設計一種干涉裝置測量氣體折射率00未收錄未收錄未收錄

㈠ 用邁克爾遜干涉儀測空氣折射率

一個研究型實驗項目的探討
——利用邁克耳遜干涉儀測氣體折射率

王法遠
（淮北煤炭師范學院物理系 指導教師：戴建明）

摘 要：「研究型」物理實驗的開設對激發學生的求知慾、拓寬其知識面、培養其創新思維能力等方面都具有重要意義。本文以邁克耳遜干涉儀實驗為例，通過在實驗裝置中增設可調壓強的氣室和CCD圖像採集系統，實現對干涉圖樣的實時觀察和氣體折射率的較精確測量。實驗設計還考慮到了實驗內容及其難度的可深入與拓展空間，具有很強的研究型實驗特點，並且可以根據適當的教學設計將此實驗開設成綜合性或設計性實驗。
關鍵詞：研究型物理實驗;邁克耳遜干涉儀;CCD;折射率

A Research-type Physical Experiment
——Measurement of gas』 refractive index by using Michelson interferometer
Fayuan Wang
Tutored by Jianming Dai
Department of Physics, Huaibei Coal Instry Normal College
Abstract: The research-type physical experiments can play very important role to excite the students』 thirst for knowledge, widen the range of knowledge, cultivate the innovative and research ability. As an example, a research-type experiment, the measurement of gas』 refractive index by using Michelson interferometer and CCD system, is designed and putted in practice. The developmental space in content and complexity is considered in the design of experiment. It is indicated that the experiment has the obvious characters of research and very suits to study as research-type experiment for students.
Keywords: research-type physical experiment;michelson interferometer;CCD;refractive index

1 引言
隨著社會科技、經濟的高速發展，人才競爭越來越激烈，如何培養具有創新能力的高素質人才已受到普遍關注，這也對高校教育教學提出了新的挑戰和要求。對理工科各專業來說，大學物理實驗教學對培養學生的實踐能力、分析和研究問題的能力起到十分重要的作用，因此在高校創新型人才的培養中，大學物理實驗教學的改革首當其沖。
長期以來，由於受應試教育和傳統文化等方面的影響，與國外學生相比我國的學生學習非常刻苦、理論知識相當扎實，但在動手能力和創新意識上顯得不足。
而另一方面，目前大學物理實驗教學中也存在許多不利於學生創新能力培養的因素，突出表現在實驗內容偏重於驗證性，實驗的理念、思想、方法和手段落後等。為改變這一格局，近年來，各高校和教學管理部門都十分重視對「綜合性、設計性、研究性」實驗的開設要求[1-3]。但究竟什麼是綜合性、設計性、研究性實驗，如何開設這樣的實驗，仍然需要作深入的研究和教學實踐。本文就如何開設研究型實驗作一探討，並給出一個研究型實驗案例作詳細的實驗分析。
2 研究型實驗及其開設要求
2.1 研究型實驗的基本內涵
通常「研究型」物理實驗是在綜合性、設計性物理實驗的基礎上由學生自己選題、查閱文獻、設計實驗方案，在教師指導下完成實驗。「研究型」實驗通常是要求學生帶著問題測取數據，摸索實驗規律，然後帶著問題查找資料、探尋答案，並試著對所觀察到的現象進行理論分析，並做出合理的解釋。這類實驗的開設目的是全方位地鍛煉學生實驗研究的能力，充分調動學生的主動性和積極性，激發他們從事物理學研究的興趣和熱情，為以後從事科研工作打下良好的基礎。
2.2 研究型實驗的選題
研究型實驗要精心選題、科學設計。實驗內容要新穎、有趣味性，物理現象比較明顯和具有可研究性。同時還要考慮實驗室條件和學生的水平與能力，能讓學生在比較熟悉的理論基礎上作初步的分析與發展。既要與已知的現象、理論和方法有聯系又要有一定的深度和廣度。作為基礎物理實驗，研究型實驗內容不能過於復雜，要求不宜過高，要能通過分析、討論和查閱資料等方式讓學生可以比較容易地設計和實施實驗方案。
2.3 如何開展研究型實驗的教學
與傳統物理實驗不同，研究型實驗可以較充分地發揮學生的主觀能動性去探索未知的領域。因此，開設此類實驗項目的最好方式是利用實驗室開放的形式，由學生自主選擇和掌握實驗時間。研究型實驗項目可以有教師指定和學生自擬等形式，但無論那種形式，對實驗指導教師都提出了更高的要求。指導教師要對學生所選的研究型實驗項目在實施過程中可能出現的各種問題有充分的估計和認識，能夠引導、啟發和激勵學生完成實驗，並掌握能作進一步深入研究的空間。
研究型實驗更注重實驗結果的分析、討論和總結。因此，學生完成研究型實驗後要求寫出的實驗報告可以不同於普通實驗的報告，可以寫成研究總結報告形式或研究論文形式，甚至可以採用學術報告的形式口頭報告研究結果。
3 利用邁克耳遜干涉儀進行研究型實驗項目的設計
邁克耳遜干涉儀是一種典型的利用分振幅方法實現干涉的光學儀器，作為近代精密測量光學儀器之一，被廣泛用於科學研究和檢測技術等領域[4]。利用邁克耳遜干涉儀，能以極高的精度測量長度的微小變化及其與此相關的物理量。如果與CCD攝像、圖象處理等現代監測技術結合，可以實時觀測和分析各種干涉現象的變化，達到干涉檢測和自動控制的目的[5,6]。因此，利用邁克耳遜干涉儀進行研究型實驗設計具有變化多、內容豐富、研究性突出等特點。這里我們以「利用邁克耳遜干涉儀測量氣體折射率」 為題，作為一個研究型實驗的案例，簡述其實驗設計與實施過程。
3.1 設計原理與實驗裝置
實驗時，可以向學生提供：邁克耳遜干涉儀、He-Ne激光器、帶氣壓表的「氣室」、CCD圖象採集系統等實驗器材，要求設計一個實驗方案並測定空氣等氣體的折射率。這里簡述實驗基本原理：
在傳統的邁克耳遜干涉儀的一個測量光路上放置一個可充氣的「氣室」，干涉圖的觀測採用CCD和計算機進行圖象採集與處理。如圖 1為利用邁克耳遜干涉儀測定氣體折射率的實驗光路圖。

