王小懷

(韓山師范學院,廣東 潮州　521041)

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數(shù)碼相機在近代物理實驗中的應用

王小懷

(韓山師范學院,廣東 潮州521041)

利用數(shù)碼相機的優(yōu)點，分別對近代物理實驗中的光譜拍攝與分析和密立根油滴實驗做了相應的改進。實踐表明，數(shù)碼相機的應用不僅使實驗操作更加的方便快捷，還能進一步提高教學質(zhì)量和降低實驗成本。

數(shù)碼相機；近代物理實驗；光譜拍攝；密立根油滴實驗

隨著科技的發(fā)展，數(shù)碼相機在日常生活中得到了廣泛應用。與傳統(tǒng)照相機在膠卷上靠溴化銀的化學變化來記錄圖像的原理不同，數(shù)碼相機利用電子傳感器把光學影像轉(zhuǎn)換成電子數(shù)據(jù)，省去普通照相需要沖膠卷、洗印照片的麻煩。此外，光電轉(zhuǎn)換芯片能提供多種感光度選擇，感光度不再因膠卷而固定；拍照后能即刻看到圖片效果，不滿意立馬便可重拍，確保相片質(zhì)量；數(shù)碼相機的高速連拍功能可快速、準確俘獲物體的運動特征。如能將數(shù)碼相機的諸多優(yōu)點應用于物理實驗的教學，定將大大提高實驗教學的質(zhì)量和效率。以下重點介紹數(shù)碼相機在近代物理實驗中的兩項應用。

1　數(shù)碼相機的應用

1.1光譜的拍攝與分析

1.1.1原理概述

物質(zhì)的原子和分子都輻射和吸收自己的特征光譜。利用棱鏡攝譜儀的感光膠片拍攝記錄光譜，分析后便可了解物質(zhì)的組成和各成分的含量[1]。

圖1　譜線波長與位置示意圖

當波長范圍較小時，棱鏡光譜的角色散率可近似認為是恒定的，即譜線位置d和波長λ間滿足線性關(guān)系。如圖1所示，在靠近待測譜線波長λx的兩側(cè)，選兩條波長λ1、λ2為已知的譜線。分別測出λ1、λ2、λx在底板上的相對位置d1、d2、dx，則可依據(jù)線性關(guān)系，求得

(1)

1.1.2拍攝過程[2]

拍攝前的調(diào)節(jié)與傳統(tǒng)方法類似，不同的是在觀察到清晰譜線后不換裝底片暗盒。而是利用三腳架固定數(shù)碼相機直接置于棱鏡攝譜儀觀察目鏡后方，聚焦清晰并拍照，如圖2所示。

圖2　光譜拍攝儀器圖

使用哈脫曼光闌控制各光源光譜的位置進行三次拍攝，結(jié)果見圖3(a)、(b)為氦燈的光譜(波長已知)，3(c) 為氫燈光譜(波長待測)。

圖3　光譜圖

1.1.3分析與測量

應用圖像處理軟件將圖3進行等比例合并，為了方便測量，同時插入帶有刻度的標尺，見圖4。

圖4　合成光譜圖

已知：λ1=667.8nm、λ2=587.6 nm

測得：d1=3.15，d2=6.25，dx=3.55。

代入公式(1)可得：λx=657.7nm。

實測值與理論值相比，相對誤差0.15%。

1.1.4數(shù)碼相機拍攝光譜的好處

(1)節(jié)約時間

受膠片感光度及光譜強度影響，傳統(tǒng)拍攝每次曝光需十分鐘以上，三次曝光耗費大量時間。而數(shù)碼相機的一次拍攝僅需數(shù)秒。

(2)成功拍攝有保障

以往只有等到?jīng)_洗完畢才知道拍攝效果，一旦發(fā)現(xiàn)問題需要重拍又沒有時間。數(shù)碼相機拍完即刻可看相片，能確保拍攝的成功。

(3)分析測量更加方便

與使用阿貝比長儀相比，應用圖像處理軟件能更加方便和準確地確定譜線的位置。

(4)簡化操作，降低成本

由于數(shù)碼相機省去繁瑣的沖洗環(huán)節(jié)，不再需要配置暗室及沖洗設(shè)備。不僅簡化實驗操作步驟，還大大降低實驗成本。

1.2密立根油滴實驗

1.2.1實驗原理

密立根油滴實驗中，油滴的帶電量滿足以下關(guān)系：[3]

