實(shí)驗(yàn)室微型場景下實(shí)時觀測系統(tǒng)的研究開發(fā)

邵勇斌 敦奕亨 蔡筱鈺 趙靚 桑子豪 李文

摘要：高?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)室為培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動手能力做出了巨大的貢獻(xiàn)，然而在一些基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，由于實(shí)驗(yàn)步驟的復(fù)雜以及難以觀測的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，造成觀測過程不理想和研究者快速疲憊，實(shí)驗(yàn)室需要一種基礎(chǔ)的觀測工具來輔助觀測實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。以六氟化硫相變儀為例，設(shè)計(jì)并且制造了一套輔助觀測裝置，用以觀察六氟化硫的相變實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)物理，實(shí)驗(yàn)觀測，六氟化硫，相變

導(dǎo)語：在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中，研究者有時對一些細(xì)微的物理現(xiàn)象或化學(xué)反應(yīng)觀察記錄存在一些困難，比如反應(yīng)現(xiàn)象變化速度較快，人眼難以捕捉;實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象持續(xù)時間較長，人眼難以長期觀察;實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時記錄傳輸處理存在障礙;化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行和記錄獨(dú)自一人難以完成等，面臨上述情況，我們往往需要一套完善的實(shí)時觀測系統(tǒng)作為輔助，不僅能夠?qū)σ恍┪⑿蛯?shí)驗(yàn)進(jìn)行光學(xué)放大，實(shí)時攝像，而且還能夠通過視頻采集卡實(shí)時傳輸?shù)诫娔X，搭配視頻處理軟件整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，來達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)觀測效果。

1.1物理演示實(shí)驗(yàn)的作用

當(dāng)前我國高校尤其是理工類大學(xué)都致力于構(gòu)建自身特色的大學(xué)實(shí)驗(yàn)體系，但不可避免的都存在不同程度的內(nèi)容陳舊，設(shè)備老化問題。以我院為例，對SF6相變觀測儀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀測，如超臨界流體，臨界乳光現(xiàn)象等，人眼能夠識別，但對于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的記錄和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)存在障礙，由此及彼，許多的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)都存在觀測不易記錄難的問題。而輔助觀測裝置不僅能有效解決基礎(chǔ)研究對于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的獲取，積極開展基本原理的歸納和新知識的實(shí)驗(yàn)性工作，同時也能搭配許多實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行組合實(shí)驗(yàn)，輔助觀測裝置中，對于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象光學(xué)放大的處理，由此組建相對完善的實(shí)驗(yàn)室光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)，對于不同實(shí)驗(yàn)的光照需求，由此組建相對完善的實(shí)驗(yàn)室光照系統(tǒng)。

1.2輔助觀測裝置對于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性

隨著我國高等教育向大眾化的推進(jìn)，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系的構(gòu)建對學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)與提高具有十分重要的意義。[ 劉學(xué)英，《科學(xué)與財(cái)富》2012年第12期]構(gòu)建完善的輔助觀測系統(tǒng)，有利于提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的能力，實(shí)現(xiàn)高素質(zhì)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。當(dāng)前學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中遇到的一大難題就是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的模糊，觀測數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確和數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性，使用輔助觀測裝置，不僅能讓學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中更加直觀深入的了解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，也大大減少了老師對于教學(xué)設(shè)計(jì)的成本和實(shí)際演示操作的壓力，播放提前記錄好的視頻，將復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)簡單化明了化處理，使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣更加濃厚，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和求知欲，同時，當(dāng)學(xué)生自己親手操作時，簡易的觀測方法也能讓他們感受做實(shí)驗(yàn)的魅力，有利于提高學(xué)生科學(xué)研究及科學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力。

2.1微型實(shí)驗(yàn)場景觀測的難點(diǎn)

首先，人類的眼睛是奇妙的事物，劍橋大學(xué)的理論物理教授Ben Allanach曾說過：“如果想要觀看一顆在數(shù)光年以外的恒星，只要它足夠明亮，我們就能夠看到。”而眼睛的所見是有限的，一個限制是角分辨率，人類眼睛的角分辨率約1角分，能夠分辨出一公里處相距30cm的物體，另一個限制是光的頻率范圍，而實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象本身存在的問題，比如反應(yīng)時間較快，顏色分辨度不高，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象處于微觀狀態(tài)，人眼難以準(zhǔn)確觀察，或者實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象持續(xù)較長，人眼疲勞無法長時間觀測;實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象過于短暫，人眼難以及時準(zhǔn)確的觀察，或者反應(yīng)現(xiàn)象在密閉容器或有器體阻隔等，人眼無法直接觀察。除此之外，實(shí)驗(yàn)裝置本身的限制也會阻礙我們的觀察，比如被測物體在密閉空間或者有玻璃外殼等，反光無光等現(xiàn)象都會影響觀測，被測物體無法移動，普遍的觀測方法受到空間影響無法展開。同時，實(shí)驗(yàn)室場景也會成為觀測難點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)室光照設(shè)備不行，或本身氣壓濕度溫度等一系列物理因素都可能對于微型實(shí)驗(yàn)的觀測造成影響。