圖 1 實驗光路圖
圖中P為「氣室」，它是由腔體、壓力表和皮囊等組成。通過皮囊可以給氣室中的氣體增加壓力，也可以通過皮囊的減壓閥放氣給氣室減壓，腔內氣壓可以通過壓力表讀出。圖中接收屏W處放置一CCD攝像頭，干涉圖像可以通過計算機進行顯示和處理。
當激光束通過圖1中M1前面的氣室時，干涉圖樣隨氣室里氣體氣壓的變化而變化：當氣壓增加時，干涉圓環從中心湧出；反之，干涉圓環向中心陷入。通過研究氣體壓強變化與條紋移動的關系可以得到氣體折射率。在恆定溫度下，氣體折射率n與氣壓成正比：
(1)
式中p為氣體壓強，k為比例系數。在絕對真空下 ，則 。對於常壓 條件下，則 ，當氣室內壓強改變 時，由於折射率的變化引起光程差改變（ ），可以觀測到條紋的移動個數N。各參數之間的關系為
(2)
式中L為氣室的有效長度，由上述各式可以推得常壓( )下空氣折射率為
(3)
3.2 實驗結果與分析
利用圖1的光路經仔細調節可以獲得等傾干涉圖象，圖2是經CCD和計算機系統採集到的干涉圖象。當改變氣室內的壓強時可以看到干涉圓環從中心湧出或向中心陷入。實驗中先向氣室充氣加壓，然後緩慢放氣並觀測干涉圓環向中心陷入的條紋數。
實驗中用He-Ne激光作為光源（ =632.8 nm），所用氣室的有效長度L=75 mm，如果常壓 取標准大氣壓強760 mmHg，則(3)式可以寫成：
(4)
表1給出了氣室內壓強增加值 與條紋移動數N和計算得到的折射率 之間的關系。

圖2 CCD和計算機系統採集到的干涉圖象
表1：氣室內壓強增加值 、條紋移動數N和計算得到的折射率 值
/mmHg 230 210 190 170 150 130 110
N/個 20.8 19.0 16.6 15.0 13.5 11.8 9.8

