CN106781937A - 新型牛顿环实验教学辅助系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型牛顿环实验教学辅助系统及方法，其中，所述新型牛顿环实验教学辅助系统包括：底座、读数显微镜、齿轮机构、编码器、嵌入式接入盒以及主控机；所述读数显微镜安装于所述底座上，所述读数显微镜的物镜朝向所述底座的牛顿环实验区域设置，所述读数显微镜的调节机构通过所述齿轮机构与所述编码器相连接，所述编码器与所述嵌入式接入盒进行数据传输，所述嵌入式接入盒与所述主控机进行远程数据通讯。本发明可有效的提高学生动手能力和教师评价水平；可以实时有效的对学生的操作过程进行监控，有利于分析学生实验过程中的障碍；通过嵌入式接入盒和主控机可完成整个学生实验过程的数据自动收集，减少了教师的工作量。

Description

新型牛顿环实验教学辅助系统及方法

技术领域

本发明涉及牛顿环教学技术领域，尤其涉及一种新型牛顿环实验教学辅助系统及方法。

背景技术

牛顿环，又称“牛顿圈”是大学物理实验中一个重用的实验。在光学上，牛顿环是一个薄膜干涉现象，其具体表现为一种干涉图样，是一些明暗相间、内疏外密的同心圆环。具体地，可用一个曲率半径很大的凸透镜的凸面和一平面玻璃接触，在日光下或用白光照射时，可以看到接触点为一暗点，其周围为一些明暗相间的彩色圆环；而用单色光照射时，则表现为一些明暗相间的单色圆圈。这些圆圈的距离不等，随离中心点的距离的增加而逐渐变窄。它们是由球面上和平面上反射的光线相互干涉而形成的干涉条纹。通过研究牛顿环，对于学习薄膜干涉具有重要的意义。

目前，在牛顿环的实验教学中由于牛顿环的条纹比较细密，从而调节显微镜时读数易错。即使针对读数本身，教师也无法依赖实验处理数据的结果判断学生是否进行了正确的操作。

因此，针对上述问题，有必要提出进一步的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型牛顿环实验教学辅助系统及方法，以克服现有技术中存在的不足。

为实现上述发明目的，本发明提供一种新型牛顿环实验教学辅助系统，其包括：底座、读数显微镜、齿轮机构、编码器、嵌入式接入盒以及主控机；

所述读数显微镜安装于所述底座上，所述读数显微镜的物镜朝向所述底座的牛顿环实验区域设置，所述读数显微镜的调节机构通过所述齿轮机构与所述编码器相连接，所述编码器与所述嵌入式接入盒进行数据传输，所述嵌入式接入盒与所述主控机进行远程数据通讯。

作为本发明的新型牛顿环实验教学辅助系统的改进，所述齿轮机构包括主动齿轮和传动齿轮，所述主动齿轮安装于所述调节机构上，所述主动齿轮与所述传动齿轮进行传动连接，所述编码器采集所述传动齿轮的转动位移数据。

作为本发明的新型牛顿环实验教学辅助系统的改进，所述调节机构包括鼓轮，所述主动齿轮安装于所述鼓轮上，且与所述鼓轮保持同心设置。

作为本发明的新型牛顿环实验教学辅助系统的改进，所述型牛顿环实验教学辅助系统还把包括支架，所述编码器安装于所述支架上。

作为本发明的新型牛顿环实验教学辅助系统的改进，所述型牛顿环实验教学辅助系统还把包括摄像头，所述摄像头安装于所述读数显微镜的目镜中心上方。

作为本发明的新型牛顿环实验教学辅助系统的改进，所述嵌入式接入盒包括：显示屏、嵌入式芯片以及控制面板，所述显示屏和控制面板与所述嵌入式芯片相连接。

作为本发明的新型牛顿环实验教学辅助系统的改进，所述显示屏为触摸式液晶显示屏。

作为本发明的新型牛顿环实验教学辅助系统的改进，所述主控机还包括数字图像处理系统。

为实现上述发明目的，本发明提供一种新型牛顿环实验教学方法，其包括如下步骤：

S1、学生通过所述嵌入式接入盒登录，并进入光路的调节过程；

S2、学生通过所述嵌入式接入盒显示的图像判断是否完成光路的调整；

S3、如完成，通过所述嵌入式接入盒确认完成，所述嵌入式接入盒将完成结果发送至所述主控机；

S4、教师根据所述完成结果判断是否可进入下一实验操作，如是，执行步骤S5，否则通知学生重新调节光路；

S5、测量牛顿环中的条纹，将每次测量的位置数据和对应的图像通过所述嵌入式接入盒上传至所述主控机；

S6、教师根据上传的测量数据和图片判断是否正确完成实验，如是，实验结束，否则，通过所述嵌入式接入盒通知学生重新进行数据测量。

10.根据权利要求9所述的新型牛顿环实验教学方法，其特征在于，所述新型牛顿环实验教学方法还包括：

S7、所有学生实验结束后，所述主控机根据上传的测量数据和图片进行自动数据处理；

S8、教师对比系统记录的学生实验数据的自动处理结果和学生提交的实验报告中的数据处理结果，给予相应的评分。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的新型牛顿环实验教学辅助系统及方法具备如下优点：

