大学物理实验研究性教学的探讨与实践——液晶的电光效应及其应用

陈洪云，郑安寿，张光勇

(中国地质大学(武汉)，湖北 武汉　30074)

大学物理实验研究性教学的探讨与实践
——液晶的电光效应及其应用

陈洪云，郑安寿，张光勇

(中国地质大学(武汉)，湖北 武汉30074)

摘 要：本文以液晶的电光效应为例，介绍了如何在传统大学物理实验中适当引入研究内容，提高学生的创新能力，探索在大学物理实验教学中进行研究性教学的途径，使大学物理实验成为培养学生创新能力的课程，有效实现创新能力的渗透式培养。

关键词：大学物理实验；研究性教学；创新人才培养；液晶

1对大学物理实验的思考

大学物理实验是理工科大学院校学生必修的一门公共基础课，是一门实践性很强的课程，在全面提高学生科学素质，培养学生的创新能力方面具有其他学科不可替代的重要作用。目前国内大部分高校开设的物理实验都采用了几十年的传统的实验教学手段，实验内容基本上只注重基础性内容，多为验证性实验，它们只需要最简单的仪器和设备、按照实验讲义上的操作步骤，就能得出最直观的物理实验现象和最根本、单纯的科学结论，但实验内容、实验技巧和实验方法缺乏创新思想。这样的实验教学模式不能有效调动学生的主观能动性，束缚学生科学思维能力的发展，不利于对学生进行科研素质和创新能力的培养。虽然大多数高校对物理实验教学体系都有一定程度的研究，但没有一套完整的培养学生创新能力的物理实验教学体系，并且科学技术领域的新发展以及工程技术领域的新应用在日常实验教学中极少反映，所以很难激发学生的物理实验兴趣，大大制约了物理实验课程的发展[1-3]。

目前全国不少高校在对理工科各专业学生的大学物理实验教学中，开展了较为深入的培养学生创新能力的大学物理实验教学改革，在传统的教学过程中培养学生自主实验的同时通过开放实验、虚拟实验、设计性实验、实验竞赛以及参与新实验设备研制等多种激励机制，其目的是改变学生被动接受的学习模式，加强科学研究方法的学习，引导学生把注意力放在实验探究活动上，培养学生的自主能力和科研能力，提高其实验素质[4-10]。

本文以我校大学物理实验中心开设的液晶的电光效应实验为例，论述我校物理实验教学的探索与改革。液晶作为一种高分子材料，因其特殊的物理、化学、光学性质，现已被广泛应用于轻薄的显示技术上[11,12]，在实验讲解时，简单介绍液晶显示技术在我们生活中的应用，能激发学生的兴趣，使学生由被动的实验学习转变为主动的实验学习。

2液晶的电光效应

本实验所用仪器为杭州精科仪器有限公司生产的FB738型液晶电光效应实验仪，实验光路图如图1所示。

图1　液晶光强调制实验光路图

光学导轨上依次同一高度摆放氦氖激光器、前表面带起偏板的液晶盒、检偏版、光电探测器，并用导线与控制主机相连。由实验控制主机对激光器提供电源，液晶盒两端的驱动电压可以通过控制主机进行调节，光线透过液晶盒与检偏板后被光电探测器接收，光电探测器将接收到的光信号转换成电信号并反馈到控制主机上的光功率显示窗口上，可以直接读出接收到的光功率大小，从而得到光随电压的变化数据。

根据表格数据，以透光度为y轴，驱动电压为x轴，用Excel工具作出透光度随电压变化的液晶电光特性曲线图，如图2：

图2　电光特性曲线图

通过上面的数据我们的可以得到阈值电压Uth=0.8 V ，当液晶样板的透光度达到90%时所对应的电压称为饱和电压，Ur=4.3 V，它是施加在液晶上的电压数值所获得的最大对比度的标志，它的数值越小，因为需要的电压较低，则功耗越小，从而寿命越长，那么反应了此液晶的显示效果越好。实验所测量的参数包括最大光功率Wmax=4.5 μW以及最小光功率Wmin=0.9 μW。它们的比值即为对比度Dr=Wmax/Wmin=5，饱和电压与阈值电压的比值称为陡度β=Ur/Uth=2.17。