1.0002903 1.002904 1.0002805 1.0002832 1.0002889 1.0002914 1.0002860
對測量數據求平均值並計算不確定度，得到

數據處理的方法還可以用作圖軟體，作出 ～N的關系曲線，通過求斜率計算得到折射率 。空氣折射率的標准值是1.0002926（對 nm）[7]，測量誤差主要來自條紋移動非整數部分的估讀和氣壓表讀數誤差。另外，對氣室的有效長度L和實驗室的常壓 的測量也對實驗結果引入誤差。
3.3 實驗內容和難度的拓展
作為研究型實驗，邁克耳遜干涉儀可以提供豐富的設計思想。例如，採用上述方法將氣室與一充滿不同氣體的氣囊（如氧氣袋）相連，可以用於測量各種氣體的折射率；如果對CCD採集圖象進行計算機處理和編程可以實現條紋移動的自動記數；利用這一實驗系統可以仔細觀測、分析定域和非定域干涉現象[8]；如果採用面光源或擴束的平行光作為光源，在圖1光路中氣室P換成一個平板玻璃（或有機玻璃片、透明塑料片等），則可以檢測玻璃表面平整度或介質內部的不均勻性；如果對有機玻璃片或透明塑料片等施加一定的應力，用上述方法可以分析透明介質的應力分布。等等這些內容經過精心設計均可作為研究型實驗開設。值得一提的是根據綜合性、設計性實驗的不同要求，將上述研究型實驗進行適當的教學設計，完全可以開設成綜合性或設計性實驗。
4 結束語
研究型物理實驗是一種不同於傳統物理實驗教學的模式，它具有很強的靈活多樣性，主要以激發學生的求知慾、拓寬其知識面、培養其創新思維能力為目的。我們通過「利用邁克耳遜干涉儀測量氣體折射率」作為一個研究型實驗的案例，較詳細地進行了研究型實驗設計和實驗測試與分析，結果表明可以作為一個很好的研究型實驗項目提供給學生作為實驗教學用。

參考文獻：
[1] 周進，於瑤，王思慧，潘元勝．學生主導性物理實驗的探索〔J〕．物理實驗，2005，25(1)：28
[2] 張瑞，林幸筍，何友軍等．一個研究型物理實驗項目——周期物成像規律實驗〔J〕．物理實驗，2001，21(4)：28
[3] 金恩培，錢守仁，趙海發，張立彬．如何開好設計性實驗〔J〕．物理實驗，2000，20(7)：24
[4] 程守洙，江之永．普通物理學〔M〕．北京：高等教育出版社，1998: 198
[5] 胡再國，黃建群，李娟．提高CCD實驗效果[J]．物理實驗，2002, 22(8)：43
[6] 許伯強，王紀俊．用現代技術設備改善邁克爾孫干涉儀的性能〔J〕．物理實驗，1999，19(4)：10
[7] 楊述武.普通物理實驗(光學部分)[M].北京: 高等教育出版社，2000: 269
[8] 沈元華,陸申龍.基礎物理實驗[M]. 北京: 高等教育出版社，2003: 245

致 謝

本文能夠得以完成，非常感謝我的指導老師戴建明老師，他的淵博知識以及在治學過程中表現出來的嚴謹態度使我深受鼓舞，給予我極大的指導和幫助，在此向戴建明表示衷心的感謝！

㈡ 煤礦中瓦斯爆炸危害極他．某同學查資料得知含有瓦斯的氣體的折射率他於干凈空氣的折射率，於是，他設計了

A、由於光經過兩容器時折射率不同，光速不同，到達正中央左光程差可能是波長左整數倍，也可能是半波長左奇數倍，所以中央可能是亮條紋，也可能是暗條紋，故B中氣體可能含有瓦斯，也可能沒有，A錯誤；
B、如果屏左正中央是暗紋，必有路程差，說明B中左氣體與A中左氣體成分不相同，含瓦斯，B正確；
C、如果屏上干涉條紋不停移動說明路程差不穩定，即B中左氣體瓦斯含量不穩定，C正確；
D、無論用單色光還是白光照射單縫時，都能在屏上出現干涉條紋，D錯誤．
故選：BC．

