牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)中讀數(shù)裝置的改進(jìn)

田佳偉 張桐 孫繼石 張夢(mèng)元 劉忠坤

【摘 要】采用無(wú)線(xiàn)WIFI攝像頭，改進(jìn)牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)中讀數(shù)顯微鏡，將攝像頭采集到的視頻信號(hào)以無(wú)線(xiàn)傳輸形式發(fā)送到手機(jī)屏幕上，用手機(jī)屏幕代替人眼，直接觀(guān)察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，解決了牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)中現(xiàn)象難觀(guān)察，累眼睛的這一困難。

【關(guān)鍵詞】牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)；曲率半徑

1、設(shè)計(jì)背景

通過(guò)一年的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，讓我們進(jìn)步很多。每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都有自己的歷史背景和發(fā)展過(guò)程，了解這些背景和發(fā)展過(guò)程就是在了解科學(xué)和科學(xué)思維方法。親自動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)既鍛煉了動(dòng)手能力，又培養(yǎng)出了自主探究科學(xué)的能力。最后提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告也讓我們掌握了處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方法。但是在學(xué)習(xí)中我們也發(fā)現(xiàn)了本校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的不足：儀器相對(duì)老化。尤其是牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)中讀數(shù)顯微鏡有些原始，學(xué)生要眼睛緊貼目鏡，在狹小的視窗內(nèi)數(shù)出非常密集的20圈暗條紋，由于儀器自身存在螺距“回程差”，所以一旦漏數(shù)或錯(cuò)數(shù)都需要重新測(cè)量，這就會(huì)產(chǎn)生用眼疲勞，讀數(shù)產(chǎn)生偏差，甚至是喪失對(duì)該實(shí)驗(yàn)的興趣。目前，學(xué)校沒(méi)有足夠的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，無(wú)法更換更加先進(jìn)的儀器設(shè)備，基于這種情況，我們將用最小的成本對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改造。

2、設(shè)計(jì)思路及優(yōu)缺點(diǎn)

設(shè)計(jì)最終目的是讓讀數(shù)顯微鏡中的現(xiàn)象更直觀(guān)地顯示出來(lái)，所以第一想法就是利用身邊現(xiàn)有的攝像頭將圖像發(fā)送到顯示屏中。

攝像頭選擇無(wú)線(xiàn)攝像頭，原因是有線(xiàn)攝像頭會(huì)使原本就比較雜亂的實(shí)驗(yàn)桌面變得更加雜亂，也會(huì)降低實(shí)驗(yàn)安全性。無(wú)線(xiàn)攝像頭在使用時(shí)也是有缺陷的，例如信號(hào)在傳輸時(shí)是有延遲的，所以在使用時(shí)需要緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪防止漏數(shù)。

選擇顯示屏?xí)r，很多人都選擇將攝像頭連接在電腦顯示屏上[1-4]，但如果每臺(tái)試驗(yàn)裝置都配備一臺(tái)電腦，會(huì)使得改裝成本大大的提高，不符合實(shí)際；也有將攝像頭改裝成可以自動(dòng)數(shù)條紋、自動(dòng)讀數(shù)的智能裝置[5-8]，再利用計(jì)算機(jī)直接算出數(shù)據(jù)，這種改裝更加先進(jìn)，但是違背了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課開(kāi)設(shè)的初衷：培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。因此，不選擇計(jì)算機(jī)而選擇手機(jī)作為顯示器。目前智能手機(jī)已基本普及，人手一個(gè)，所以實(shí)驗(yàn)室不用重新采購(gòu)；手機(jī)的靈活性非常好，它不需要固定在一個(gè)位置來(lái)使用，學(xué)生可以自己調(diào)節(jié)到一個(gè)舒適的位置來(lái)觀(guān)看，更加人性化；手機(jī)自帶截屏功能，可以隨時(shí)保留自己的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，更方便學(xué)生間的交流討論；手機(jī)可以用來(lái)做科學(xué)實(shí)驗(yàn)，非常新穎，可以最高程度地激發(fā)學(xué)生的興趣，有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

綜上所述，我們?cè)谧x數(shù)顯微鏡上固定攝像頭，利用攝像頭拍攝讀數(shù)顯微鏡中的畫(huà)面，以無(wú)線(xiàn)的形式傳輸?shù)绞謾C(jī)屏幕上，完成數(shù)據(jù)測(cè)量，如圖1。