(1)可有有效的提高学生动手能力和教师评价水平；

(2)可以实时有效的对学生的操作形成监控，有利于分析学生实验过程中的障碍；

(3)通过外接双相光电编码器，能够让学生能够直观的感觉到相关的测量过程。同时，采用500线甚至更高的编码器可以达到更高的测量精度，此外，编码器和直接安装到鼓轮上的裸露齿轮传动结构可以让学生更好地理解测量过程和回程误差，提高学生的实验能力；

(4)通过嵌入式接入盒和主控机可完成整个学生实验过程的数据自动收集，减少了教师的工作量；

(5)主控机可对学生的测量结果同时作比较，给出相关的结果，从而便于对学生的实验数据处理过程进行评价。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的新型牛顿环实验教学辅助系统具体实施方式的立体示意图；

图2为主控机的及其各结点的拓扑图。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

如图1所示，本发明的新型牛顿环实验教学辅助系统包括：底座10、读数显微镜20、齿轮机构30、编码器40、嵌入式接入盒50以及主控机。

所述底座10用于形成所述读数显微镜20的安装平台以及观察牛顿环现象的牛顿环实验区域。所述读数显微镜20安装于所述底座10上，通过所述读数显微镜20可对牛顿环现象进行观察和测量。具体地，所述读数显微镜20具有物镜、镜筒以及目镜，所述读数显微镜20的物镜朝向所述底座10的牛顿环实验区域设置，所述镜筒与调节机构相连接，所述调节机构包括鼓轮21，通过所述鼓轮21可对所述读数显微镜20位置进行水平调节，以使其满足实验需求。此外，所述型牛顿环实验教学辅助系统还把包括摄像头60，所述摄像头60安装于所述读数显微镜20的目镜中心上方。通过所述摄像头60可实现数字图像的采集和传输。

所述读数显微镜20的调节机构通过所述齿轮机构30与所述编码器40相连接，所述齿轮机构30用于将读数显微镜位置变化传递至所述编码器40。具体地，所述齿轮机构30包括主动齿轮31和传动齿轮32，其中，所述主动齿轮31安装于所述鼓轮21上，且所述主动齿轮31与所述鼓轮21保持同心设置。如此设置，目的是更直观的反映移动的过程和移动的大小，从而直接能够反映读数显微镜20的移动过程。所述主动齿轮31与所述传动齿轮32进行传动连接，所述编码器40采集所述传动齿轮32的转动位移数据。例如，500线的光电编码器，转一圈产生500个脉冲。从而，使用时，通过旋转所述鼓轮21上的主动齿轮31将读数显微镜位置变化传导到相关的编码器40上，实现读数显微镜移动位移的计数过程。

所述编码器40用于采集所述传动齿轮32的转动位移数据，并将其传输至所述嵌入式接入盒50，为实现该目的，所述编码器40与所述嵌入式接入盒50进行数据传输。此外，为了便于所述编码器40的安装固定，所述型牛顿环实验教学辅助系统还把包括支架41，所述编码器40安装于所述支架41上。优选地，所述编码器40为光电编码器。

所述嵌入式接入盒50形成系统的人际交互界面，具体地，所述嵌入式接入盒50与所述编码器40数据传输，同时，所述嵌入式接入盒50与所述主控机进行远程数据通讯。所述嵌入式接入盒50包括：显示屏、嵌入式芯片以及控制面板，所述显示屏和控制面板与所述嵌入式芯片相连接。优选地，所述显示屏为触摸式液晶显示屏。所述嵌入式接入盒50实时与所述摄像头60进行通信。并把摄像头60采集的数字图像显示到嵌入式接入盒50的显示屏上。