3液晶时间响应特性的测定

如果液晶的响应时间越短，那么它显示动态图像的效果就越好，液晶的响应时间是液晶显示器的重要指标，所以测定液晶的时间响应特性在现实中具有重要的指导意义。当加上或去掉驱动电压时，能使液晶的分子排列发生变化，这种重新排列是需要时间的，用示波器通过主机转换就能测出时间响应曲线，本实验测得液晶样品时间响应曲线如图3所示。

图3　液晶样品时间响应曲线

通过示波器显示的数值我们得出了上升时间Tr=247.8 μS 以及下降时间Td=298.8 μS。

4液晶相位调制实验光路图

在一般的实验教材讲义中，大多要求学生把上面的有关液晶的性质测量出以后，就不再有其他的实验要求。为了帮助学生打开思路，激发学生进行创新性实验的兴趣，培养学生的创新意识和创新能力，我们在实验教学的过程中建议学生能否与其他的实验相结合，深入学习液晶的性质及其应用。下面是我校实验中心学生设计的液晶在迈克逊干涉实验中的相位调制实验，实验光路如下图4所示：

图4　液晶相位调制实验光路图

液晶相位调制实验，实验光路为基于迈克逊干涉仪的光路，将液晶盒至于其中一条光路之上，氦氖激光器发出的光波长为632 nm，经扩束镜L的扩束准之后由迈克逊干涉仪的分束镜分为两束，其中一束经过液晶盒的调制并由反射镜M1反射回来，另一束不经过液晶盒的调制经过补偿板并由反射镜M2反射回来称为参考光，参考光与被液晶盒调制的光在观察屏W上发生干涉，所以可以用这个基于迈克逊干涉仪的光路进行液晶盒的相位调制实验。

手动调控驱动电压从0开始逐渐增大，用相机拍下干涉条纹随外加电压的变化情况，在实验过程中我们发现了如下规律：

(1)驱动电压约在0～0.96 V之间，干涉条纹图像没有明显变化，未观测到干涉条纹的吞进或吐出现象，说明相位调制量在该区间变化较平缓。

图5　干涉条纹随电压的变化图

(2)驱动电压约在0.96～1.68 V之间，我们观测到干涉条纹随着电压的变化比较明显，在调节驱动电压的过程中观测到有一条暗纹从原本是亮纹的干涉圆环的中心吐出，图5是采集到的从干涉暗条纹出现开始并逐渐从干涉圆环中心吐出的干涉条纹的图像。

电压在0.96～1.68 V之间时，观测到干涉条纹随着电压的增加有着明显的吐出，在实验过程中观测到有一条暗纹在干涉圆环的中心吐出，说明相位调制在该电压区段比较剧烈。根据迈克逊干涉仪的原理知，在该电压区段，液晶的光程差改变了约半个波长，即得到相位调制量约为π。

(3)驱动电压在1.68 V之后，干涉条纹的图像再也没有明显的变化，说明相位调制量基本已达到最大值。

5结束语

由于篇幅限制，这里仅介绍了对液晶的电光效应及响应时间的测量和液晶在迈克尔逊干涉实验中的应用。该实验还可以对液晶的方向角等相关的实验测量，并可以进一步拓展到对其他应用的研究，形成高年级的课题型实验，实验可以充分发挥学生的主观能动性，利用他们的聪明才智，大胆提出不同的观点和见解，通过实验研究，获得新的结论，有效实现创新能力的渗透式培养。

参考文献：

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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

基金项目：中国地质大学(武汉)校级实验技术研究项目“基于波导阵列经典模拟量子现象”(2015)

文章编号：1007-2934(2016)02-0142-04

中图分类号：G 420

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.002.038