第24卷第2期 物理实验 2004年2月 PHYSICS EXPERIMENTATION Feb.,2004 设计性、研究性物理实验介绍 沈元华 (复旦大学物理系,上海200433) 摘要:设计性、研究性实验是让学生独立自主地对实验方法进行设计并对实验结果进行研究的实验.与传统的测 量性、验证性实验相比,它更有利于培养学生的开拓精神和创新能力本文介绍了复旦大学近年来开设的2个设计性、研 究性实验,它们分别适宜于低年级和高年级本科生的实验教学,并介绍了这类实验的教学方法和初步效果 关键词:教学改革;设计性实验;研究性实验 中图分类号:(642.423文献标识码B文章编号:10054642(2004)02-003305 的横向距离x 几十年来,大学基础物理实验都是以测量性 撞击球 验证性实验为主的这些实验在初始阶段无疑是 被撞机 绳 升降架 必要的,它们教会学生怎样按部就班地去做教师 升降台 安排好的实验,相当于给婴儿“喂奶”为了培养高 素质的、有创新能力的、符合新时代要求的学生 只有这样的实验是不够的,必须让学生在基础训 练中学会“自己吃饭”正因为这样,“世行贷款21 世纪初高等理工科教育教学改革项目”中,设立了 设计性或研究性物理实验教学内容与仪器的研 究”项目我们承担了此项目的研究工作,并取得 了初步的成效我们总结了以往实验教学改革的 图1碰撞打靶装置 经验,提出为低年级(12年级)和高年级(23年级) 设置不同类型的设计性、研究性实验.以下各举 实验要求:切断电磁铁的电源时,撞击球下落 例,分别介绍这两类实验 与被撞球相碰撞,使被撞球击中靶心;分析能量损 2低年级设计性、研究性实验的一个实例—碰 失的大小及其主要原因 撞打靶 具体做法建议如下 a.按照靶的位置,计算撞击球应提到何高度 实验教材的主要内容如下 h才可预期击中靶心? “碰撞打靶”装置如图1所示.用两细绳挂在 b.以加值进行若干次打靶实验,以确定实际 两杆上的铁质“撞击球”被吸在升降架上的电磁铁击中的位置;根据此位置,计算h值应移动多少 下;与撞击球质量、直径都相同的“被撞球”放在升才能真正击中靶心 降台上.升降台和升降架可自由调节其高度.可在 c.再进行若干次打靶实验,以确定实际击中 滑槽内横向移动的竖尺和固定的横尺用以测量撞靶心时的h值;据此计算碰撞过程前后机械能的 击球的高度h、被撞球的高度y和靶心与被撞球总损失为多少 攸稿日期 作者简介 流元 华(1939-),男,浙江嘉兴人,复旦大学物理系教授长期从事物理实验教学与研究工作 2 01995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, LId Al rights reserved
收稿日期 :2003205216 作者简介 :沈元华(1939 - ) ,男 ,浙江嘉兴人 ,复旦大学物理系教授 ,长期从事物理实验教学与研究工作. 设计性、研究性物理实验介绍 沈元华 (复旦大学 物理系 ,上海 200433) 摘 要 :设计性、研究性实验是让学生独立自主地对实验方法进行设计并对实验结果进行研究的实验. 与传统的测 量性、验证性实验相比 ,它更有利于培养学生的开拓精神和创新能力. 本文介绍了复旦大学近年来开设的 2 个设计性、研 究性实验 ,它们分别适宜于低年级和高年级本科生的实验教学 ,并介绍了这类实验的教学方法和初步效果. 关键词 :教学改革 ;设计性实验 ;研究性实验 中图分类号 : G642. 423 文献标识码 :B 文章编号 :100524642 (2004) 0220033205 1 引 言 几十年来 ,大学基础物理实验都是以测量性、 验证性实验为主的. 这些实验在初始阶段无疑是 必要的 ,它们教会学生怎样按部就班地去做教师 安排好的实验 ,相当于给婴儿“喂奶”. 为了培养高 素质的、有创新能力的、符合新时代要求的学生 , 只有这样的实验是不够的 ,必须让学生在基础训 练中学会“自己吃饭”. 正因为这样“世行贷款 , 21 世纪初高等理工科教育教学改革项目”中 ,设立了 “设计性或研究性物理实验教学内容与仪器的研 究”项目. 我们承担了此项目的研究工作 ,并取得 了初步的成效. 我们总结了以往实验教学改革的 经验 ,提出为低年级(12 年级) 和高年级(23年级) 设置不同类型的设计性、研究性实验. 以下各举一 例 ,分别介绍这两类实验. 2 低年级设计性、研究性实验的一个实例 ———碰 撞打靶 实验教材的主要内容如下 : “碰撞打靶”装置如图 1 所示. 用两细绳挂在 两杆上的铁质“撞击球”被吸在升降架上的电磁铁 下 ;与撞击球质量、直径都相同的“被撞球”放在升 降台上. 升降台和升降架可自由调节其高度. 