光的双缝干涉远程控制实验仪的设计

李永涛，王雪杰，熊 耀，蒋茂森，王增旭，张红光，陈 伟

(1.南京邮电大学 教务处，江苏 南京 210023； 2.南京邮电大学 理学院，江苏 南京 210023)

当今新冠肺炎疫情的爆发，对世界高等教育教学产生了巨大影响，也催生中国高等教育发展的新方向，使我国高等教育面临着新挑战和新机遇。在线理论课程教学模式在抗击新冠肺炎疫情中发挥了巨大作用，必将成为后疫情时代高校教育教学的一个重要特征。但以实际动手能力训练为目的的实验教学课程仍然是在线教学发展的一个短板。如何将实验教学搬到线上进行，以深化学生为本的实验教学改革，拓宽实验教学覆盖面与受益面，是广大高等教育工作者值得深入研究的课题[1-4]。

南京邮电大学大学物理实验在线教学课程团队，充分发挥教育信息化独特优势，突破传统实验教育模式束缚，创新性地设计了双缝干涉实验远程控制实验仪并用于大学物理实验教学，在远程控制实验教学上做了有益的尝试和探索。

1 光的双缝干涉实验原理

图1 光的干涉实验原理

2 双缝干涉远程控制实验仪的设计

2.1 仪器整体设计架构

由于干涉条纹的变化取决于光波的波长、双缝的间距以及双缝到接收屏的距离这三个参数。基于这些参数的动态调整，我们将远程控制实验仪器分为光路模块、驱动模块和远程控制模块进行整体架构设计，如图2所示。

图2 远程控制双缝干涉仪结构设计

2.2 光路模块设计

光路模块设计分为光源转换模块设计、缝距调节模块设计和光屏接收模块三部分。

2.2.1 光源转换模块设计

光源模块主要是针对波长参数的改变。激光相比普通光波单色性更好、强度更高且发射角极小，使得干涉实验现象更明显。因此为了控制光源波长的改变，采用两个波长不同的激光光源相互切换来实现波长的改变，如图3所示。将两个不同波长的激光器分别固定在可转动的金属圆盘上，并保证两激光照射方向相反、直线放置。圆盘与步进电动机机械相连，通过步进电机的运作带动圆盘转动，以实现光源波长的转换。

图3 光源转换模块

2.2.2 缝间距调节模块设计

双缝间距作为双缝干涉实验的变量，实现双缝的间距的有效调节相当重要。为实现缝间距的调控，我们设计了缝距调节导轨滑台，如图4所示。将具有不同缝距的同一个光栅片固定于导轨滑台，光栅片固定的高度应与激光器的高度保持一致。将导轨滑台横向放置于激光光路上，通过步进电机的驱动光栅片横向移动，使激光照射不同缝间距的双缝，实现缝间距的改变。

图4 缝间距调节模块

2.2.3 接收模块设计

对于接收模块的设计主要是考虑影响双缝到接收屏的距离这一参数。将接收屏固定于可沿光路方向移动的导轨上，并与步进电动机机械连接，实现光屏的前后移动。

3 驱动模块

在整个实验仪器设计的过程中，选用二相四线步进电机来驱动零部件的运行。步进电机具有启动快和停止快的特点，并能够将接收的数字信息转换为相应的角位移或线位移，有助于降低远程控制实验操作的时延效应[7]。由电机选择芯片CD4051和电机驱动芯片DRV8825组成的驱动板是衔接硬件系统的驱动中枢。通过接收树莓派发送的电机控制信号从而选择对应的电机进行工作，并控制电机的启停、转向和转速等状态，从而实现远程控制的目的。

4 远程控制模块

为方便使用者的操作，基于go语言和beego框架开发网页客户端。以树莓派作为服务载体，建立网页客户端与硬件之间的通信。将步进电机分别与驱动板相连，通过代码分别设计好电机的电压、转速、转向等参数；将步进电机驱动板和USB摄像头分别与树莓派相连，并将摄像头和电机控制地址引入到客户端界面上，方便实时观测实验现象和记录实验数据[8]。利用Mysql数据库进行用户数据和实验信息的储存管理，在前后端相互配合下，整套设备能够完美实现在网页客户端的远程控制，以及数据反馈，如图5所示。

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5 结 语

本文主要是基于互联网思维，详细介绍了光的双缝干涉远程控制实验仪器的设计思路和方法，实现了不同用户在客户端上进行远程控制实验的操作和学习，从而为远程实验教学平台的建设提供了新思路。通过设计零件改装实验仪器，让步进电机、USB摄像头与树莓派相连，再利用web开发技术搭建了一个网页客户端对其线上实验进行了有益探索，这种仪器研制模式在国内的普通物理实验研究中并不多见。实践证明，改进后的实验仪器与互联网紧密联系，不仅在数据测量、互动性、真实性上能够达到学生实验的要求，同时由于操作简单、成本低、系统稳定等特点易于推广。相信通过对光的远程控制式双缝干涉实验仪器研制的探索，能够抛砖引玉，引起更多专家学者对此方面研究的关注，在对其他领域的远程实验仪器设计中有更加深入的探讨和摸索。