㈢ 誰能幫我設計一個大學物理創新實驗啊!~

2 研究型實驗及其開設要求
2.1 研究型實驗的基本內涵
通常「研究型」物理實驗是在綜合性、設計性物理實驗的基礎上由學生自己選題、查閱文獻、設計實驗方案，在教師指導下完成實驗。「研究型」實驗通常是要求學生帶著問題測取數據，摸索實驗規律，然後帶著問題查找資料、探尋答案，並試著對所觀察到的現象進行理論分析，並做出合理的解釋。這類實驗的開設目的是全方位地鍛煉學生實驗研究的能力，充分調動學生的主動性和積極性，激發他們從事物理學研究的興趣和熱情，為以後從事科研工作打下良好的基礎。
2.2 研究型實驗的選題
研究型實驗要精心選題、科學設計。實驗內容要新穎、有趣味性，物理現象比較明顯和具有可研究性。同時還要考慮實驗室條件和學生的水平與能力，能讓學生在比較熟悉的理論基礎上作初步的分析與發展。既要與已知的現象、理論和方法有聯系又要有一定的深度和廣度。作為基礎物理實驗，研究型實驗內容不能過於復雜，要求不宜過高，要能通過分析、討論和查閱資料等方式讓學生可以比較容易地設計和實施實驗方案。
2.3 如何開展研究型實驗的教學
與傳統物理實驗不同，研究型實驗可以較充分地發揮學生的主觀能動性去探索未知的領域。因此，開設此類實驗項目的最好方式是利用實驗室開放的形式，由學生自主選擇和掌握實驗時間。研究型實驗項目可以有教師指定和學生自擬等形式，但無論那種形式，對實驗指導教師都提出了更高的要求。指導教師要對學生所選的研究型實驗項目在實施過程中可能出現的各種問題有充分的估計和認識，能夠引導、啟發和激勵學生完成實驗，並掌握能作進一步深入研究的空間。
研究型實驗更注重實驗結果的分析、討論和總結。因此，學生完成研究型實驗後要求寫出的實驗報告可以不同於普通實驗的報告，可以寫成研究總結報告形式或研究論文形式，甚至可以採用學術報告的形式口頭報告研究結果。
3 利用邁克耳遜干涉儀進行研究型實驗項目的設計
邁克耳遜干涉儀是一種典型的利用分振幅方法實現干涉的光學儀器，作為近代精密測量光學儀器之一，被廣泛用於科學研究和檢測技術等領域[4]。利用邁克耳遜干涉儀，能以極高的精度測量長度的微小變化及其與此相關的物理量。如果與CCD攝像、圖象處理等現代監測技術結合，可以實時觀測和分析各種干涉現象的變化，達到干涉檢測和自動控制的目的[5,6]。因此，利用邁克耳遜干涉儀進行研究型實驗設計具有變化多、內容豐富、研究性突出等特點。這里我們以「利用邁克耳遜干涉儀測量氣體折射率」 為題，作為一個研究型實驗的案例，簡述其實驗設計與實施過程。
3.1 設計原理與實驗裝置
實驗時，可以向學生提供：邁克耳遜干涉儀、He-Ne激光器、帶氣壓表的「氣室」、CCD圖象採集系統等實驗器材，要求設計一個實驗方案並測定空氣等氣體的折射率。這里簡述實驗基本原理：
在傳統的邁克耳遜干涉儀的一個測量光路上放置一個可充氣的「氣室」，干涉圖的觀測採用CCD和計算機進行圖象採集與處理。如圖 1為利用邁克耳遜干涉儀測定氣體折射率的實驗光路圖。