可在 滑槽内横向移动的竖尺和固定的横尺用以测量撞 击球的高度 h、被撞球的高度 y 和靶心与被撞球 的横向距离 x . 图 1 碰撞打靶装置 实验要求 :切断电磁铁的电源时 ,撞击球下落 与被撞球相碰撞 ,使被撞球击中靶心 ;分析能量损 失的大小及其主要原因. 具体做法建议如下 : a. 按照靶的位置 ,计算撞击球应提到何高度 h0 才可预期击中靶心 ? b. 以 h0 值进行若干次打靶实验 ,以确定实际 击中的位置 ;根据此位置 ,计算 h 值应移动多少 才能真正击中靶心 ? c. 再进行若干次打靶实验 ,以确定实际击中 靶心时的 h 值 ;据此计算碰撞过程前后机械能的 总损失为多少 ? 第 24 卷 第 2 期 2004 年 2 月 物 理 实 验 PHYSICS EXPERIMENTATION Vol. 24 No. 2 Feb. ,2004 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
物理实验 第24卷 d.分析能量损失的各种原因,设计实验以测条件?为什么2个独立光源不能相干? 出各部分能量损失的大小 b为什么薄膜两表面的反射光会形成干涉而 e.改用不同质量、不同大小的被撞球进行上玻璃板两表面的反射光一般不形成干涉?在什么 述实验,分别找出其能量损失的大小和主要原因.条件下玻璃板两表面的反射光也会形成干涉 f.对上述各实验结果进行分析、研究,得出 c.光线斜入射到薄膜时,光在薄膜中的光程 般性的结论,并提出改进意见 与正入射相比是变长了还是变短了?薄膜两表面 该实验用到的物理原理并不复杂,只有单摆反射的两相干光的光程差是变大了还是变小了? 运动的规律、碰撞时的动量守恒和能量守恒、平抛 d.一块厚度连续变化的薄膜,在白光照射下 运动的規律等,这些规律学生在中学就已经掌握左边是红色右边是绿色你用什么方法可判断它 了实际上,大多学生能很快根据实测的x和y值的哪一边较厚? 算出h当然,用h是不能击中靶心的我们引 2)关于光学薄膜的设计 导学生计算应如何调整撞击球的高度才能击中靶 a.在玻璃(折射率为1.52)上镀什么样的材 心—这很重要许多学生常常不计算而通过盲料可以增加透射?镀什么样的材料可以增加反 目地多次试验来达到目的,他们也能击中靶心但射?对于波长为A的光束,膜厚为多少时其增透 要告诉他们:真正的科学实验不应靠盲目的多次或增反的效果最佳 试验,因为科学实验的价格往往很昂贵,所需要的 b制备单层4零反射膜或双层44零反 时间也可能很长;应当养成先计算(或尽可能精确射膜的条件是什么?它们有什么样的优缺点? 的估算),再进行实验的良好习惯这也是本实验 c.怎样获得多层介质高反射膜?定性说明其 的初步的“设计性、研究性所在:学生要研究按理反射原理.如何提高中心波长的反射率?如何增 论值不能击中靶心的原因,根据此原因,重新设计反射带的宽度? 撞击球的高度以达到目的到此为止,学生一般可 d.如何得到反射率很高而反射带很窄的反射 在2学时内完成.再往下做,困难就大了,“设计膜(例如激光防护眼镜)? 性、研究性”的内容多了:学生要分析能量损失的 e.如何得到长波通(例如透红反绿)滤光片? 原因,并且要设计实验来测出各部分能量损失的如何得到短波通(例如透蓝反黄)滤光片 大小.仅从理论上分析能量损失的原因,一般还比 f.如何得到宽带(例如几十至上百纳米)滤光 较容易,如空气阻力、升降台的摩擦力、有非弹性片?如何得到窄带(例如几纳米或更小)滤光片? 碰撞等,而要设计实验来测出各部分能量损失的 g如何得到平板型偏振分光膜?定性说明其 大小,这是学生过去从未遇到过.有些学生会想出产生偏振的原理.如何得到棱镜型偏振分光膜? 些不切实际的实验,如把整个装置放在真空中定性说明其产生偏振的原理 做实验,在升降台上涂润滑油等;也有些学生会想 3)关于高真空技术 出一些很好的实验,如不放被撞球,让撞击球自由 a.什么叫真空?什么是低真空、高真空和超 摆回,测量其达到的最高点与原下落点的差,可估高真空?什么是真空系统和真空泵的极限真空? 算空气阻力与细绳摩擦力引起的能量损失.当学 b.机械泵为什么能抽真空?机械泵为什么不 生有较好的想法时,教师应鼓励他们去做这样,能抽到高真空?机械泵油起什么作用?油太多或 学生就能真正体会到“设计性、研究性实验”的魅太少会怎样?如何检查油量是否合适?机械泵为 什么不能抽水蒸气?机械泵停止工作时为什么必 3高年级设计性研究性实验的一个实例—光颈放大气? 学薄膜的制备与特性研究 c.扩散泵为什么能抽真空?扩散泵为什么不 能在大气压下开始工作?扩散泵上端为什么要用 实验前应阅读参考书,回答以下问题 冷阱?扩散泵为什么必须充分预热后才能正常工 1)关于薄膜干涉的原理 作?提前打开扩散泵至镀膜室的阀门有何坏处? a.什么是光的干涉现象?在光的干涉区域是如果扩散泵工作过程中发生停电或停水,该如何 否一定出现明暗相间的条纹?相干光应满足哪些紧急处理? 2 01995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, LId Al rights reserved
