大学物理实验项目的探索和创新

樊代和 贾欣燕 魏 云 常相辉 刘其军 王 辉

(西南交通大学物理科学与技术学院；物理国家级实验教学示范中心(西南交通大学)，四川 成都 611756)

1 提出问题

大学物理实验课程是国内大多数高校，特别是理工科类高校对学生进行科学实验基本训练的必修基础课程之一[1]，主要授课对象为刚进入高校的1～2年级学生，是本科生接收系统实验方法和实验技能训练的开端。通过对大学物理实验课程的学习，一方面可以培养高校学生的实际动手操作能力；更重要的是，学生通过学习大学物理实验内容的实验思想、方法及手段等，能够进一步培养学生的科学实验基本素养和严谨的科学态度[2]，为其在后续的研究生学习阶段打下一个坚实的实验基础。同时，通过大学物理实验课程的学习，能够进一步提高学生在日常工作和生活中分析问题和解决问题的能力。因此，如何充分地发挥大学物理实验课程项目在高校创新型人才培养中的重要作用，是值得每一个高校教师深入思考的问题。

目前，分光计实验(包括三棱镜相关参数测量及光栅常数测量等)、金属丝杨氏弹性模量测量实验、迈克耳孙干涉仪实验等几个实验项目是国内大多数高校均开设的基本实验内容[3-5]。其中，分光计实验项目提供了一个可精确测量角度以及通过精确测量角度进而测量其他物理量(如折射率、光栅常数等)的方法。金属丝杨氏弹性模量测量实验项目提供了一种测量微小伸长量(微米量级)的实验技术。特别是，迈克耳孙干涉仪作为一个获得过诺贝尔物理学奖的实验项目，其解决“以太漂移”问题的实验思想，对现代物理学的发展起到了至关重要的作用。因此，可以看出，大学物理实验课程中涉及的这几个实验项目，每一个都包含了丰富的物理实验思想、方法或手段。如果高校教师能够通过深入讲授这些实验项目中所包含的具体内容，然后将这些实验项目进行有机结合，或者说将其中一个实验项目的思想或者技术手段应用于另一个物理量的测量中，必定能够对本科生创新实践能力的培养提供有利的支持。

基于此，本文将从以上所提到的3个具体的实验项目内容为例出发，通过对某一实验内容进行深入挖掘和探索，或者对两个实验项目进行有机结合，提出了一些创新性的实验教学内容。通过教学实践发现，这些创新性实验教学内容都可以取得如研究论文发表、发明专利授权等成果。因此，对大学物理实验内容的探索和创新可为高校创新性人才的培养奠定基础。

2 实验项目的探索和创新

首先，我们以探索“分光计调整和使用实验”为例进行阐述。通常而言，传统的关于分光计的大学物理实验项目内容，常为分光计的调节方法、三棱镜顶角的测量(分光束法、自准直法)以及折射率的测量(最小偏向角法[6]、掠入射法[7]、垂直底边入射法[8])等。然而，值得学生去探索的问题至少有3个：第一，在三棱镜折射率的测量中，上述究竟哪种测量方法，可以得到更为精确的结果？第二，在某一特定测量方法下，选取什么样的实验参数，可以得到较为精确的测量结果？第三，在实际的实验测量过程中，哪一个物理量的测量误差，将对折射率的测量精度影响较大，以及其影响程度有多大？如果学生能针对以上的3个问题进行详细的研究，并给出合理的理论解释，这才能充分表明开设“分光计调整和使用实验”的必要性。

为此，我们将以上提到的3个问题，作为一个大学物理实验课程的第二课堂作业，让学生去思考并完成。最终，学生通过绪论课中学习到的不确定度分析和计算相关知识，对上述问题进行了详细研究，并得出了一定的理论结果[9]，该结果已发表于《激光与光电子学进展》期刊。

从图1所示的分析就可以清晰地得出上述3个问题的答案。例如，从图1(a)可以看出，当选择三棱镜顶角A<25°时，掠入射法测折射率可获得最小的相对不确定度值，同时，随着选取的三棱镜的顶角值的增大，可明显地降低折射率的相对不确定度值。从图1(b)可以看出，不论采用何种测量折射率的方法，顶角的测量误差，都将明显地影响折射率测量的相对不确定度值。特别地，对掠入射法而言，当仅考虑顶角的测量误差约为5′时，将会导致折射率的相对不确定约为0.12%左右的结论。

图1 分光计测量三棱镜折射率的3种方法，(a)折射率相对不确定度与三棱镜顶角选取大小的关系，以及(b)三棱镜相关参数测量不确定度对折射率相对不确定的影响关系[9]

由这一案例可以表明，如果能对传统的分光计实验项目进行一个深入的探索，一方面可以发挥学生学习的积极性，另一方面，也可以培养学生的创新能力，并取得如研究论文发表的创新成果。

其次，我们以“金属丝杨氏弹性模量测量实验”和“迈克耳孙干涉仪实验”这两个大学物理实验项目相结合为例，阐述如何通过将某一实验的实验技术手段，用于另一实验方案的改进，以及如何利用某一实验的实验原理，设计出具有创造性的发明装置，进而培养学生的创新能力。