(2)

d表示平行極板之間的距離，U為平行極板間的電壓,h是空氣的粘滯系數(shù)，r和s分別是油和空氣的密度，g是當?shù)氐闹亓铀俣龋瑄e、ug分別表示有電場作用和沒有電場作用時油滴的運動速度?？梢姡灰獪y出U、ug、ue等宏觀量，結(jié)合其它可查到的參數(shù)即可算出油滴的帶電量q。

1.2．2實驗過程

調(diào)節(jié)好儀器后，使用數(shù)碼相機的連拍功能各連拍6張圖片記錄被選定油滴向上和向下的運動過程。

(1)未加電場前油滴連續(xù)向下運動，其中第1張和第6張照片如圖5所示。

(a)

(b)圖5　未加電場前油滴向下運動

(a)

(b)圖6　加上電場后油滴向上運動

(2)加上電場后油滴連續(xù)向上運動，其中第1張和第6張照片如圖6所示。

1.2.3數(shù)據(jù)處理

本實驗采用的數(shù)碼相機是佳能EOS550D，連拍速度為3.7張/秒，即每兩張相鄰的照片間距為0.270s，故油滴連續(xù)向上或向下運動的總時間tg=te=0.270×5=1.351 s。

根據(jù)標尺縱向每刻度間的距離0.5mm，利用位置比例關(guān)系分析圖片得1.351s內(nèi)各油滴的位移，從而求出相應的速度。將求得的速度和極板電壓U=315V，極板距離d=0.005 00m以及其它參量代入(2)式，可算出各個油滴的帶電量q,實驗數(shù)據(jù)及處理結(jié)果見表1。

表1　油滴實驗數(shù)據(jù)記錄及處理結(jié)果

1.2.4數(shù)碼相機測定油滴帶電量的優(yōu)點

(1)測量更加準確

使用秒表人工測量油滴速度，人的反應時間及對準判斷能力影響很大，測量的誤差往往也較大。利用數(shù)碼相機的高速連拍功能，能準確捕抓油滴的某一瞬間狀態(tài)。

(2)操作方便，效率高

正是由于傳統(tǒng)秒表測速誤差較大，故需要逐一對同一油滴的tg、te進行多次測量。若該油滴中途電量變化或控制不當丟失的話均須重新挑選油滴，重新測量，過程十分的繁瑣。使用數(shù)碼相機，不僅能對同一油滴實現(xiàn)快速、多次測量，還可以對出現(xiàn)在視場中的多顆油滴同時進行測量分析，效率很高。此外，通過對比連拍油滴在相同時間間隔內(nèi)的位移，能更真實、更直接地判斷油滴是否滿足勻速運動的實驗條件。

2　總　　結(jié)

利用數(shù)碼相機的優(yōu)點，對近代物理實驗中的光譜拍攝和分析和密立根油滴實驗做了相應的改進。實踐表明，數(shù)碼相機的應用可以簡化操作步驟，節(jié)省操作時間，提高實驗效率，降低實驗成本。不僅如此，通過儀器的自主改裝，還能培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和實踐能力，彰顯物理實驗的設(shè)計性與創(chuàng)新性。

[1]鄔鴻彥，朱明剛．近代物理實驗[M].北京：科學出版社，1998：1-10.

[2]李維暉.在科技照相實驗中應該使用數(shù)碼相機[J].物理實驗，2000(6)．

[3]林木欣.近代物理實驗教程[M].北京：科學出版社，2000：48-53．

[4]蘇茂.密立根油滴實驗中運動速度的分析[J].大學物理實驗，2014(1)：19-21.

Application in Modern Physics Experiment with Digital Camera

WANG Xiao-huai

(Hanshan Normal University,Guangdong Chaozhou 521041)

Usingtheadvantagesofdigitalcamera,thespectrumshootingandMillikanoildropexperimentinthemodernphysicsexperimentareimproved.Thepracticeshowsthattheapplicationofdigitalcameranotonlymaketheexperimentaloperationmoreeasy,butalsoimproveteachingqualityandreduceexperimentalcost.

digitalcamera；modernphysicsexperiment；spectrumshooting；Millikanoildropexperiment

2016-03-10

1007-2934(2016)04-0055-04

O4-33

ADOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.004.018