d. 分析能量损失的各种原因 ,设计实验以测 出各部分能量损失的大小. e. 改用不同质量、不同大小的被撞球进行上 述实验 ,分别找出其能量损失的大小和主要原因. f. 对上述各实验结果进行分析、研究 ,得出一 般性的结论 ,并提出改进意见. 该实验用到的物理原理并不复杂 ,只有单摆 运动的规律、碰撞时的动量守恒和能量守恒、平抛 运动的规律等 ,这些规律学生在中学就已经掌握 了. 实际上 ,大多学生能很快根据实测的 x 和 y 值 算出 h0 . 当然 ,用 h0 是不能击中靶心的. 我们引 导学生计算应如何调整撞击球的高度才能击中靶 心 ———这很重要. 许多学生常常不计算而通过盲 目地多次试验来达到目的 ,他们也能击中靶心. 但 要告诉他们 :真正的科学实验不应靠盲目的多次 试验 ,因为科学实验的价格往往很昂贵 ,所需要的 时间也可能很长 ;应当养成先计算(或尽可能精确 的估算) ,再进行实验的良好习惯. 这也是本实验 的初步的“设计性、研究性”所在 :学生要研究按理 论值不能击中靶心的原因 ,根据此原因 ,重新设计 撞击球的高度以达到目的. 到此为止 ,学生一般可 在 2 学时内完成. 再往下做 ,困难就大了 “设计 , 性、研究性”的内容多了 :学生要分析能量损失的 原因 ,并且要设计实验来测出各部分能量损失的 大小. 仅从理论上分析能量损失的原因 ,一般还比 较容易 ,如空气阻力、升降台的摩擦力、有非弹性 碰撞等 ,而要设计实验来测出各部分能量损失的 大小 ,这是学生过去从未遇到过. 有些学生会想出 一些不切实际的实验 ,如把整个装置放在真空中 做实验 ,在升降台上涂润滑油等 ;也有些学生会想 出一些很好的实验 ,如不放被撞球 ,让撞击球自由 摆回 ,测量其达到的最高点与原下落点的差 ,可估 算空气阻力与细绳摩擦力引起的能量损失. 当学 生有较好的想法时 ,教师应鼓励他们去做. 这样 , 学生就能真正体会到“设计性、研究性实验”的魅 力. 3 高年级设计性、研究性实验的一个实例 ———光 学薄膜的制备与特性研究 实验前应阅读参考书 ,回答以下问题 : 1) 关于薄膜干涉的原理 a. 什么是光的干涉现象 ? 在光的干涉区域是 否一定出现明暗相间的条纹 ? 相干光应满足哪些 条件 ? 为什么 2 个独立光源不能相干 ? b. 为什么薄膜两表面的反射光会形成干涉而 玻璃板两表面的反射光一般不形成干涉 ? 在什么 条件下玻璃板两表面的反射光也会形成干涉 ? c. 光线斜入射到薄膜时 ,光在薄膜中的光程 与正入射相比是变长了还是变短了 ? 薄膜两表面 反射的两相干光的光程差是变大了还是变小了 ? d. 一块厚度连续变化的薄膜 ,在白光照射下 , 左边是红色 ,右边是绿色. 你用什么方法可判断它 的哪一边较厚 ? 2) 关于光学薄膜的设计 a. 在玻璃 (折射率为 1. 52) 上镀什么样的材 料可以增加透射 ? 镀什么样的材料可以增加反 射 ? 对于波长为λ的光束 ,膜厚为多少时其增透 或增反的效果最佳 ? b. 制备单层 λ/ 4 零反射膜或双层 λ/ 4 零反 射膜的条件是什么 ? 它们有什么样的优缺点 ? c. 怎样获得多层介质高反射膜 ? 定性说明其 反射原理. 如何提高中心波长的反射率 ? 如何增 大反射带的宽度 ? d. 如何得到反射率很高而反射带很窄的反射 膜(例如激光防护眼镜) ? e. 如何得到长波通 (例如透红反绿) 滤光片 ? 如何得到短波通(例如透蓝反黄) 滤光片 ? f. 如何得到宽带(例如几十至上百纳米) 滤光 片 ? 如何得到窄带(例如几纳米或更小) 滤光片 ? g. 如何得到平板型偏振分光膜 ? 定性说明其 产生偏振的原理. 如何得到棱镜型偏振分光膜 ? 定性说明其产生偏振的原理. 3) 关于高真空技术 a.什么叫真空 ? 什么是低真空、高真空和超 高真空 ? 什么是真空系统和真空泵的极限真空 ? b. 机械泵为什么能抽真空 ? 机械泵为什么不 能抽到高真空 ? 机械泵油起什么作用 ? 油太多或 太少会怎样 ? 如何检查油量是否合适 ? 机械泵为 什么不能抽水蒸气 ? 机械泵停止工作时为什么必 须放大气 ? c. 扩散泵为什么能抽真空 ? 扩散泵为什么不 能在大气压下开始工作 ? 扩散泵上端为什么要用 冷阱 ? 扩散泵为什么必须充分预热后才能正常工 作 ? 提前打开扩散泵至镀膜室的阀门有何坏处 ? 如果扩散泵工作过程中发生停电或停水 ,该如何 紧急处理 ? 43 物理实验 第 24 卷 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
