双棱镜测光波波长的实验研究

双棱镜测光波波长的实验研究　江苏省南京市南京晓庄学院物理与电子工程学院　刘　郁　【摘要】菲涅尔双棱镜测光波波长是一个比较经典而基础的物理实验．由于它的经典性，不少值得研究的问题被忽略了．我们　在探索物理实验创新教育的过程中，对某些问题作了较为深入的思考和研究．通过实验研究，证明了从观测者的角度来看，双缝虚光　源比单缝所在的平面略近一些；在实验过程中，把双缝虚光源与单缝认作在同一个平面所引起的误差小于１００。　【关键词】物理实验研究光的干涉双棱镜测波长创新教育　涅尔棱镜测光波波长又是一个比较经典而实用的实验形　式。我们在探索物理实验创新教育的过程中，对某些问题作ｒ　较为深人的思考和研究，并对固定俗的实验步骤做了较大的改　进．结果表明，无论是在提高实验的质量，还是在培养学生的物　理实验技能、启发创新意识等方而都收到了较好的效果．　一、双棱镜测光波波长的试验研究的问题　问题之一是双缝虚像真的和单缝在同一个平而上吗？　Ｗｈｉｔｔｌｅ等说道，“双棱镜的作用足形成与单缝在同一平而内的　狭缝状虚光源”。而贾玉润等明确指出，“实际上两虚光源与狭　缝并　在同一平面卜”，并给ｆｆ；ｒ用共扼成像法测虚光源的双　缝问距时的双缝平面到测微目镜分划板距离Ｄ的修正表达公　式．遗憾的是，至今尚缺乏对单双缝不在同一平面卜以及应用　“单双缝在同一平面”结论时可能会给物理测量带来的误差大　小等问题的实验研究，用实测结果来直接同答这个不容回避的　问题。　问题之二足学生在这个实验ｌｌｌＩ基本功的有效训练问题。该　实验『ＩＩ所涉及的光学测幂系统的等高共轴条件的调节是物理实　验的基小功。不少实验教材中都强调　ｒ它在实验技术方面的重　要性．但是，为数不少的实验教材中，往往疏于可操作性的方法　学指导，难以使学牛从开始做实验起就能掌握要领，按照实验的　逻辑框架而不是“菜　”将实验自主地进行下去。　『ｕｊ题之　是在实验教学中如何创造一个探索性的学习环　境，让学生们在一定的指导模式下快捷而又精确地完成相关的　物理量测最的基础上，能够提供激励学生探索和创新的自主学　习的空间．这是现代教学所面临的一个新问题，也足未来物理实　验教学必须认真思考和解决的重要问题．我们发现，科学的进行　实验步骤设计足解决问题的关键，有的教材没计得不尽合理，并　没有提供方法学的必要逻辑和结构说明来引导学生较好地把握　实验的线索和方向。　二、解决问题的基本思路　对于第一个问题，我们设想：如果能够由学生通过实验来验　证单缝所在平面距离测微目镜比舣缝虚光源略远一些，而且二　者距离相差很小，则很容易鼓励学生的探索精神。方法可以采　用把测微ｌ＿Ｉ镜转过９００，分别测单双缝的长度。　显然，如果单缝和双缝严格地在同一平面上，由于物体在与　棱镜的棱平行方向的成像倍数为１，那么它们在同一平面所成　的像的大小相等；如果两个缝长小相等，那么较长的物距要长一　些，即距离目镜稍远一些。　对于第二个『ｕＪ题，我们设想：在利用光具座的基础上，如果　利用测微目镜的现成Ｔ具来代替光屏和目测首先建立一个等高　共轴的实验镜测缝长度基准体系，一定能够更准确、更迅速地进　行等高共轴的调节．方法可以先在单缝（缝宽适当地宽一些）光　源和只镜之间插人一个会聚透镜，调节三者的位置使它们等高　共轴，三点共线是容易做剑的．我们町以利用它作基准，完成以　后所有的调节．捅人双棱镜，调节水平位置、高度和转角，使双缝　的像红ｒ｛镜　Ｉ１居『Ｉｌ、垂直、成像锐利而亮度均匀。尔后，去掉透　镜，稍做缝宽和棱镜前后位置的调整，一般就可以观察到质量较　好的，明暗相问的干涉条纹了。　至于第三个问题，我们设想：如果能遵循产生光的干涉的本　来顺序来组织实验步骤，不但学生可以加深对物理本质的了解，　同时也为学生自主地解决过程中可能出现的问题提供理论模　式：方法是：先建立单缝光源、会聚透镜和测微日镜的三点共线　的等高共轴调节实验基准；使单缝在目镜读数平面上成明晰的　像；旋转目镜９００测黄单缝长度．再插人双棱镜，适当调节棱镜　的高度、水平位置、角度等；使在目镜读数平面七，并成居中而明　晰的像，特别注意要尽量使两条亮带宽度、亮度相同；仿照上面　的步骤测　双缝的长度，同时测出双缝问隔距离。取出透镜，减　小单缝宽度，略微调整使在视场中观察到满意的干涉条纹，测出　ｌＯ条以上的条纹宽度．最后，精确地测量其它的几个间距的大　小。以上的测量都要做多次，以获得精度较高的测量结果。　三、实验结果及其分析　（１）在比较宽的变化范围内（波长的测量结果与钠黄光波　长的标准值之差以，双棱镜到单缝的问距ｋ），单双缝在测微目　镜分划板上的所成像的长度差的相对误差都小于１００，实验表　明双缝和单缝的确接近于同在一个平面上，在实验过程中，把双　缝虚光源认作在同一个平面所引起的误差小于１００。另一方　面，　缝实光源和双缝虚光源通过同一透镜在同一成像平面　卜　所成的像，单缝的长度确实要比双缝的像长要大，表明从观测者　的角度来看，双缝虚光源相对要比单缝所在的平面略近一些。　因此，对以光源为基准点所做的长度测量应该以单缝夹板的前　平面为基准更为合理。因此，单缝光经折射后所成的双缝虚像　基本上就在单缝所在的平面上．利用转动或者移动双棱镜可以　用于测量或补偿微小的角量或线量。　（２）采用新的实验步骤设计，不仪可以保证实验的精确度，　还可以提高做实验的速度和效率；更重要的是，新的实验步骤更　加符合科学实验的思路，能够促进学生在实验过程中按照思路　的逻辑导引，批判性地学习以及为了实现目标而创造性地探索　活动。　四、结束语　以上，介绍了我们在用双棱镜测可见光的波长实验中，通过　再现解决问题的基本思路和过程，并结合对理论假设的实验分　析以及创造性地建立简单适用的实验质量监控系统等教学思想　以及实际做法所取得的效果．结果的确鼓舞人心，研究给出了双　棱镜所形成的双缝位置很靠近单缝所在平面的实验验证。　参考文献：　［１］贾玉润，王公治．凌佩玲．大学物理实验［Ｍ］．上海：复　旦大学出版社，１９８７．３０７　一３１０　［２］李允中，播维济．基础光学实验［Ｍ］．天津：南开大学出　版社，１９８７．５５　一５６　［３］胡玉禧，安连生．应用光学［Ｍ］．合肥：中国科技大学出　版社．１９９６．７４　１７９都市家教