駱明輝 林二妹

(閩南理工學(xué)院基礎(chǔ)部 福建 泉州 362700)

1 引言

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)的實(shí)驗(yàn)中，光學(xué)實(shí)驗(yàn)相對其他的實(shí)驗(yàn)難度大，要求學(xué)生首先要對實(shí)驗(yàn)原理有很好的理解，其次要有很好的動手能力．如果單純靠學(xué)生自己動手摸索完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，有的實(shí)驗(yàn)安排的3個(gè)課時(shí)都不夠用，絕大部分學(xué)生很難在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)．這種情況下實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師對實(shí)驗(yàn)的演示和講解就起到非常關(guān)鍵的作用，成功的演示和有效的講解將會很大程度上幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理和掌握實(shí)驗(yàn)操作要領(lǐng)．但教師的演示和講解受到客觀環(huán)境的限制，像“牛頓環(huán)的干涉”“用分光計(jì)測三棱鏡的折射率”“用衍射光柵測光波的波長”“楊氏模量的測定”這4個(gè)實(shí)驗(yàn)，在觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的時(shí)候，需要用眼睛緊貼目鏡看．一個(gè)目鏡同一時(shí)間只能一只眼睛看，教師看了學(xué)生就看不了．因?yàn)檫@個(gè)限制，教師只能用口頭語言描述自己所看到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而每個(gè)學(xué)生對教師所描述的現(xiàn)象又會有不一樣的理解，錯誤的理解會導(dǎo)致他們出現(xiàn)錯誤的操作．如果能讓所有的學(xué)生在聽到教師講解實(shí)驗(yàn)操作的同時(shí)，同步地看到老師所看到的圖像，那么這種錯誤的理解將會大大地減少，從而可以有效地提高實(shí)驗(yàn)的效率．

本文提出引入無線視頻傳輸技術(shù)[1]，對傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備加以改進(jìn)，解決上述在光學(xué)實(shí)驗(yàn)演示過程中所遇到的問題．

2 設(shè)計(jì)原理

無線視頻傳輸原理架構(gòu)如圖1所示.

圖1 無線視頻傳輸設(shè)計(jì)原理圖

從左到右設(shè)計(jì)原理分解如下：

(1)透過目鏡里的光線在CCD攝像頭里成像[2]；

(2)CCD元件將光信號轉(zhuǎn)換成模擬電信號傳輸給無線視頻發(fā)射器；

(3)無線視頻發(fā)射器將模擬電信號轉(zhuǎn)換成電磁波發(fā)射出去；

(4)電磁波被無線接收器接收到，電磁波轉(zhuǎn)換成模擬電信號傳輸給投影儀；

(5)投影儀將模擬電信號轉(zhuǎn)換成光信號，投影在大屏幕上，還原目鏡里的圖像．

3 應(yīng)用實(shí)例

本文將以“用分光計(jì)測三棱鏡的折射率”和“用衍射光柵測光波的波長”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)[3]為例，展示如何將無線視頻傳輸技術(shù)應(yīng)用在輔助光學(xué)演示實(shí)驗(yàn)中．這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理的光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，是比較典型的有難度的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樗鼈兌夹枰玫椒止庥?jì)．分光計(jì)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中是一個(gè)非常重要的實(shí)驗(yàn)儀器，可用于需要非常精確測量角度的實(shí)驗(yàn)．分光計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)節(jié)步驟繁瑣，使得這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)相對比較有難度．若能很好地解決這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的演示問題，其他光學(xué)實(shí)驗(yàn)的演示也將變得容易．具體應(yīng)用如下．

3.1 圖像采集部分

如圖2所示“用衍射光柵測光波的波長”的實(shí)驗(yàn)．圖像采集用的攝像頭型號為：三星SDC-313，分辨率大約500電視線，最低照度為0.5Lux，輸出的視頻信號為模擬信號．電源為DC12 V，鏡頭焦距為8 mm．?dāng)z像頭固定在可升降的光學(xué)底座上，便于精確對準(zhǔn)目鏡．無線視頻發(fā)射器的工作頻率是1.2 GHz，電源為DC12 V，發(fā)射功率為1～5 W．這個(gè)功率能夠保證在實(shí)驗(yàn)室有學(xué)生做實(shí)驗(yàn)，人體會反射和吸收一部分電磁信號的情況下，實(shí)驗(yàn)室的任何一個(gè)角落仍然有良好的信號．

圖2 用衍射光柵測光波的波長

3.2 圖像投影部分

如圖3所示，無線視頻接收器使用的是DC12 V電源，工作頻率是1.2 GHz．與發(fā)射機(jī)對頻后輸出模擬視頻信號至投影儀，投影儀將圖像投影至大屏幕顯示．無線視頻發(fā)射機(jī)和接收機(jī)點(diǎn)對點(diǎn)進(jìn)行信息傳送，無需通過網(wǎng)絡(luò)連接，適用于無網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境．

圖3 無線視頻接收與投影

3.3 實(shí)驗(yàn)效果

圖4 汞燈的光柵衍射光譜

圖5是“用分光計(jì)測三棱鏡的折射率”實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)分光計(jì)與測量三棱鏡頂角過程中看到的從三棱鏡的光滑面反射至目鏡里的分劃板的十字叉絲像．從圖中可以看到，分劃板與十字叉絲的像都非常的清晰．在演示用各半調(diào)節(jié)法調(diào)節(jié)十字叉絲像的位置時(shí)，學(xué)生能夠很直觀地看到當(dāng)調(diào)節(jié)載物臺調(diào)平螺釘和望遠(yuǎn)鏡光軸高低調(diào)節(jié)螺釘?shù)臅r(shí)候，十字叉絲像位置的上下移動情況，這樣就能夠很好地幫助他們理解調(diào)節(jié)的過程，掌握各半調(diào)節(jié)法．

圖5 分劃板與十字叉絲像

4 結(jié)論

本文以兩個(gè)典型的光學(xué)實(shí)驗(yàn)為例，展示了如何將無線視頻傳輸技術(shù)應(yīng)用在課堂輔助演示光學(xué)實(shí)驗(yàn)中．從實(shí)驗(yàn)演示的效果來看，這項(xiàng)技術(shù)確實(shí)非常成功地解決了在引言中所提到的困難，切實(shí)有效地提高了光學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效率．用投影儀代替小的顯示器，一方面投影出來的圖像更大，使得全體學(xué)生都能很清晰地看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；另一方面因?yàn)橥队皟x是可以懸掛的，不需要放在實(shí)驗(yàn)臺上，減少了實(shí)驗(yàn)臺上設(shè)備的數(shù)量，使得實(shí)驗(yàn)臺更加寬敞．以無線代替有線，減少了布線的人工成本與材料成本．少了線的約束，攝像頭可移動性增強(qiáng)，教師可以在講臺上演示，也可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)任何一臺儀器上演示；可以在某個(gè)特定的實(shí)驗(yàn)室演示，也可以拿到其他實(shí)驗(yàn)室演示，儀器的利用率提高．因?yàn)楣鈱W(xué)實(shí)驗(yàn)的相通性，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用不局限于文中所提到的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，也同樣可以應(yīng)用在其他的光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，甚至是非光學(xué)實(shí)驗(yàn)中．