第2期 沈元华:设计性、研究性物理实验介绍 d.热偶规的工作原理是什么?它为什么只能干涉和双光束干涉的条纹有何主要差别?为什么 测低真空?为什么要经常对它的加热电流进行定有这个差别?如何制备样品?画出测试光路图并 标?热偶规所测的气压是否与气体种类有关 阐明原理 e.电离规的工作原理是什么?它为什么既 c.用单色仪测量薄膜的透射率曲线:棱镜单 不能测低真空,也不能测超高真空?每次使用前色仪为什么要定标?如何定标?画出定标的光路 为什么要先进行“除气”?电离规所测的气压是否并简述原理单色仪的分辨本领对窄带滤光片测 与气体种类有关? 量有何影响?测量中如何消除玻璃基板的影响? f.画出高真空镀膜机的真空系统,说明各阀如何利用膜厚监控设备测量透射率曲线 门的作用 d.测量薄膜的偏振特性:什么是s光和p光? 4)关于热蒸发镀膜技术 高反膜斜入射时p光和s光的中心波长如何变 a.玻璃基板为什么必须仔细清洗?如何清化?一个高反膜斜入射时可出现几个偏振带?自 洗 己设计光路并简述原理 b.真空室为什么每次要清洗?如何清洗? 实验室可提供的主要器材为:高真空镀膜机 c.为什么镀膜必须在高真空下进行? 光学膜厚监控系统;镀膜材料(Zns,MgF2,A,Ag d.蒸镀前基板为什么要加热?加热温度为什等);玻璃基板、锗基板;清洗材料;单色仪;光栅光 么不可太高? 谱仪;分光计;钠灯、汞灯、氦氖激光器等光源;各 ε.蒸发材料为什么必须预熔?如何判断升华类光探测器;常用光学元件,如透镜、棱镜、支架 材料(如硫化锌块)与融熔材料(如氟化镁粉末)的等;其他材料. 预熔已达到要求? 实验研究的课题(任选以下四部分中的一部 f.为什么在蒸镀前都要用挡板挡住该材料进分或几部分进行设计、研究和实验) 行预热,到正常蒸发后才可打开挡板? 1)设计与制备锗片和玻璃片上的增透膜,测 g如何保证镀膜时各基板(或一块大基板的量与研究其剩余反射率 各部分)膜厚均匀? a.已知锗在A>2pm的红外区是透明的,其 h.为什么镀膜结束后不可立即放大气取出样折射率约为4.0,玻璃在可见区的折射率约为 品 1.52.由此选择薄膜材料,估计其单层膜的最低反 i.为什么薄膜样品取出后还要再放入烘箱中射率 烘烤? b制定单层增透膜的镀膜方案.(厚度为多 5)关于膜厚监控技术 少?如何用可见光监控?注意膜料的色散.) a.画出用测量透射率极值法监控膜厚系统的 c.设计一个测量反射率的简单装置,用来测 原理图,说明各部分的作用 量可见、红外的低反射率 b.膜厚监控系统对光源有什么要求?可否用 d.(选做)设计用ZnS-MgF2制备玻璃上的双 激光做光源? 层零反射膜(中心波长633mm) c.为什么光路中要加光调制板?它放在近光 提示:令从空气-MgF2,MgF2-ZnS,znS-玻 源处好还是近探测器处好?为什么 璃3个界面上反射的光矢量相互抵消(可用矢量 d.如何判断光路调节是否达到最佳状态? 法估算各层的光学厚度) e.对监控片有什么要求?为什么? 2)设计与制备多层介质高反射膜,测量并研 f对单色仪有何要求? 究其反射率曲线 g对探测器有何要求? a用ZnS-MgF2设计制备4高反膜.计算 6)关于薄膜光学性能测试技术 各层的透射率,与实际结果相比较测量其反射率 a.用布儒斯特角法测量薄膜的折射率什么曲线研究其高反带宽度和最大反射率与计算是 是布儒斯特角?如何制备样品?画出测试光路图否符合,并讨论观察其正入射和斜入射时透射光 并阐述原理 与反射光颜色,并讨论 b用多光束干涉法测量薄膜的厚度:多光束 b.设计和制备宽带高反膜,要求可见区都高 2 01995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, LId Al rights reserved
