智能手機(jī)在物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

張曉旭 張勝海 吳天安 蘭淑靜

(戰(zhàn)略支援部隊(duì)信息工程大學(xué)基礎(chǔ)部 河南 鄭州 450001)

特殊時(shí)期學(xué)生居家學(xué)習(xí)，理論課程可以較為便捷地組織線上教學(xué)，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于器材的限制，難以實(shí)施居家實(shí)驗(yàn)．針對(duì)該問題，部分高校巧妙構(gòu)思，開發(fā)了系列自主趣味性實(shí)驗(yàn)，并啟動(dòng)在線仿真平臺(tái)，打破了時(shí)空限制，同時(shí)運(yùn)用直播，實(shí)現(xiàn)師生實(shí)時(shí)交互，對(duì)物理實(shí)驗(yàn)居家教學(xué)的開展具有很好的借鑒意義[1～5]．

智能手機(jī)作為科技發(fā)展的便捷通信產(chǎn)物，幾乎每個(gè)人都擁有一部．隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，多種傳感器被集成在智能手機(jī)上，有加速度傳感器、角速度傳感器、溫度傳感器、聲音傳感器、光傳感器和霍爾傳感器等．一些睿智的物理教育者開始關(guān)注和研究智能手機(jī)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[6～8]．

在學(xué)生居家學(xué)習(xí)的特殊時(shí)期，利用智能手機(jī)開展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有特殊的意義．可以解決線上觀看視頻欠缺實(shí)際探究、線上仿真不能動(dòng)手實(shí)踐和趣味性實(shí)驗(yàn)難度過低等問題．通過引入智能手機(jī)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)探究，提升實(shí)驗(yàn)難度，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，達(dá)到物理實(shí)驗(yàn)課程動(dòng)手實(shí)踐能力培養(yǎng)的目標(biāo)．

利用手機(jī)開展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，目前主要集中在力學(xué)、電磁學(xué)和聲學(xué)等方面的應(yīng)用[8]．光學(xué)方面的應(yīng)用較少，本文主要介紹手機(jī)傳感器在光學(xué)方面中的應(yīng)用．

1 智能手機(jī)在物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

手機(jī)在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中有著非常重要的應(yīng)用，本文主要從手機(jī)作為發(fā)光光源、光電探測(cè)器、光照度計(jì)和其他應(yīng)用等4個(gè)方面進(jìn)行整理介紹．

1.1 手機(jī)作為發(fā)光光源的應(yīng)用

手機(jī)具有手電筒功能，手電筒可以作為亮度比較高的復(fù)色光源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．手機(jī)的屏幕普遍采用液晶顯示器，而液晶顯示器是采用背光原理，使用3基色熒光燈管作為背光的光源，因此手機(jī)的屏幕也可以作為光源使用．

利用純色的背景照片可以實(shí)現(xiàn)單色光源，利用白色的背景照片也可以實(shí)現(xiàn)復(fù)色光源，還可以改變背景亮度的百分比，從而對(duì)手機(jī)光源的發(fā)光特性進(jìn)行研究[9]．同時(shí)，通過對(duì)不同型號(hào)手機(jī)的光譜進(jìn)行分析[10]，可以比較手機(jī)輻射方面的優(yōu)劣．由于不同界面的光譜不同，可以在手機(jī)顯示屏測(cè)試中選擇同一界面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而比較哪些設(shè)備更容易對(duì)人眼造成傷害[11]．

手機(jī)的液晶屏幕可以發(fā)出線偏振光，因此，可以利用手機(jī)作為線偏光源進(jìn)行偏振光實(shí)驗(yàn)研究[12,13]．利用手機(jī)調(diào)節(jié)出單色光源，并固定檢偏器，同時(shí)采用凸透鏡進(jìn)行偏振光聚光，使匯聚的光進(jìn)入接收端的手機(jī)，以達(dá)到驗(yàn)證馬呂斯定律的目的，I=I0cos2θ，其中I0是出射光強(qiáng)，θ是偏振夾角，I是接收到的光強(qiáng)．

1.2 手機(jī)作為光電探測(cè)器的應(yīng)用

手機(jī)攝像的功能日趨完善，不但具有高分辨率，還具有前置、后置攝像頭，同時(shí)也可以對(duì)近紅外光進(jìn)行探測(cè)．因此可以利用手機(jī)檢測(cè)近紅外線，將手機(jī)后置攝像頭打開，在暗環(huán)境下，觀察電視機(jī)遙控器，在連續(xù)按電視機(jī)遙控器按鍵時(shí)，就可以在視頻上呈現(xiàn)肉眼不可見的近紅外線．

手機(jī)屏幕可以代替人眼，將需要長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)的圖像呈現(xiàn)給人眼觀測(cè)，從而解決光學(xué)實(shí)驗(yàn)中眼睛疲勞的問題．在分光計(jì)實(shí)驗(yàn)中，調(diào)節(jié)十字叉絲較為困難，需要人眼貼在目鏡上進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)．因此，可以將手機(jī)的后置攝像頭貼在目鏡上，將圖像呈現(xiàn)給人眼進(jìn)行觀測(cè)，解決人眼疲勞問題[14]．

