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(dòng)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(cè)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，造成觀測(cè)過(guò)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(cè)工具來(lái)輔助觀測(cè)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(cè)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(cè)，六氟化硫，相變

導(dǎo)語(yǔ)：在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，研究者有時(shí)對(duì)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(shí)間較長(zhǎng)，人眼難以長(zhǎng)期觀察;實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(shí)觀測(cè)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(shí)攝像，而且還能夠通過(guò)視頻采集卡實(shí)時(shí)傳輸?shù)诫娔X，搭配視頻處理軟件整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，來(lái)達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)效果。

1.1物理演示實(shí)驗(yàn)的作用

當(dāng)前我國(guó)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(wèn)題。以我院為例，對(duì)SF6相變觀測(cè)儀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀測(cè)，如超臨界流體，臨界乳光現(xiàn)象等，人眼能夠識(shí)別，但對(duì)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(cè)不易記錄難的問(wèn)題。而輔助觀測(cè)裝置不僅能有效解決基礎(chǔ)研究對(duì)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的獲取，積極開(kāi)展基本原理的歸納和新知識(shí)的實(shí)驗(yàn)性工作，同時(shí)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(cè)裝置中，對(duì)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象光學(xué)放大的處理，由此組建相對(duì)完善的實(shí)驗(yàn)室光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)，對(duì)于不同實(shí)驗(yàn)的光照需求，由此組建相對(duì)完善的實(shí)驗(yàn)室光照系統(tǒng)。

1.2輔助觀測(cè)裝置對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性

隨著我國(guó)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(duì)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)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(jiǎn)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(dòng)性和求知欲，同時(shí)，當(dāng)學(xué)生自己親手操作時(shí)，簡(jiǎn)易的觀測(cè)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(chǎng)景觀測(cè)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(shuō)過(guò)：“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?！倍劬Φ乃?jiàn)是有限的，一個(gè)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(gè)限制是光的頻率范圍，而實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象本身存在的問(wèn)題，比如反應(yīng)時(shí)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(zhǎng)，人眼疲勞無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè);實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象過(guò)于短暫，人眼難以及時(shí)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(wú)法直接觀察。除此之外，實(shí)驗(yàn)裝置本身的限制也會(huì)阻礙我們的觀察，比如被測(cè)物體在密閉空間或者有玻璃外殼等，反光無(wú)光等現(xiàn)象都會(huì)影響觀測(cè)，被測(cè)物體無(wú)法移動(dòng)，普遍的觀測(cè)方法受到空間影響無(wú)法展開(kāi)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景也會(huì)成為觀測(cè)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(duì)于微型實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)造成影響。

2.2輔助裝置

輔助觀測(cè)裝置能夠幫助實(shí)驗(yàn)者觀測(cè)到清晰的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并且可以攝影儲(chǔ)存觀測(cè)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(cè)裝置分為五個(gè)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(wàn)像素高清工業(yè)攝像頭，通過(guò)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(shí)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(duì)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(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象準(zhǔn)確清晰的記錄過(guò)于困難，需要在攝像頭前添加變焦鏡頭，對(duì)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(guò)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(guò)程中實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的變化，需要對(duì)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(guò)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(wàn)向軟管，可自由調(diào)節(jié)角度以滿足觀測(cè)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(shí)對(duì)增加場(chǎng)景亮度。對(duì)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(guò)試驗(yàn)證明，實(shí)驗(yàn)室微型場(chǎng)景下的實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)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(chǎng)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(yǔ)

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(cè)配套輔助觀測(cè)裝置對(duì)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(cè)裝置能夠很大程度上減少試驗(yàn)場(chǎng)景限制對(duì)學(xué)生觀測(cè)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(jiǎn)易的觀測(cè)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)：

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基金項(xiàng)目：中國(guó)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(jiǎn)介：

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

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

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

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

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

李文，通訊作者，中國(guó)民航大學(xué)教師。