基于仿真实验平台改善牛顿环教学效果研究

摘要：本文以大学物理实验课程中牛顿环实验操作读数显微镜的教学为例，结合仿真实验的操作演示。此对于改善牛顿环教学质量具有较为明显的成效。

关键词：牛顿环;仿真实验平台;辅助教学

1.前言

牛顿环具体现象为：用单色光（或复色光）照射放在平面玻璃上的平凸透镜，其现象是明暗相间的单色（彩色）同心圆，相邻同心圆的距离随着远离圆心将越来越近[1]。牛顿环是一种薄膜干涉现象，球面上的透射和平面上的反射光线是两束相干光，经相互干涉形成干涉条纹。在干涉现象中，不论何种干涉，相邻干涉条纹（亮纹或暗纹）的光程差的改变量都等于相干光的波长，可见光的波长虽然很小，但干涉条纹间的距离或干涉条纹的数目是可以计量的。因此，通过对干涉条纹数目或条纹移动数目的计量，可以得到以光的波长为单位的光程差。利用光的等厚干涉可以测量光的波长，检验表面的平面度，球面度，光洁度，以及精确测量长度，角度和微小形变等，在科学研究与计量技术中有着广泛的应用。

在物理实验教学中，要观察到清晰的牛顿环现象以及准确测量牛顿环不同环的直径，需要求学生较为熟练使用读数显微镜。由于仪器调节和数据测量需要结合现象去操作，作为教师要让学生能较为更快理解相应操作原理，需要解决的主要问题是牛顿环现象与具体操作调节的同步呈现。例如，调节读数显微镜物镜焦距 看清牛顿环现象;调整钠灯角度位置防止光源不足影响观察及测量等操作都需要实验者亲自通过显微镜观察，教师一对多教学的操作演示就会存在局限性，最终导致学生不理解操作严重影响数据精度[2]。因为这种问题的存在，此类实验往往会出现老师讲解后，学生较难理解的情况。

2.牛顿环基本原理

在平板玻璃面上放一个曲率半径很大的平凸透镜，这样在凸透镜和平面玻璃之间，形成一层厚度不均匀的空气薄膜，单色光从上方垂直入射到透镜上，透过透镜，近似垂直地入射于空气膜。分别从膜的上下表面反射的两条光线来自同一条入射光线，它们满足相干条件并在膜的上表面相遇而产生干涉，干涉后的强度由相遇的两条光线的光程差决定，二者的光程差△’ 等于膜厚度e的两倍，即△’ =2e

此外，当光在空气膜的上表面反射时，是从光密媒质射向光疏媒质，反射光不发生相位突变，而在下表面反射时，则会发生相位突变，即在反射点处，反射光的相位与入射光的相位之间相差 ，与之对应的光程差为 /2，所以相干的两条光线还具有 /2的附加光程差，总的光程差为

在实际问题中，考虑到由于玻璃的弹性形变及接触处不干净等因素，透镜和玻璃板之间不可能是一个理想的点接触。这样一来，干涉环的圆心就很难确定，rk就很难测准，而且在接触处，到底包含了几级条纹也难以知道，这样级数k也无法确定。在实验中，我们选择两个离中心较远的暗环，假定他们的級数为m和n，测出它们直径dm = 2rm，dn = 2rn，由此得出

从这个公式可以看出，只要我们准确地测出某两条暗纹的直径，准确地数出级数m和n之差（m-n）（不必确定圆心也不必确定具体级数m和n），即可求得曲率半径R。

3.利用仿真实验操作演示

如图所示，利用鼠标点击对应位置即可调节相应位置的参数，例如点击显微镜目镜镜筒位置，可调出观察窗口，观察窗口中的干涉现象随着调节对应发生变化。例如鼠标左键点击目镜位置箭头可调节观察窗口中十字叉丝顺（逆）时针旋转;鼠标左键点击物镜旋钮可调节显微镜镜筒高度，改变观察窗口干涉图像的清晰程度;鼠标左右键点击反光镜，调节射入光强，改变观察窗口干涉图像的明亮程度;鼠标左键点击测微鼓轮，调出微调标尺窗口，调节测微鼓轮，标尺读数改变，观察窗口中的十字叉丝随着测微鼓轮的转动左右平移。基于仿真读数显微镜的演示，仪器的操作与现象非常直观地展现出来。

4.结束语

在牛顿环实验教学读数显微镜的操作过程当中，许多仪器的调节需结合实验者所观察到的现象进行操作，教学效果往往不理想。通过教师利用投影仿真实验的操作画面，学生能够非常直观地观察到操作和同步现象直接联系，从而加深对该实验调节操作的理解。将仿真实验平台作为牛顿环物理实验教学的辅助工具，在一定程度上能提高实物理实验教学质量。

参考文献

[1]朱晓梅，向伟铭，姜向东.牛顿环实验的数据处理改进及图像分析[J].物理与工程，2019，29（03）：55-58+62.

[2]韩湖斌.牛顿环实验读数误差分析及改进方法研究[J].科技资讯，2019，17（07）：227-229.

作者简介：刘祥（1991.09-），男，汉族，四川成都人，讲师，硕士，主要从事大学物理实验教育研究。