〔M〕．北京：高等教育出版社，1998:198

[5]胡再国，黄建群，李娟．进步CCD试验作用[J]．物理试验，2002,22(8)：43

[6]许伯强，王纪俊．用现代技能设备改进迈克尔孙干与仪的功能〔J〕．物理试验，1999，19(4)：10

[7]杨述武.一般物理试验(光学部分)[M].北京:高等教育出版社，2000:269

[8]沈元华,陆申龙.根底物理试验[M].北京:高等教育出版社，2003:245

称谢

本文可以得以完结，十分感谢我的辅导教师戴建明教师，他的广博常识以及在治学进程中表现出来的谨慎情绪使我深受鼓舞，给予我极大的辅导和协助，在此向戴建明表明诚心的感谢！

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汇率数据由和讯外汇供给,更新时刻:2011-04-18