3、裝置改造

裝置改造的主要難點(diǎn)就在于如何固定攝像頭，改造之初選用紙盒作為支撐框架，如圖2（a），但紙盒質(zhì)地太軟，穩(wěn)定效果差。之后改用木盒，并在兩個(gè)方向加裝螺桿，如圖2（b），將攝像頭固定在中間螺帽上，就可以滿(mǎn)足前后左右兩個(gè)方向的調(diào)節(jié)，但是螺桿和木盒之間非常容易松動(dòng)，穩(wěn)定性也比較差。最后選用注射器為固定支架，如圖2（c），注射器易于購(gòu)買(mǎi)，成本小；改裝難度小，容易固定在目鏡上；容易找到中心點(diǎn)，不需要左右調(diào)節(jié)；活塞前后調(diào)節(jié)阻尼較大，不易松動(dòng)。

將改進(jìn)后的攝像頭固定于讀數(shù)顯微鏡后，非常容易就能找到牛頓環(huán)明暗相間條紋，從手機(jī)屏幕顯示的畫(huà)面看，圖像非常清晰，如圖3。

4、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及誤差

如圖4（a）所示，把一塊曲率半徑很大的平凸透鏡的凸面放在一塊光學(xué)平板玻璃上，在透鏡的凸面和平板玻璃間形成一個(gè)上表面是球面，下表面是平面的空氣薄層，其厚度從中心接觸點(diǎn)到邊緣逐漸增加。若一單色光近乎垂直地射到平凸透鏡上，光線(xiàn)經(jīng)空氣薄層上下兩個(gè)面反射后相遇，產(chǎn)生干涉條紋。離接觸點(diǎn)等距離的地方，厚度相同，即光程差相同，干涉條紋是以接觸點(diǎn)為中心的圓，如圖4（b）。

一般測(cè)牛頓環(huán)儀中平凸透鏡的曲率半徑的公式[9]為：

，將此結(jié)果帶入公式中求出曲率半徑最佳值 。

對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)不確定度分析和評(píng)定[10]：

A類(lèi)不確定度：

B類(lèi)不確定度：

所以總不確定度

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

相對(duì)不確定度：

百分差：

5、結(jié)語(yǔ)

用最低的成本改進(jìn)了讀數(shù)顯微鏡，能夠在手機(jī)屏幕上觀(guān)察到清晰的明暗條紋，有效地緩解了使用者的視覺(jué)疲勞，并且通過(guò)實(shí)際測(cè)量和誤差分析，證明了該種改進(jìn)方法是正確的。

本文得到遼寧科技學(xué)院大創(chuàng)項(xiàng)目支持：201811430053

參考文獻(xiàn)：

[1] 邱彩虹，李永強(qiáng)等.基于THDCE-20攝像頭成像的牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)2018 16（4）：140-142.

[2] 賀莉蓉，俞嘉隆，余建波，等. 用 CCD 成像系統(tǒng)觀(guān)測(cè)透射式牛頓環(huán)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2005，25（6）：38-40.

[3] 彭小蘭，盧柱榮，胡西多.牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].2007 14（3）：26-28.

[4] 基于FPGA的高性能CMOS圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].樊春玲，范立超，明星，郭文記，邵巍.青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2018（01）.

[5] 曹文軍.半智能化牛頓環(huán)曲率半徑的測(cè)量[J].物理通報(bào).2018（11）：83-86.

[6] 鄧敏，趙丹等.等厚干涉實(shí)驗(yàn)中牛頓環(huán)暗紋直徑自動(dòng)測(cè)量方法[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理.2018 35（8）：64-68.

[7] 王小偉.牛頓環(huán)計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].太原：太原科技大學(xué)，2010.

[8] 周紅仙，張潞英，王毅.基于對(duì)稱(chēng)相關(guān)的牛頓環(huán)參數(shù)自動(dòng)測(cè)量[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，34（6）：8-11

[9] 李艷萍，蘇中乾.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教程 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018：72-75.

[10]王艷文 張臘花 牛頓環(huán)測(cè)量曲率半徑實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分析[J] 中國(guó)教育技術(shù)裝備，2012：15，122

（作者單位：1.遼寧科技學(xué)院雙百學(xué)院；

2.遼寧科技學(xué)院基礎(chǔ)部）