牛顿环实验中读数装置的改进

田佳伟 张桐 孙继石 张梦元 刘忠坤

【摘 要】采用无线WIFI摄像头，改进牛顿环实验中读数显微镜，将摄像头采集到的视频信号以无线传输形式发送到手机屏幕上，用手机屏幕代替人眼，直接观察实验现象，解决了牛顿环实验中现象难观察，累眼睛的这一困难。

【关键词】牛顿环实验；实验装置改进；曲率半径

1、设计背景

通过一年的大学物理实验的学习，让我们进步很多。每一个实验都有自己的历史背景和发展过程，了解这些背景和发展过程就是在了解科学和科学思维方法。亲自动手做实验既锻炼了动手能力，又培养出了自主探究科学的能力。最后提交的实验报告也让我们掌握了处理实验数据和总结实验结果的方法。但是在学习中我们也发现了本校大学物理实验中的不足：仪器相对老化。尤其是牛顿环实验中读数显微镜有些原始，学生要眼睛紧贴目镜，在狭小的视窗内数出非常密集的20圈暗条纹，由于仪器自身存在螺距“回程差”，所以一旦漏数或错数都需要重新测量，这就会产生用眼疲劳，读数产生偏差，甚至是丧失对该实验的兴趣。目前，学校没有足够的实验经费，无法更换更加先进的仪器设备，基于这种情况，我们将用最小的成本对该实验装置进行改造。

2、设计思路及优缺点

设计最终目的是让读数显微镜中的现象更直观地显示出来，所以第一想法就是利用身边现有的摄像头将图像发送到显示屏中。

摄像头选择无线摄像头，原因是有线摄像头会使原本就比较杂乱的实验桌面变得更加杂乱，也会降低实验安全性。无线摄像头在使用时也是有缺陷的，例如信号在传输时是有延迟的，所以在使用时需要缓慢地转动鼓轮防止漏数。

选择显示屏时，很多人都选择将摄像头连接在电脑显示屏上[1-4]，但如果每台试验装置都配备一台电脑，会使得改装成本大大的提高，不符合实际；也有将摄像头改装成可以自动数条纹、自动读数的智能装置[5-8]，再利用计算机直接算出数据，这种改装更加先进，但是违背了大学物理实验课开设的初衷：培养学生的动手能力。因此，不选择计算机而选择手机作为显示器。目前智能手机已基本普及，人手一个，所以实验室不用重新采购；手机的灵活性非常好，它不需要固定在一个位置来使用，学生可以自己调节到一个舒适的位置来观看，更加人性化；手机自带截屏功能，可以随时保留自己的实验现象，更方便学生间的交流讨论；手機可以用来做科学实验，非常新颖，可以最高程度地激发学生的兴趣，有利于实验教学。

综上所述，我们在读数显微镜上固定摄像头，利用摄像头拍摄读数显微镜中的画面，以无线的形式传输到手机屏幕上，完成数据测量，如图1。

3、装置改造

装置改造的主要难点就在于如何固定摄像头，改造之初选用纸盒作为支撑框架，如图2（a），但纸盒质地太软，稳定效果差。之后改用木盒，并在两个方向加装螺杆，如图2（b），将摄像头固定在中间螺帽上，就可以满足前后左右两个方向的调节，但是螺杆和木盒之间非常容易松动，稳定性也比较差。最后选用注射器为固定支架，如图2（c），注射器易于购买，成本小；改装难度小，容易固定在目镜上；容易找到中心点，不需要左右调节；活塞前后调节阻尼较大，不易松动。

将改进后的摄像头固定于读数显微镜后，非常容易就能找到牛顿环明暗相间条纹，从手机屏幕显示的画面看，图像非常清晰，如图3。

4、实验数据及误差

如图4（a）所示，把一块曲率半径很大的平凸透镜的凸面放在一块光学平板玻璃上，在透镜的凸面和平板玻璃间形成一个上表面是球面，下表面是平面的空气薄层，其厚度从中心接触点到边缘逐渐增加。若一单色光近乎垂直地射到平凸透镜上，光线经空气薄层上下两个面反射后相遇，产生干涉条纹。离接触点等距离的地方，厚度相同，即光程差相同，干涉条纹是以接触点为中心的圆，如图4（b）。

一般测牛顿环仪中平凸透镜的曲率半径的公式[9]为：

，将此结果带入公式中求出曲率半径最佳值 。

对测量结果进行标准不确定度分析和评定[10]：

A类不确定度：

B类不确定度：

所以总不确定度

实验结果：

相对不确定度：

百分差：

5、结语

用最低的成本改进了读数显微镜，能够在手机屏幕上观察到清晰的明暗条纹，有效地缓解了使用者的视觉疲劳，并且通过实际测量和误差分析，证明了该种改进方法是正确的。

本文得到辽宁科技学院大创项目支持：201811430053

参考文献：

[1] 邱彩虹，李永强等.基于THDCE-20摄像头成像的牛顿环实验设计[J].实验科学与技术2018 16（4）：140-142.

[2] 贺莉蓉，俞嘉隆，余建波，等. 用 CCD 成像系统观测透射式牛顿环[J].物理实验，2005，25（6）：38-40.

[3] 彭小兰，卢柱荣，胡西多.牛顿环实验的改进[J].2007 14（3）：26-28.

[4] 基于FPGA的高性能CMOS图像采集系统设计[J].樊春玲，范立超，明星，郭文记，邵巍.青岛科技大学学报（自然科学版）.2018（01）.

[5] 曹文军.半智能化牛顿环曲率半径的测量[J].物理通报.2018（11）：83-86.

[6] 邓敏，赵丹等.等厚干涉实验中牛顿环暗纹直径自动测量方法[J].实验技术与管理.2018 35（8）：64-68.

[7] 王小伟.牛顿环计算机测量系统的研究与设计[D].太原：太原科技大学，2010.

[8] 周红仙，张潞英，王毅.基于对称相关的牛顿环参数自动测量[J].实验室研究与探索，2015，34（6）：8-11

[9] 李艳萍，苏中乾.大学物理实验教程 [M].北京：机械工业出版社，2018：72-75.

[10]王艳文 张腊花 牛顿环测量曲率半径实验的标准不确定度分析[J] 中国教育技术装备，2012：15，122

（作者单位：1.辽宁科技学院双百学院；

2.辽宁科技学院基础部）