圖 1 實驗光路圖
圖中P為「氣室」，它是由腔體、壓力表和皮囊等組成。通過皮囊可以給氣室中的氣體增加壓力，也可以通過皮囊的減壓閥放氣給氣室減壓，腔內氣壓可以通過壓力表讀出。圖中接收屏W處放置一CCD攝像頭，干涉圖像可以通過計算機進行顯示和處理。
當激光束通過圖1中M1前面的氣室時，干涉圖樣隨氣室里氣體氣壓的變化而變化：當氣壓增加時，干涉圓環從中心湧出；反之，干涉圓環向中心陷入。通過研究氣體壓強變化與條紋移動的關系可以得到氣體折射率。在恆定溫度下，氣體折射率n與氣壓成正比：
(1)
式中p為氣體壓強，k為比例系數。在絕對真空下 ，則 。對於常壓 條件下，則 ，當氣室內壓強改變 時，由於折射率的變化引起光程差改變（ ），可以觀測到條紋的移動個數N。各參數之間的關系為
(2)
式中L為氣室的有效長度，由上述各式可以推得常壓( )下空氣折射率為
(3)
3.2 實驗結果與分析
利用圖1的光路經仔細調節可以獲得等傾干涉圖象，圖2是經CCD和計算機系統採集到的干涉圖象。當改變氣室內的壓強時可以看到干涉圓環從中心湧出或向中心陷入。實驗中先向氣室充氣加壓，然後緩慢放氣並觀測干涉圓環向中心陷入的條紋數。
實驗中用He-Ne激光作為光源（ =632.8 nm），所用氣室的有效長度L=75 mm，如果常壓 取標准大氣壓強760 mmHg，則(3)式可以寫成：
(4)
表1給出了氣室內壓強增加值 與條紋移動數N和計算得到的折射率 之間的關系。

圖2 CCD和計算機系統採集到的干涉圖象
表1：氣室內壓強增加值 、條紋移動數N和計算得到的折射率 值
/mmHg 230 210 190 170 150 130 110
N/個 20.8 19.0 16.6 15.0 13.5 11.8 9.8

1.0002903 1.002904 1.0002805 1.0002832 1.0002889 1.0002914 1.0002860
對測量數據求平均值並計算不確定度，得到

數據處理的方法還可以用作圖軟體，作出 ～N的關系曲線，通過求斜率計算得到折射率 。空氣折射率的標准值是1.0002926（對 nm）[7]，測量誤差主要來自條紋移動非整數部分的估讀和氣壓表讀數誤差。另外，對氣室的有效長度L和實驗室的常壓 的測量也對實驗結果引入誤差。
3.3 實驗內容和難度的拓展
作為研究型實驗，邁克耳遜干涉儀可以提供豐富的設計思想。例如，採用上述方法將氣室與一充滿不同氣體的氣囊（如氧氣袋）相連，可以用於測量各種氣體的折射率；如果對CCD採集圖象進行計算機處理和編程可以實現條紋移動的自動記數；利用這一實驗系統可以仔細觀測、分析定域和非定域干涉現象[8]；如果採用面光源或擴束的平行光作為光源，在圖1光路中氣室P換成一個平板玻璃（或有機玻璃片、透明塑料片等），則可以檢測玻璃表面平整度或介質內部的不均勻性；如果對有機玻璃片或透明塑料片等施加一定的應力，用上述方法可以分析透明介質的應力分布。等等這些內容經過精心設計均可作為研究型實驗開設。值得一提的是根據綜合性、設計性實驗的不同要求，將上述研究型實驗進行適當的教學設計，完全可以開設成綜合性或設計性實驗。

㈣ 邁克耳孫干涉儀實驗測量空氣折射率時,放氣過程中想看到"吐"環,光路應該滿足什麼條件

"吐"環，說明光程差正在變大，對光路沒有什麼特別的要求，只要環的密度適當，便於數數，只要數正確'吐"了幾個光環。

㈤ 雅敏干涉儀可以用來測定氣體在各種溫度和壓強下的折射率，其光路圖如圖所示．圖中S為光源，G1、G2為兩塊

每看到一條亮條紋移移過，一定是光程差增大了一個波長．由於移動N條干涉亮紋，
光線通過T₁的光程為d，光線通過T₂的光程為nd，光程差為（n-1）d
所以有：
（n-1）d=Nλ
解得：n=

㈥ 邁克爾遜干涉儀測空氣折射率可以用鈉光源嗎

可以，鈉光燈雖然存在鈉黃光的雙譜線波長，但是一般可以取兩者的平均值589nm作為鈉光波長值，近似的可以看作是單色光。用於實驗測量已經足夠准確了。

㈦ 煤礦中瓦斯爆炸危害極大．某同學查資料得知含有瓦斯的氣體的折射率大於干凈空氣的折射率，於是，他設計了