d. 热偶规的工作原理是什么 ? 它为什么只能 测低真空 ? 为什么要经常对它的加热电流进行定 标 ? 热偶规所测的气压是否与气体种类有关 ? e. 电离规的工作原理是什么 ? 它为什么既 不能测低真空 ,也不能测超高真空 ? 每次使用前 为什么要先进行“除气”? 电离规所测的气压是否 与气体种类有关 ? f.画出高真空镀膜机的真空系统 ,说明各阀 门的作用. 4) 关于热蒸发镀膜技术 a.玻璃基板为什么必须仔细清洗 ? 如何清 洗 ? b. 真空室为什么每次要清洗 ? 如何清洗 ? c. 为什么镀膜必须在高真空下进行 ? d. 蒸镀前基板为什么要加热 ? 加热温度为什 么不可太高 ? e. 蒸发材料为什么必须预熔 ? 如何判断升华 材料(如硫化锌块) 与融熔材料(如氟化镁粉末) 的 预熔已达到要求 ? f. 为什么在蒸镀前都要用挡板挡住该材料进 行预热 ,到正常蒸发后才可打开挡板 ? g. 如何保证镀膜时各基板 (或一块大基板的 各部分) 膜厚均匀 ? h. 为什么镀膜结束后不可立即放大气取出样 品 ? i. 为什么薄膜样品取出后还要再放入烘箱中 烘烤 ? 5) 关于膜厚监控技术 a. 画出用测量透射率极值法监控膜厚系统的 原理图 ,说明各部分的作用. b. 膜厚监控系统对光源有什么要求 ? 可否用 激光做光源 ? c. 为什么光路中要加光调制板 ? 它放在近光 源处好还是近探测器处好 ? 为什么 ? d. 如何判断光路调节是否达到最佳状态 ? e. 对监控片有什么要求 ? 为什么 ? f. 对单色仪有何要求 ? g. 对探测器有何要求 ? 6) 关于薄膜光学性能测试技术 a. 用布儒斯特角法测量薄膜的折射率 :什么 是布儒斯特角 ? 如何制备样品 ? 画出测试光路图 并阐述原理. b. 用多光束干涉法测量薄膜的厚度 :多光束 干涉和双光束干涉的条纹有何主要差别 ? 为什么 有这个差别 ? 如何制备样品 ? 画出测试光路图并 阐明原理. c. 用单色仪测量薄膜的透射率曲线 :棱镜单 色仪为什么要定标 ? 如何定标 ? 画出定标的光路 并简述原理. 单色仪的分辨本领对窄带滤光片测 量有何影响 ? 测量中如何消除玻璃基板的影响 ? 如何利用膜厚监控设备测量透射率曲线 ? d. 测量薄膜的偏振特性 :什么是 s 光和 p 光 ? 高反膜斜入射时 p 光和 s 光的中心波长如何变 化 ? 一个高反膜斜入射时可出现几个偏振带 ? 自 己设计光路并简述原理. 实验室可提供的主要器材为 :高真空镀膜机 ; 光学膜厚监控系统 ;镀膜材料 ( ZnS ,MgF2 ,Al ,Ag 等) ;玻璃基板、锗基板 ;清洗材料 ;单色仪 ;光栅光 谱仪 ;分光计 ;钠灯、汞灯、氦氖激光器等光源 ;各 类光探测器 ;常用光学元件 ,如透镜、棱镜、支架 等 ;其他材料. 实验研究的课题 (任选以下四部分中的一部 分或几部分进行设计、研究和实验) : 1) 设计与制备锗片和玻璃片上的增透膜 ,测 量与研究其剩余反射率 a. 已知锗在λ> 2μm 的红外区是透明的 ,其 折射率约为 4. 0 ,玻璃在可见区的折射率约为 1. 52. 由此选择薄膜材料 ,估计其单层膜的最低反 射率. b. 制定单层增透膜的镀膜方案. (厚度为多 少 ? 如何用可见光监控 ? 注意膜料的色散. ) c. 设计一个测量反射率的简单装置 ,用来测 量可见、红外的低反射率. d. (选做) 设计用 ZnS - MgF2 制备玻璃上的双 层零反射膜(中心波长 633 nm) . 提示 :令从空气 - MgF2 ,MgF2 - ZnS , ZnS - 玻 璃 3 个界面上反射的光矢量相互抵消 (可用矢量 法估算各层的光学厚度) . 2) 设计与制备多层介质高反射膜 ,测量并研 究其反射率曲线 a.用 ZnS - MgF2 设计制备λ/ 4 高反膜. 计算 各层的透射率 ,与实际结果相比较. 测量其反射率 曲线 ,研究其高反带宽度和最大反射率与计算是 否符合 ,并讨论. 观察其正入射和斜入射时透射光 与反射光颜色 ,并讨论. b. 设计和制备宽带高反膜 ,要求可见区都高 第 2 期 沈元华 :设计性、研究性物理实验介绍 53 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
物理实验 反射,写出膜系和中心波长(镀几层?每层的厚度相关的实验,通过认真的研究,反复实践,才能完 为多少?如何监控.测量其透射率曲线,研究其成实验要求 高反射范围是否包括整个可见区?是否有透射 带?透射带的波长和透射率有多大?讨论为什么4教学方法与初步成效 有透射带及如何减小这些透射带观察其反射与 设计性、研究性实验的教学内容不同,教学方 透射的颜色,说明之 法也不同 c.(选做)设计窄带高反膜.例如:要求制备氩 对于低年级学生,我们在常规的必做的普通 离子激光(λ=488m)防护眼镜.要求可见区只在物理实验课中插入一些设计性、研究性实验,让一 波长为(48810)m有高反射,且对488m的正些比较优秀的学生自愿进行这样的实验.当然,这 入射透射率小于1%要求确定膜料、层数及每层需要较多的实验时间.有些学生可以利用课外时 膜厚、监控方法 间来进行;我们也允许一些学生在课内进行:少做 3)设计与制备干涉滤光膜,测量并研究其光几个常规实验而做设计性、研究性实验实践证 谱特性 明,这些学生一般实验基础较好,少做几个常规实 a.设计与制备宽带滤光膜.