数码相机在近代物理实验中的应用

王小怀

(韩山师范学院,广东 潮州　521041)



数码相机在近代物理实验中的应用

王小怀

(韩山师范学院,广东 潮州521041)

利用数码相机的优点，分别对近代物理实验中的光谱拍摄与分析和密立根油滴实验做了相应的改进。实践表明，数码相机的应用不仅使实验操作更加的方便快捷，还能进一步提高教学质量和降低实验成本。

数码相机；近代物理实验；光谱拍摄；密立根油滴实验

随着科技的发展，数码相机在日常生活中得到了广泛应用。与传统照相机在胶卷上靠溴化银的化学变化来记录图像的原理不同，数码相机利用电子传感器把光学影像转换成电子数据，省去普通照相需要冲胶卷、洗印照片的麻烦。此外，光电转换芯片能提供多种感光度选择，感光度不再因胶卷而固定；拍照后能即刻看到图片效果，不满意立马便可重拍，确保相片质量；数码相机的高速连拍功能可快速、准确俘获物体的运动特征。如能将数码相机的诸多优点应用于物理实验的教学，定将大大提高实验教学的质量和效率。以下重点介绍数码相机在近代物理实验中的两项应用。

1　数码相机的应用

1.1光谱的拍摄与分析

1.1.1原理概述

物质的原子和分子都辐射和吸收自己的特征光谱。利用棱镜摄谱仪的感光胶片拍摄记录光谱，分析后便可了解物质的组成和各成分的含量[1]。

图1　谱线波长与位置示意图

当波长范围较小时，棱镜光谱的角色散率可近似认为是恒定的，即谱线位置d和波长λ间满足线性关系。如图1所示，在靠近待测谱线波长λx的两侧，选两条波长λ1、λ2为已知的谱线。分别测出λ1、λ2、λx在底板上的相对位置d1、d2、dx，则可依据线性关系，求得

(1)

1.1.2拍摄过程[2]

拍摄前的调节与传统方法类似，不同的是在观察到清晰谱线后不换装底片暗盒。而是利用三脚架固定数码相机直接置于棱镜摄谱仪观察目镜后方，聚焦清晰并拍照，如图2所示。

图2　光谱拍摄仪器图

使用哈脱曼光阑控制各光源光谱的位置进行三次拍摄，结果见图3(a)、(b)为氦灯的光谱(波长已知)，3(c) 为氢灯光谱(波长待测)。

图3　光谱图

1.1.3分析与测量

应用图像处理软件将图3进行等比例合并，为了方便测量，同时插入带有刻度的标尺，见图4。

图4　合成光谱图

已知：λ1=667.8nm、λ2=587.6 nm

测得：d1=3.15，d2=6.25，dx=3.55。

代入公式(1)可得：λx=657.7nm。

实测值与理论值相比，相对误差0.15%。

1.1.4数码相机拍摄光谱的好处

(1)节约时间

受胶片感光度及光谱强度影响，传统拍摄每次曝光需十分钟以上，三次曝光耗费大量时间。而数码相机的一次拍摄仅需数秒。

(2)成功拍摄有保障

以往只有等到冲洗完毕才知道拍摄效果，一旦发现问题需要重拍又没有时间。数码相机拍完即刻可看相片，能确保拍摄的成功。

(3)分析测量更加方便

与使用阿贝比长仪相比，应用图像处理软件能更加方便和准确地确定谱线的位置。

(4)简化操作，降低成本

由于数码相机省去繁琐的冲洗环节，不再需要配置暗室及冲洗设备。不仅简化实验操作步骤，还大大降低实验成本。

1.2密立根油滴实验

1.2.1实验原理

密立根油滴实验中，油滴的带电量满足以下关系：[3]

(2)

d表示平行极板之间的距离，U为平行极板间的电压,h是空气的粘滞系数，r和s分别是油和空气的密度，g是当地的重力加速度，ue、ug分别表示有电场作用和没有电场作用时油滴的运动速度。可见，只要测出U、ug、ue等宏观量，结合其它可查到的参数即可算出油滴的带电量q。

1.2．2实验过程

调节好仪器后，使用数码相机的连拍功能各连拍6张图片记录被选定油滴向上和向下的运动过程。

(1)未加电场前油滴连续向下运动，其中第1张和第6张照片如图5所示。

(a)

(b)图5　未加电场前油滴向下运动

(a)

(b)图6　加上电场后油滴向上运动

(2)加上电场后油滴连续向上运动，其中第1张和第6张照片如图6所示。

1.2.3数据处理

本实验采用的数码相机是佳能EOS550D，连拍速度为3.7张/秒，即每两张相邻的照片间距为0.270s，故油滴连续向上或向下运动的总时间tg=te=0.270×5=1.351 s。

根据标尺纵向每刻度间的距离0.5mm，利用位置比例关系分析图片得1.351s内各油滴的位移，从而求出相应的速度。将求得的速度和极板电压U=315V，极板距离d=0.005 00m以及其它参量代入(2)式，可算出各个油滴的带电量q,实验数据及处理结果见表1。

表1　油滴实验数据记录及处理结果

1.2.4数码相机测定油滴带电量的优点

(1)测量更加准确

使用秒表人工测量油滴速度，人的反应时间及对准判断能力影响很大，测量的误差往往也较大。利用数码相机的高速连拍功能，能准确捕抓油滴的某一瞬间状态。

(2)操作方便，效率高

正是由于传统秒表测速误差较大，故需要逐一对同一油滴的tg、te进行多次测量。若该油滴中途电量变化或控制不当丢失的话均须重新挑选油滴，重新测量，过程十分的繁琐。使用数码相机，不仅能对同一油滴实现快速、多次测量，还可以对出现在视场中的多颗油滴同时进行测量分析，效率很高。此外，通过对比连拍油滴在相同时间间隔内的位移，能更真实、更直接地判断油滴是否满足匀速运动的实验条件。

2　总　　结

利用数码相机的优点，对近代物理实验中的光谱拍摄和分析和密立根油滴实验做了相应的改进。实践表明，数码相机的应用可以简化操作步骤，节省操作时间，提高实验效率，降低实验成本。不仅如此，通过仪器的自主改装，还能培养学生的创新意识和实践能力，彰显物理实验的设计性与创新性。

[1]邬鸿彦，朱明刚．近代物理实验[M].北京：科学出版社，1998：1-10.

[2]李维晖.在科技照相实验中应该使用数码相机[J].物理实验，2000(6)．

[3]林木欣.近代物理实验教程[M].北京：科学出版社，2000：48-53．

[4]苏茂.密立根油滴实验中运动速度的分析[J].大学物理实验，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