光的雙縫干涉遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)

李永濤，王雪杰，熊 耀，蔣茂森，王增旭，張紅光，陳 偉

(1.南京郵電大學(xué) 教務(wù)處，江蘇 南京 210023； 2.南京郵電大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京 210023)

當(dāng)今新冠肺炎疫情的爆發(fā)，對(duì)世界高等教育教學(xué)產(chǎn)生了巨大影響，也催生中國高等教育發(fā)展的新方向，使我國高等教育面臨著新挑戰(zhàn)和新機(jī)遇。在線理論課程教學(xué)模式在抗擊新冠肺炎疫情中發(fā)揮了巨大作用，必將成為后疫情時(shí)代高校教育教學(xué)的一個(gè)重要特征。但以實(shí)際動(dòng)手能力訓(xùn)練為目的的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程仍然是在線教學(xué)發(fā)展的一個(gè)短板。如何將實(shí)驗(yàn)教學(xué)搬到線上進(jìn)行，以深化學(xué)生為本的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，拓寬實(shí)驗(yàn)教學(xué)覆蓋面與受益面，是廣大高等教育工作者值得深入研究的課題[1-4]。

南京郵電大學(xué)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)課程團(tuán)隊(duì)，充分發(fā)揮教育信息化獨(dú)特優(yōu)勢，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教育模式束縛，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了雙縫干涉實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)儀并用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)上做了有益的嘗試和探索。

1 光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)原理

圖1 光的干涉實(shí)驗(yàn)原理

2 雙縫干涉遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)

2.1 儀器整體設(shè)計(jì)架構(gòu)

由于干涉條紋的變化取決于光波的波長、雙縫的間距以及雙縫到接收屏的距離這三個(gè)參數(shù)。基于這些參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，我們將遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)儀器分為光路模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和遠(yuǎn)程控制模塊進(jìn)行整體架構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)程控制雙縫干涉儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 光路模塊設(shè)計(jì)

光路模塊設(shè)計(jì)分為光源轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)、縫距調(diào)節(jié)模塊設(shè)計(jì)和光屏接收模塊三部分。

2.2.1 光源轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

光源模塊主要是針對(duì)波長參數(shù)的改變。激光相比普通光波單色性更好、強(qiáng)度更高且發(fā)射角極小，使得干涉實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯。因此為了控制光源波長的改變，采用兩個(gè)波長不同的激光光源相互切換來實(shí)現(xiàn)波長的改變，如圖3所示。將兩個(gè)不同波長的激光器分別固定在可轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬圓盤上，并保證兩激光照射方向相反、直線放置。圓盤與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)機(jī)械相連，通過步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)作帶動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)光源波長的轉(zhuǎn)換。

圖3 光源轉(zhuǎn)換模塊

2.2.2 縫間距調(diào)節(jié)模塊設(shè)計(jì)

雙縫間距作為雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的變量，實(shí)現(xiàn)雙縫的間距的有效調(diào)節(jié)相當(dāng)重要。為實(shí)現(xiàn)縫間距的調(diào)控，我們?cè)O(shè)計(jì)了縫距調(diào)節(jié)導(dǎo)軌滑臺(tái)，如圖4所示。將具有不同縫距的同一個(gè)光柵片固定于導(dǎo)軌滑臺(tái)，光柵片固定的高度應(yīng)與激光器的高度保持一致。將導(dǎo)軌滑臺(tái)橫向放置于激光光路上，通過步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)光柵片橫向移動(dòng)，使激光照射不同縫間距的雙縫，實(shí)現(xiàn)縫間距的改變。

圖4 縫間距調(diào)節(jié)模塊

2.2.3 接收模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于接收模塊的設(shè)計(jì)主要是考慮影響雙縫到接收屏的距離這一參數(shù)。將接收屏固定于可沿光路方向移動(dòng)的導(dǎo)軌上，并與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)機(jī)械連接，實(shí)現(xiàn)光屏的前后移動(dòng)。

3 驅(qū)動(dòng)模塊

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)的過程中，選用二相四線步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)零部件的運(yùn)行。步進(jìn)電機(jī)具有啟動(dòng)快和停止快的特點(diǎn)，并能夠?qū)⒔邮盏臄?shù)字信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或線位移，有助于降低遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)操作的時(shí)延效應(yīng)[7]。由電機(jī)選擇芯片CD4051和電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片DRV8825組成的驅(qū)動(dòng)板是銜接硬件系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)中樞。通過接收樹莓派發(fā)送的電機(jī)控制信號(hào)從而選擇對(duì)應(yīng)的電機(jī)進(jìn)行工作，并控制電機(jī)的啟停、轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速等狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的目的。

4 遠(yuǎn)程控制模塊

為方便使用者的操作，基于go語言和beego框架開發(fā)網(wǎng)頁客戶端。以樹莓派作為服務(wù)載體，建立網(wǎng)頁客戶端與硬件之間的通信。將步進(jìn)電機(jī)分別與驅(qū)動(dòng)板相連，通過代碼分別設(shè)計(jì)好電機(jī)的電壓、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向等參數(shù)；將步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板和USB攝像頭分別與樹莓派相連，并將攝像頭和電機(jī)控制地址引入到客戶端界面上，方便實(shí)時(shí)觀測實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[8]。利用Mysql數(shù)據(jù)庫進(jìn)行用戶數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)信息的儲(chǔ)存管理，在前后端相互配合下，整套設(shè)備能夠完美實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)頁客戶端的遠(yuǎn)程控制，以及數(shù)據(jù)反饋，如圖5所示。

(a)

5 結(jié) 語

本文主要是基于互聯(lián)網(wǎng)思維，詳細(xì)介紹了光的雙縫干涉遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)思路和方法，實(shí)現(xiàn)了不同用戶在客戶端上進(jìn)行遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)的操作和學(xué)習(xí)，從而為遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)提供了新思路。通過設(shè)計(jì)零件改裝實(shí)驗(yàn)儀器，讓步進(jìn)電機(jī)、USB攝像頭與樹莓派相連，再利用web開發(fā)技術(shù)搭建了一個(gè)網(wǎng)頁客戶端對(duì)其線上實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了有益探索，這種儀器研制模式在國內(nèi)的普通物理實(shí)驗(yàn)研究中并不多見。實(shí)踐證明，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)儀器與互聯(lián)網(wǎng)緊密聯(lián)系，不僅在數(shù)據(jù)測量、互動(dòng)性、真實(shí)性上能夠達(dá)到學(xué)生實(shí)驗(yàn)的要求，同時(shí)由于操作簡單、成本低、系統(tǒng)穩(wěn)定等特點(diǎn)易于推廣。相信通過對(duì)光的遠(yuǎn)程控制式雙縫干涉實(shí)驗(yàn)儀器研制的探索，能夠拋磚引玉，引起更多專家學(xué)者對(duì)此方面研究的關(guān)注，在對(duì)其他領(lǐng)域的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)中有更加深入的探討和摸索。