关于金属丝杨氏弹性模量测量的实验，尽管有多种不同的实验原理来实现测量，但目前国内大多数高校仍然采用静态拉伸法的原理来开展实验[3-5]。该方法中最重要的一个测量内容就是金属丝受一定拉力时的伸长量测量。通常情况下，实验中该伸长量在几十微米量级，因此是一个微小伸长量，通常采用光杠杆的原理来进行测量。在利用光杠杆原理来进行这一微小伸长量的测量时，为了提高光杠杆的放大率，一般通过增大平面镜到标尺的距离来实现，但这样造成的不利结果是，学生需要在望远镜和钢丝之间来回操作和测量，增加了实验的不方便性。另一方面，为了能增加钢丝受力时的伸长量，也可以通过增加钢丝的原长来解决。但这样造成的后果是，钢丝原长增加将会使其自然弯曲的可能性变大，最终导致杨氏弹性模量值测量误差的增大。是否有好的实验技术手段来克服这一问题，需要同学们做出创新。

事实上，“迈克耳孙干涉仪实验”也是国内大多数高校开设的大学物理实验项目之一[3，5]。此实验的开设，从理论角度而言，可以让学生理解分振幅原理产生相干光束的方法以及掌握相关的干涉的原理。从实验角度而言，当微小改变动镜和定镜之间的距离时，即可在观察屏上观察到干涉同心圆环产生或者湮灭的现象。利用这一现象，就可以实现入射光波长的测量。能否利用迈克耳孙干涉仪的原理，来实现测量金属丝杨氏弹性模量实验中的微小伸长量？或者说能否将迈克耳孙干涉实验的技术原理，应用到金属丝杨氏弹性模量测量实验中，进而克服上述提到的，传统金属丝杨氏弹性模量测量实验中的不利因素？这是一个值得学生去创新的问题。

基于此，我们同样将此问题作为一个大学物理实验课程的第二课堂项目，让学生进行思考。最终，学生们通过将这两个实验进行综合创新，设计出一个基于迈克耳孙干涉原理的金属丝杨氏弹性模量测量方案(如图2(a)所示)，并进行了实际的实验，对提出的方案进行了检验，实验结果可如图2(b)所示。该创新结果发表于《物理实验》期刊[10]。

图2[10] (a) 实验装置图； (b) 实验结果图

从图2(a)可以看出，采用未扩束的He-Ne激光作为光源，通过将被测量金属丝的一端固定于迈克耳孙干涉仪的动镜处，另一端连接一拉力计对金属丝的受力进行测量，最终可以得出如图2(b)所示的迈克耳孙干涉峰出现个数随金属丝受力大小的变化关系曲线。从图中可以看出，实验结果(图2(b)中的“+”号所示)呈现出完美的线性关系(图2(b)中的实线所示)，进一步证明了该设计方案的有效性。值得注意的是，在此方案中，由于所采用的金属丝长度较短(约13cm左右)，因此一方面可有效降低传统杨氏弹性模量测量实验中，由于金属丝原长较长所导致的自然弯曲不利情况的发生；另一方面，只需要施加较小的力即可完成杨氏弹性模量的测量。事实上，施加较小的力有两个潜在的优点：一是可以保证整个实验过程中金属丝处在弹性限度范围内；二是可有效降低由于动镜受力而导致的迈克耳孙干涉结果影响。由于迈克耳孙干涉原理可以实现波长量级(可见光波长为几百纳米)的微小伸长量测量，进一步，由于迈克耳孙干涉仪的结构较为紧凑，因此，该设计方案可有效地克服基于光杠杆原理测量金属丝杨氏弹性模量实验中的不利因素。

同时，我们也鼓励学生利用所学到的实验原理和技术，做出不局限于大学物理实验项目的创新。例如，考虑到迈克耳孙干涉仪可测量微小伸长量的原理，学生还设计出了一种地震等级及地震位置的测量装置，如图3所示[11]。其中，图3(a)是设计测量仪结构图，其主要工作原理就是迈克耳孙干涉光路，图3(b)表示了将3个迈克耳孙干涉光路分别安装在某地的xyz3个方向上，用于测量空间3个垂直方向上的地震波引起的迈克耳孙干涉条纹，进而判断出地震等级。图3(c)表示了将多个如图3(b)所示的装置放置于空间中3个不同的位置，通过测量地震波到达此3个位置的时间，就可以确定出地震的位置。目前，该装置已经获得了发明专利授权[11](授权号：201511020807.2)。

图3 地震等级及位置测量仪发明专利[11]。其中，(a) 表示测量仪结构示意图； (b) 表示测量仪安装位置图； (c) 表示地震位置测量示意图

3 总结

本文以国内大多数高校开设的3个大学物理实验项目(分光计实验、杨氏弹性模量测量实验、迈克耳孙干涉仪实验)为例，阐述了如何通过将传统的分光计实验项目内容进行探索，进而使学生能够对该实验项目进行深入的学习。同时，本文也阐述了如何将传统的迈克耳孙干涉实验项目的实验原理和方法应用于传统的金属丝杨氏弹性模量测量实验中，进而对原实验方案进行改进。最后，本文也简单阐述了如何将迈克耳孙干涉实验的实验原理和技术，应用于地震等级及位置的测

量装置设计中。通过这些实际案例的阐述可以发现，如果能对传统的大学物理实验内容进行深入探索或有机结合，能够取得如研究论文发表、发明专利授权等创新性成果，进而为本科生创新能力的培养奠定基础。