牛顿环实验在虚拟仿真和传统教学的差异

景素华 周晓云

摘 要：依据牛顿环实验，从实验的结果、教学方法和教学实施过程对比虚拟仿真实验和传统实验教学的差异，实验教学不宜只依靠虚拟仿真实验来完成，建议将虚拟仿真和传统实验教学结合起来，发挥各自的优势。

关键词：牛顿环；虚拟仿真；传统教学

牛顿环实验作为一个经典光学实验项目，传统实验通常以实物来展开。近年来，虚拟仿真技术逐渐应用到大学物理实验中，牛顿环实验也不例外。本文就牛顿环实验，结合教学实际，说明虚拟仿真实验与传统教学的差异。

1. 实验原理

采用常用的测量理论测量暗环纹，为了提高实验精度，用环数差来代替级数差，将测量直径改为测量弦长[1]，理论公式为

R=（Lm2-Ln2）/4（m-n）λ （1）

2. 实验数据记录与处理

设中心暗斑为零环，向左移至35暗环以外，消除空程误差，然后反向转动鼓轮，逐次读取30-26暗环和15-11暗环的位置坐标，继续朝同一方向转动鼓轮（为防止产生空程差），越过中央暗斑，逐次读取右方11-15暗环和26-30暗环的位置坐标，将数据记入表格，实验数据采用逐差法 [2]。

3. 实验结果

通过两学期的虚拟仿真实验和传统实验教学，选取具有代表性的两组数据来分析，表1和2分别是虚擬仿真和传统实验数据及处理结果。

表1 虚拟仿真实验数据及处理结果（单位mm）

环数 左读数xk左 右读数xk右 直径D

|xk左-xk右| 直径平方D2 平方逐差

Dk+52-Dk2 实验结果

30 60.230 51.034 9.196 84.566 42.679 平均值1217.917

百分

误差

21.80%

29 60.146 51.116 9.030 81.541 43.566

28 60.069 51.189 8.880 78.854 42.806

27 59.989 51.266 8.723 76.248 42.967

26 59.900 51.352 8.548 73.068 42.697

15 58.867 52.395 6.472 41.679

14 58.756 52.513 6.243 38.975

13 58.634 52.630 6.004 36.048

12 58.525 52.756 5.769 33.281

11 58.389 52.878 5.511 30.371

表2 传统实验数据及处理结果（单位mm）

环数 左读数

xk左 右读数

xk右 直径D

|xk左-xk右| 直径平方

D2 平方逐差

Dk+52-Dk2 实验结果

30 38.715 30.055 8.660 74.996 35.180 平均值990.033

百分

误差

0.10%

29 38.630 30.130 8.500 72.250 34.857

28 38.565 30.205 8.360 69.890 34.725

27 38.480 30.270 8.210 67.404 34.857

26 38.415 30.350 8.065 65.044 34.904

15 37.505 31.195 6.310 39.816

14 37.410 31.295 6.115 37.393

13 37.310 31.380 5.930 35.165

12 37.200 31.495 5.705 32.547

11 37.095 31.605 5.490 30.140

从上面两组表中可以看出，从左往右依次测量，左30环到右30环的测量数据都依次减小，但二者差异较为明显。对于每一个测量值，虚拟数据比传统实验的数据大很多，另外，按照同样的实验数据处理方法，虚拟仿真实验的结果误差20.08%远大于传统实验0.10%。

4. 两种教学方式的其他差异

在传统实验教学中，该实验可以加深对等厚干涉及半波损失理论的理解，培养学生的基本实验技能，提高解决实际问题的能力。但在传统牛顿环实验中常存在这样一些问题：

教师演示时，只有部分学生能看到教师演示出的实验现象；学生操作时，教师无法直观地看到学生调节出来的牛顿环图像，难以判定学生对实验掌握的程度；整个实验过程学生必须把眼睛一直紧贴读数显微镜的目镜，严重加重了学生和教师眼睛的负担，很容易产生视觉疲劳而数错环数；牛顿环实验耗时较长。

而在虚拟仿真实验中能有效克服传统实验教学的缺点：

由于实验全程通过点击鼠标的左右键来完成，所以教师演示投影在屏幕上，学生容易看见学会；学生在上机操作过程中，教师能实时看到操作的画面；仿真实验的图像较为缓和且固定不变，不容易产生视觉疲劳；仿真图像放大的比较明显，学生不容易数错环数，同时仿真实验调节的较为迅速，实验时间明显缩短。

但在虚拟仿真实验中仍存在不可忽视的缺点：

牛顿环实验难点一在于光路的调节，但在仿真实验中，只需将牛顿环仪放在载物台上就一定能看到牛顿环图像，学生放错会有提示，这样通过计算机完成实验只需2分钟左右，操作机械，而在传统实验中最开始是很多学生找不到图像。

该实验难点二在于找到清晰且无视差的牛顿环图像。而虚拟仿真实验只需将鼠标放在调焦手轮上，点击鼠标的左右键即可进行调焦，可调节的范围很窄，缺少多方面的实验技能的训练。而在传统实验中，我们可以通过擦拭牛顿环仪、调节调焦手轮、改变钠光灯的远近高低位置和半反透镜的角度等多方面来调节。另外，仿真实验平台提供在线演示，包含实验操作和实验数据，导致部分学生容易投机取巧。

5. 总结

通过实验数据的对比，虚拟仿真实验结果误差较大，不宜只依靠虚拟仿真实验来完成实验教学。在实验教学的其他方面，两种教学方法互补，为了最优地利用教学资源，我们可以将虚拟仿真实验和传统实验相结合。课前开放虚拟仿真实验平台，作为学生的预习工具，让学生对即将进行的实验有一个深刻的了解，避免传统实验的盲目抄实验报告，节约实验时间。传统实验仍然作为上课的主要手段，训练学生的基本实验技能，实验结束后可以继续使用虚拟仿真实验平台在传统项目进行延伸实验，最终达到实验教学的目的。

参考文献

[1]余虹. 大学物理实验[M]. 北京：科学出版社，2007. 58～61.

[2]张望霞. 对牛顿环实验中不等精度测量数据的处理[J]. 物理实验，1997（3）：112～113.