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壹定的深度和廣度。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，並掌握能作進壹步深入研究的空間。
研究型實驗更註重實驗結果的分析、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，甚至可以采用學術報告的形式口頭報告研究結果。
3 利用邁克耳遜幹涉儀進行研究型實驗項目的設計
邁克耳遜幹涉儀是壹種典型的利用分振幅方法實現幹涉的光學儀器，作為近代精密測量光學儀器之壹，被廣泛用於科學研究和檢測技術等領域[4]。利用邁克耳遜幹涉儀，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幹涉現象的變化，達到幹涉檢測和自動控制的目的[5,6]。因此，利用邁克耳遜幹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。這裏我們以“利用邁克耳遜幹涉儀測量氣體折射率” 為題，作為壹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：邁克耳遜幹涉儀、He-Ne激光器、帶氣壓表的“氣室”、CCD圖象采集系統等實驗器材，要求設計壹個實驗方案並測定空氣等氣體的折射率。這裏簡述實驗基本原理：
在傳統的邁克耳遜幹涉儀的壹個測量光路上放置壹個可充氣的“氣室”，幹涉圖的觀測采用CCD和計算機進行圖象采集與處理。如圖 1為利用邁克耳遜幹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處放置壹CCD攝像頭，幹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，幹涉圖樣隨氣室裏氣體氣壓的變化而變化：當氣壓增加時，幹涉圓環從中心湧出；反之，幹涉圓環向中心陷入。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。在恒定溫度下，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幹涉圖象，圖2是經CCD和計算機系統采集到的幹涉圖象。當改變氣室內的壓強時可以看到幹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幹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 取標準大氣壓強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和計算機系統采集到的幹涉圖象
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件，作出 ～N的關系曲線，通過求斜率計算得到折射率 。空氣折射率的標準值是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，邁克耳遜幹涉儀可以提供豐富的設計思想。例如，采用上述方法將氣室與壹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采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；利用這壹實驗系統可以仔細觀測、分析定域和非定域幹涉現象[8]；如果采用面光源或擴束的平行光作為光源，在圖1光路中氣室P換成壹個平板玻璃（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壹定的應力，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。值得壹提的是根據綜合性、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。