所述主控机用于接收所述嵌入式接入盒50发送的数据，并对其进行处理，为了实现该目的，所述主控机还包括数字图像处理系统。

如图2所示，此外，一台所述主控机可接收多个学生操作的嵌入式接入盒50发送的数据，从而，其可对应处理多个结点。图2中，任一结点对应一个学生所在的实验操作台。

基于如上所述的新型牛顿环实验教学辅助系统，本发明还提供一种新型牛顿环实验教学方法，其包括如下步骤：

S1、学生通过所述嵌入式接入盒登录，并进入光路的调节过程；

S2、学生通过所述嵌入式接入盒显示的图像判断是否完成光路的调整；

S3、如完成，通过所述嵌入式接入盒确认完成，所述嵌入式接入盒将完成结果发送至所述主控机；

S4、教师根据所述完成结果判断是否可进入下一实验操作，如是，执行步骤S5，否则通知学生重新调节光路；

S5、测量牛顿环中的条纹，将每次测量的位置数据和对应的图像通过所述嵌入式接入盒上传至所述主控机；

S6、教师根据上传的测量数据和图片判断是否正确完成实验，如是，实验结束，否则，通过所述嵌入式接入盒通知学生重新进行数据测量。

此外，所述新型牛顿环实验教学方法还包括：

S7、所有学生实验结束后，所述主控机根据上传的测量数据和图片进行自动数据处理；

S8、教师对比系统记录的学生实验数据的自动处理结果和学生提交的实验报告中的数据处理结果，给予相应的评分。

综上所述，本发明的新型牛顿环实验教学辅助系统及方法具备如下优点：(1)可有有效的提高学生动手能力和教师评价水平；(2)可以实时有效的对学生的操作形成监控，有利于分析学生实验过程中的障碍；(3)通过外接双相光电编码器，能够让学生能够直观的感觉到相关的测量过程。同时，采用500线甚至更高的编码器可以达到更高的测量精度，此外，编码器和直接安装到鼓轮上的裸露齿轮传动结构可以让学生更好地理解测量过程和回程误差，提高学生的实验能力；(4)通过嵌入式接入盒和主控机可完成整个学生实验过程的数据自动收集，减少了教师的工作量；(5)主控机可对学生的测量结果同时作比较，给出相关的结果，从而便于对学生的实验数据处理过程进行评价。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种新型牛顿环实验教学辅助系统，其特征在于，所述新型牛顿环实验教学辅助系统包括：底座、读数显微镜、齿轮机构、编码器、嵌入式接入盒以及主控机；

所述读数显微镜安装于所述底座上，所述读数显微镜的物镜朝向所述底座的牛顿环实验区域设置，所述读数显微镜的调节机构通过所述齿轮机构与所述编码器相连接，所述编码器与所述嵌入式接入盒进行数据传输，所述嵌入式接入盒与所述主控机进行远程数据通讯。

2.根据权利要求1所述的新型牛顿环实验教学辅助系统，其特征在于，所述齿轮机构包括主动齿轮和传动齿轮，所述主动齿轮安装于所述调节机构上，所述主动齿轮与所述传动齿轮进行传动连接，所述编码器采集所述传动齿轮的转动位移数据。

3.根据权利要求2所述的新型牛顿环实验教学辅助系统，其特征在于，所述调节机构包括鼓轮，所述主动齿轮安装于所述鼓轮上，且与所述鼓轮保持同心设置。

4.根据权利要求1所述的新型牛顿环实验教学辅助系统，其特征在于，所述型牛顿环实验教学辅助系统还把包括支架，所述编码器安装于所述支架上。

5.根据权利要求1所述的新型牛顿环实验教学辅助系统，其特征在于，所述型牛顿环实验教学辅助系统还把包括摄像头，所述摄像头安装于所述读数显微镜的目镜中心上方。

6.根据权利要求1所述的新型牛顿环实验教学辅助系统，其特征在于，所述嵌入式接入盒包括：显示屏、嵌入式芯片以及控制面板，所述显示屏和控制面板与所述嵌入式芯片相连接。

7.根据权利要求6所述的新型牛顿环实验教学辅助系统，其特征在于，所述显示屏为触摸式液晶显示屏。

8.根据权利要求1所述的新型牛顿环实验教学辅助系统，其特征在于，所述主控机还包括数字图像处理系统。

9.一种基于权利要求1的新型牛顿环实验教学方法，其特征在于，所述新型牛顿环实验教学方法包括如下步骤：

S1、学生通过所述嵌入式接入盒登录，并进入光路的调节过程；

S2、学生通过所述嵌入式接入盒显示的图像判断是否完成光路的调整；

S3、如完成，通过所述嵌入式接入盒确认完成，所述嵌入式接入盒将完成结果发送至所述主控机；

S4、教师根据所述完成结果判断是否可进入下一实验操作，如是，执行步骤S5，否则通知学生重新调节光路；

S5、测量牛顿环中的条纹，将每次测量的位置数据和对应的图像通过所述嵌入式接入盒上传至所述主控机；

S6、教师根据上传的测量数据和图片判断是否正确完成实验，如是，实验结束，否则，通过所述嵌入式接入盒通知学生重新进行数据测量。

10.根据权利要求9所述的新型牛顿环实验教学方法，其特征在于，所述新型牛顿环实验教学方法还包括：

S7、所有学生实验结束后，所述主控机根据上传的测量数据和图片进行自动数据处理；

S8、教师对比系统记录的学生实验数据的自动处理结果和学生提交的实验报告中的数据处理结果，给予相应的评分。