例如,要制备只让验并不影响对他们的基本训练,而做了设计性、研 绿光(492577m)通过的滤光膜,可见区的其他波究性实验对他们的创新能力的培养大有好处 长均不能透过要求确定层数、各层材料及厚度, 对于高年级学生,我们专门开设了一门选修 说明监控方法.制成膜后进行测量:绿光的平均透课,就叫做“设计性研究性实验”(原来也叫“小课 射率T达到多少能否T>80%)?其他可见光的题实验”或“综合物理实验”).这些实验以培养 平均反射率R达到多少能否R>90%?讨论创新能力为目的,要求学生在一个学期的学习中 如何改进此滤光片的性能(提高T和R) 完成1~2个小型研究课题要求学生自己调研和 b.设计与制备窄带滤光膜.例如,设计在氦氖査阅资料,自己设计、装配、调试实验装置,直至完 激光接收器前用于提高信噪比的中心波长为633成教师只对其初步方案进行审核,并对其中关键 m窄带滤光片.要求透射带宽带小于6mm,在整性内容进行恰如其分的指导在整个实验教学的 个可见区没有其他透射带.要设计出膜系并确定全过程中,要求学生把学到的知识和技能,有创造 监控方法,最后制备出膜并测量整个可见区的透性地运用在实验的课题中,得到进一步巩固和提 射曲线估算使用它后信噪比可提高多少,并实测高.他们可以随时与教师交流想法,讨论问题,得 到启发和帮助;但不能依赖教师,全部实验工作必 4)设计与制备偏振分光膜,测量并研究其偏须由学生自己完成实验结束时,每个课题都要写 振特性 出论文,并进行答辩和交流近5年来,学生通过 偏振特性,比较它与二向色性偏振片和晶体偏振参考静 a.设计和制备对于钠黄光的平板型45°入射这类实验写出的论文已有37篇正式发表24 偏振膜(要求s光的反射率在98%以上),测量其 器(如尼科耳棱镜)的优缺点 [1]马世红,赵在忠,王煜,等开设实验选修课培养学 b.(选做)用ZhS-MgF2设计45°棱镜偏振分 生创新能力卩]物理实验,20022(3):27~29. 光膜比较它与平板偏振膜的优缺点.选择棱镜的[2]邓道盛,庞举徐新民,等改建CVD系统,制备金刚 折射率,确定膜厚,简述制备方法 石薄膜卩].物理实验,200020(4):35 显然,这样的教材与传统的实验教材有很大[3]徐鹰,干正卿,马秀芳等谈实验设计如何提高学生 的区别教材中没有实验步骤,只有建议的实验研 的兴趣—从x射线系列实验得到的启发]物理 实验,2002,22(7):2529 必须自己查阅梦考书(教材中列出了必读与选读明用类2③直性 的参考书目),回答这些问题后,才能设计并进行 2 01995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, LId Al rights reserved
反射 ,写出膜系和中心波长(镀几层 ? 每层的厚度 为多少 ? 如何监控 ?) . 测量其透射率曲线 ,研究其 高反射范围是否包括整个可见区 ? 是否有透射 带 ? 透射带的波长和透射率有多大 ? 讨论为什么 有透射带及如何减小这些透射带. 观察其反射与 透射的颜色 ,说明之. c. (选做) 设计窄带高反膜. 例如 :要求制备氩 离子激光(λ= 488 nm) 防护眼镜. 要求可见区只在 波长为(488 ±10) nm 有高反射 ,且对 488 nm 的正 入射透射率小于 1 %. 要求确定膜料、层数及每层 膜厚、监控方法. 3) 设计与制备干涉滤光膜 ,测量并研究其光 谱特性 a. 设计与制备宽带滤光膜. 例如 ,要制备只让 绿光(492577 nm) 通过的滤光膜 ,可见区的其他波 长均不能透过. 要求确定层数、各层材料及厚度 , 说明监控方法. 制成膜后进行测量 :绿光的平均透 射率 T 达到多少(能否 T > 80 %) ? 其他可见光的 平均反射率 R 达到多少 (能否 R > 90 %) ? 讨论 如何改进此滤光片的性能(提高 T 和 R) . b. 设计与制备窄带滤光膜. 例如 ,设计在氦氖 激光接收器前用于提高信噪比的中心波长为 633 nm 窄带滤光片. 要求透射带宽带小于 6 nm ,在整 个可见区没有其他透射带. 要设计出膜系并确定 监控方法 ,最后制备出膜并测量整个可见区的透 射曲线. 估算使用它后信噪比可提高多少 ,并实测 之. 4) 设计与制备偏振分光膜 ,测量并研究其偏 振特性 a.设计和制备对于钠黄光的平板型 45°入射 偏振膜(要求 s 光的反射率在 98 %以上) ,测量其 偏振特性 ,比较它与二向色性偏振片和晶体偏振 器(如尼科耳棱镜) 的优缺点. b. (选做) 用 ZnS - MgF2 设计 45°棱镜偏振分 光膜. 比较它与平板偏振膜的优缺点. 选择棱镜的 折射率 ,确定膜厚 ,简述制备方法. 