2.2輔助裝置

輔助觀測裝置能夠幫助實(shí)驗(yàn)者觀測到清晰的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并且可以攝影儲存觀測視頻。結(jié)合大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的條件和難點(diǎn)，由此將輔助觀測裝置分為五個子系統(tǒng)：攝像與記錄系統(tǒng)、放大系統(tǒng)、輔助定位系統(tǒng)、可調(diào)節(jié)支架系統(tǒng)、獨(dú)立光照系統(tǒng)。

攝像和傳輸系統(tǒng)采用200萬像素高清工業(yè)攝像頭，通過HDMI視頻采集卡將圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，利用計(jì)算機(jī)上的監(jiān)控軟件獲取實(shí)時圖像。在實(shí)驗(yàn)室的復(fù)雜環(huán)境下，需要攝像和傳輸設(shè)備具有較強(qiáng)的抗干擾能力并且能夠獲得清晰的圖像，并且攝像裝置需要有位移功能以實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的追蹤拍攝，因而選擇采用HDMI接口（高清晰度多媒體接口）。

實(shí)現(xiàn)單一攝像頭對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象準(zhǔn)確清晰的記錄過于困難，需要在攝像頭前添加變焦鏡頭，對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行物理的光學(xué)放大?？紤]到輔助裝置的適用范圍，光學(xué)的放大倍數(shù)不宜過大，最終確定光學(xué)放大倍數(shù)為0.75X-4.5X。適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合電子放大，放大倍數(shù)為21-135X，最終能夠獲得清晰準(zhǔn)確的的圖像。

考慮到在實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的變化，需要對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行多角度的拍攝，因此支架系統(tǒng)不僅需要有較好的穩(wěn)定性，也需要具備三維的位移功能。

考慮到特定實(shí)驗(yàn)裝置和設(shè)備的獨(dú)特性，以及在放大倍數(shù)過高的情況下需要改善光照條件，需要搭建一套獨(dú)立的光照系統(tǒng)。使用可調(diào)節(jié)亮度的LED燈，LED燈采用不銹鋼萬向軟管，可自由調(diào)節(jié)角度以滿足觀測的光照需要。此外，燈罩采用PC高透光燈罩，關(guān)系均勻柔和，燈光光明，不刺眼大范圍曲面照明。LED燈可實(shí)現(xiàn)亮度的調(diào)節(jié)，以方便在光學(xué)放大倍數(shù)較大時對增加場景亮度。對于特定的實(shí)驗(yàn)裝置需要，搭建毛玻璃獲得更加柔和的面光源，并且需要在變焦鏡頭前添加偏振鏡以減弱反射光的影響。

2.3研究成果

經(jīng)過試驗(yàn)證明，實(shí)驗(yàn)室微型場景下的實(shí)時觀測系統(tǒng)，通過其導(dǎo)軌以及轉(zhuǎn)接板的調(diào)節(jié)，可以應(yīng)用于許多微型場景的觀察和記錄，能夠清晰的觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。本套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以六氟化硫相變儀為例，已經(jīng)拍攝并清晰地記錄了六氟化硫氣液變化以及臨界乳光現(xiàn)象。

3 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等院校物理教學(xué)的重要組成部分，完善實(shí)驗(yàn)室觀測配套輔助觀測裝置對物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有總要的意義。實(shí)驗(yàn)的輔助觀測裝置能夠很大程度上減少試驗(yàn)場景限制對學(xué)生觀測造成的困難，并且激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)觀察和探索物理規(guī)律的能力，簡易的觀測方法也能讓他們感受做實(shí)驗(yàn)的魅力，有利于提高學(xué)生科學(xué)研究及科學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]王較過，東延民.實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)理論發(fā)展中的作用[J].物理實(shí)驗(yàn)，1997（02）：94-96.

[2]顧牡.對于重新制定的《非物理類理工學(xué)科大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》的認(rèn)識和體會[J].物理與工程，2007，017（001）：1-4，24.

[3]唐瓊，李國祥，宋逢泉，等.能力為導(dǎo)向的大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討[J].物理通報(bào)，2018，37（005）：62-63.

[4]黃林楠，丁莉.構(gòu)建大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育模式的探索[J].高等工程教育研究，2010，000（006）：158-160.

基金項(xiàng)目：中國民航大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（IEKCAUC 2020016）資助

作者簡介：

邵勇斌（2000-- ），男，學(xué)生，中國民航大學(xué)中歐航空工程師學(xué)院飛行器與動力工程專業(yè)。

敦奕亨（2000-- ），男，學(xué)生，中國民航大學(xué)中歐航空工程師學(xué)院飛行器與動力工程專業(yè)。

蔡筱鈺（2001-- ），男，學(xué)生，中國民航大學(xué)中歐航空工程師學(xué)院飛行器與動力工程專業(yè)。

趙靚（2001-- ），男，學(xué)生，中國民航大學(xué)中歐航空工程師學(xué)院飛行器與動力工程專業(yè)。

桑子豪（2001-- ），男，學(xué)生，中國民航大學(xué)中歐航空工程師學(xué)院飛行器與動力工程專業(yè)。

李文，通訊作者，中國民航大學(xué)教師。