利用智能手機(jī)攝像頭的拍照功能，可以拍攝照片進(jìn)行分析研究．在干涉實(shí)驗(yàn)中，我們可以對(duì)牛頓環(huán)干涉圖樣進(jìn)行拍照，然后通過Matlab進(jìn)行分析，利用視場(chǎng)直徑計(jì)算出像素和實(shí)際物理距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而求得牛頓環(huán)的曲率半徑R[15]

其中rm和rn為第m級(jí)和第n級(jí)明環(huán)或暗環(huán)的半徑，λ為光波波長(zhǎng)．值得注意的是，為真實(shí)反映像素和實(shí)際物理距離的關(guān)系，可以采用微尺的刻度進(jìn)行精確定標(biāo)．

利用智能手機(jī)可以對(duì)邁克爾孫干涉圖樣進(jìn)行視頻拍攝，同步記錄邁克爾孫干涉儀刻度的初始位置和結(jié)束位置，位置之差為Δd．然后通過Matlab等軟件分析吞吐的干涉圓環(huán)數(shù)目N，這樣可以有效避免人工錯(cuò)數(shù)吞吐的干涉圓環(huán)數(shù)目，從而求得激光波長(zhǎng)參量λ[16]

1.3 手機(jī)作為光照度計(jì)的應(yīng)用

大多手機(jī)在前置面板具有光照度計(jì)，因此可以利用手機(jī)的光照度計(jì)進(jìn)行探測(cè)．下載并打開手機(jī)的phyphox應(yīng)用程序，點(diǎn)擊“光”界面，就可以采集照度分布信息，通過改變不同的距離位置，可以驗(yàn)證點(diǎn)光源的發(fā)光強(qiáng)度與距離的平方成反比關(guān)系[17]．

光學(xué)秒表是一個(gè)比較好的域值計(jì)時(shí)工具，具有廣泛應(yīng)用．可以利用phyphox應(yīng)用程序的光學(xué)秒表進(jìn)行計(jì)時(shí)，通過對(duì)光照度計(jì)設(shè)置不同的觸發(fā)上限和觸發(fā)下限，光學(xué)秒表可以在同時(shí)滿足兩個(gè)設(shè)定域值時(shí)觸發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)計(jì)時(shí)．

利用手機(jī)拍攝視頻可以有效避免邁克爾孫干涉實(shí)驗(yàn)中人眼觀測(cè)條紋吞吐出現(xiàn)誤差，但是需要用Matlab軟件對(duì)視頻進(jìn)行處理，出現(xiàn)不必要的麻煩．其實(shí)可以采用智能手機(jī)的光照度計(jì)，讀出干涉條紋中心點(diǎn)的明暗變化．下載Sense軟件，實(shí)時(shí)記錄智能手機(jī)傳感器數(shù)據(jù)并生成圖像，得到精確的干涉條紋變化數(shù)目，從而求出激光波長(zhǎng)或空氣折射率等[18～20]．

1.4 手機(jī)的其他應(yīng)用

手機(jī)的屏幕是由許多微小的周期性排列的顯示單元組成，這種結(jié)構(gòu)和光柵類似，因此可以將手機(jī)的屏幕作為反射式光柵進(jìn)行研究[21]．利用單色激光源在斜入射的情況下，可以將反射光打在白墻上進(jìn)行測(cè)量，從而根據(jù)公式

d(sinα±sinβ)=kλ(k=1,2,3,…)

就可以求出光柵常數(shù)d，其中α是入射角，β是反射角，±表示入射光線和反射光線在光柵平面法線的異側(cè)還是同側(cè)．

2 智能手機(jī)在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的優(yōu)勢(shì)

智能手機(jī)作為高科技發(fā)展的產(chǎn)物，低售價(jià)的智能手機(jī)已經(jīng)擁有了多種內(nèi)置傳感器，在物理實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用，尤其是在特殊時(shí)期學(xué)生居家學(xué)習(xí)的時(shí)候，有著非常獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值．因?yàn)榭梢圆皇軙r(shí)間、不受空間的限制進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，還可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等．

手機(jī)的光源、光電探測(cè)器和光照度計(jì)給予了光學(xué)實(shí)驗(yàn)廣大的應(yīng)用空間．利用手機(jī)的光源，可以便捷地產(chǎn)生單色光和復(fù)色光等線偏振光，并通過改變屏幕亮度的百分比實(shí)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度的調(diào)制．利用手機(jī)的光電探測(cè)器，可以實(shí)現(xiàn)高分辨率的圖片和視頻的拍攝，結(jié)合Matlab等軟件或者自編的APP軟件進(jìn)行圖片和視頻的分析．利用手機(jī)的光照度計(jì)，結(jié)合phyphox等應(yīng)用程序，可以方便地接收光的照度，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)還可以設(shè)置域值，進(jìn)行光學(xué)時(shí)間的測(cè)量．

3 結(jié)論

居家物理實(shí)驗(yàn)的開發(fā)是一個(gè)值得研究的重要課題，隨著技術(shù)的進(jìn)步，智能手機(jī)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用也更加重要．在前人總結(jié)智能手機(jī)在物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)、聲學(xué)實(shí)驗(yàn)、電學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本文主要梳理了智能手機(jī)在物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，其目的是發(fā)揮手機(jī)光源、光電探測(cè)器和光照度計(jì)的作用，邁出智能手機(jī)在物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的一大步．