显然 ,这样的教材与传统的实验教材有很大 的区别. 教材中没有实验步骤 ,只有建议的实验研 究课题 ;没有实验原理 ,只有一系列的问题. 学生 必须自己查阅参考书 (教材中列出了必读与选读 的参考书目) ,回答这些问题后 ,才能设计并进行 相关的实验 ,通过认真的研究 ,反复实践 ,才能完 成实验要求. 4 教学方法与初步成效 设计性、研究性实验的教学内容不同 ,教学方 法也不同. 对于低年级学生 ,我们在常规的必做的普通 物理实验课中插入一些设计性、研究性实验 ,让一 些比较优秀的学生自愿进行这样的实验. 当然 ,这 需要较多的实验时间. 有些学生可以利用课外时 间来进行 ;我们也允许一些学生在课内进行 :少做 几个常规实验而做设计性、研究性实验. 实践证 明 ,这些学生一般实验基础较好 ,少做几个常规实 验并不影响对他们的基本训练 ,而做了设计性、研 究性实验对他们的创新能力的培养大有好处. 对于高年级学生 ,我们专门开设了一门选修 课 ,就叫做“设计性研究性实验”(原来也叫“小课 题实验”或“综合物理实验”) [1 ] . 这些实验以培养 创新能力为目的 ,要求学生在一个学期的学习中 , 完成 1～2 个小型研究课题. 要求学生自己调研和 查阅资料 ,自己设计、装配、调试实验装置 ,直至完 成. 教师只对其初步方案进行审核 ,并对其中关键 性内容进行恰如其分的指导. 在整个实验教学的 全过程中 ,要求学生把学到的知识和技能 ,有创造 性地运用在实验的课题中 ,得到进一步巩固和提 高. 他们可以随时与教师交流想法 ,讨论问题 ,得 到启发和帮助 ;但不能依赖教师 ,全部实验工作必 须由学生自己完成. 实验结束时 ,每个课题都要写 出论文 ,并进行答辩和交流. 近 5 年来 ,学生通过 这类实验写出的论文已有 37 篇正式发表[24 ] . 参考文献 : [1 ] 马世红 ,赵在忠 ,王煜 ,等. 开设实验选修课 培养学 生创新能力[J ]. 物理实验 ,2002 ,22(3) :27～29. [2 ] 邓道盛 ,庞举 ,徐新民 ,等. 改建 CVD 系统 ,制备金刚 石薄膜[J ]. 物理实验 ,2000 ,20(4) :35. [3 ] 徐鹰 ,干正卿 ,马秀芳 ,等. 谈实验设计如何提高学生 的兴趣 ———从 X射线系列实验得到的启发[J ]. 物理 实验 ,2002 ,22(7) :2529. [4 ] 甘巧强 ,周立辉 ,谢斌平 ,等. 液晶光阀图像输出特性 的研究[J ]. 物理实验 ,2002 ,22(10) :4548. 63 物理实验 第 24 卷 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
第2期 沈元华:设计性、研究性物理实验介绍 Introduction of design and research physics experiments SHEn Yuarr hua (Department of Physics, Fudan University, Shanghai 200433, China Abstract Usually, the experiments assigned to students are for measuring some characteristics of matter or for proving some laws. These experiments are necessary but mt erough especially to develop students creativity Nowadays, we have reformed some experiments in which students are asked to design some methods and research some subjects. The teaching methd as well as the initial results of this new kind of experiment is introduced Key words education reform; design experiment; research experiment 《物理实验》稿约 《物理实验》杂志是由教育部主管、东北师范大学主办的中文物理类核心期刊。本刊宗旨主要是交 流物理实验研究成果,介绍国内、外物理实验方面的新发展。它适合于物理教师、理工科学生、物理实验 工作者以及教学仪器研制技术人员阅读。 1稿件内容 )物理实验前沿领域介绍 2)有关提高物理实验教学水平的专题论文及科研成果 3)新的实验设计,应用于技术领域和交叉学科中有显著效益的实验技术和方法 4)介绍国内、外物理实验教学及改革经验 5)计算机在物理实验中的应用,计算机实验与接口技术 6)介绍国内、外物理实验方面的新方法、新仪器设备和新材料; 7)介绍物理实验方面的重要史料 2稿件要求 1)文章要主题鲜明,论述正确,富于创新,文字精练,字数在500字以内。 2)来稿请在正文前写出150字以内的摘要,38个关键词,尽可能提供中图分类号。请附英文的题 、作者名、单位名摘要、关键词 3)插图最好用计算机按制图要求绘制,照片要对比鲜明,最好用黑白照片 4)科学技术名词、计量符号及单位应符合国家有关规定。 5)物理测量结果应给出不确定度 6)参考文献选择主要的引用,并在正文相应处标出。未公开发表的资料请勿引用。 7)来稿请提供作者简介、联系电话及上mail 8)可以用rmil来稿,亦可邮寄稿件(软盘)。请勿一稿多投。请自留底稿,来稿一律不退。凡采用 稿件3个月内通知作者。4个月后未见通知,作者可另行安排 9)本刊有责任对来稿作适当的文字删改或摘取部分发表,如不同意请在来稿时声明。 2 01995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, LId Al rights reserved
Introduction of design and research physics experiments SHEN Yuan2hua (Department of Physics , Fudan University , Shanghai 200433 , China) Abstract : Usually , the experiments assigned to students are for measuring some characteristics of matter or for proving some laws. These experiments are necessary but not enough especially to develop student’s creativity. Nowadays , we have reformed some experiments in which students are asked to design some methods and research some subjects. The teaching method as well as the initial results of this new kind of experiment is introduced. Key words : education reform ; design experiment ; research experiment 《物理实验》稿约 《物理实验》杂志是由教育部主管、东北师范大学主办的中文物理类核心期刊。本刊宗旨主要是交 流物理实验研究成果 ,介绍国内、外物理实验方面的新发展。它适合于物理教师、理工科学生、物理实验 工作者以及教学仪器研制技术人员阅读。 1 稿件内容 1) 物理实验前沿领域介绍 ; 2) 有关提高物理实验教学水平的专题论文及科研成果 ; 3) 新的实验设计 ,应用于技术领域和交叉学科中有显著效益的实验技术和方法 ; 4) 介绍国内、外物理实验教学及改革经验 ; 5) 计算机在物理实验中的应用 ,计算机实验与接口技术 ; 6) 介绍国内、外物理实验方面的新方法、新仪器设备和新材料 ; 7) 介绍物理实验方面的重要史料 ; 2 稿件要求 1) 文章要主题鲜明 ,论述正确 ,富于创新 ,文字精练 ,字数在 5 000 字以内。 2) 来稿请在正文前写出 150 字以内的摘要 ,38 个关键词 ,尽可能提供中图分类号。请附英文的题 目、作者名、单位名、摘要、关键词。 3) 插图最好用计算机按制图要求绘制 ,照片要对比鲜明 ,最好用黑白照片。 4) 科学技术名词、计量符号及单位应符合国家有关规定。 5) 物理测量结果应给出不确定度。 6) 参考文献选择主要的引用 ,并在正文相应处标出。未公开发表的资料请勿引用。 7) 来稿请提供作者简介、联系电话及 E2mail。 8) 可以用 E2mail 来稿 ,亦可邮寄稿件(软盘) 。请勿一稿多投。请自留底稿 ,来稿一律不退。凡采用 稿件 3 个月内通知作者。4 个月后未见通知 ,作者可另行安排。 9) 本刊有责任对来稿作适当的文字删改或摘取部分发表 ,如不同意请在来稿时声明。 第 2 期 沈元华 :设计性、研究性物理实验介绍 73 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved