CN110189603A - 一种利用数码相机观测的牛顿环实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用数码相机观测的牛顿环实验装置，涉及教学器材技术领域，采用数码相机替代视场较小的测微目镜、读数显微镜作为观测工具，可观察较大范围内的光学实验现象，也可观测微米级大小的实验现象细节，通过其电子取景显示屏可放大观察图像细节，可方便地观察实验现象，可大大降低光路调节难度。便于讲解实验现象和实验方法。没有机械移动，测量误差小。数码相机直接记录环形干涉条纹，利用软件从干涉条纹图中测出干涉条纹的直径，不会产生回程误差。不需要每套实验设备配套一台电脑，对实验室场地要求低，可让学生学习更现代化的实验方法，有利于激发学生学习兴趣。
Description
技术领域
本发明涉及教学器材技术领域，特别是涉及一种利用数码相机观测的牛顿环实验装置。
背景技术
牛顿环干涉实验是《大学物理实验》、《普通物理实验》、《光学基础实验》等课程中的重要实验项目。
牛顿环干涉实验通常是在读数显微镜上完成的，调节读数显微镜观察到牛顿环中产生的环形干涉条纹后，转动读数显微镜上的鼓轮移动显微镜对准干涉条纹的两侧，利用鼓轮上的刻度测量出环形干涉条纹的直径。
或者，将摄像头加在读数显微镜的上面，摄像头替代人眼来观测实验现象。还有的方案是利用CCD或CMOS图像传感器替代显微镜中的目镜部分。这两种方案都要把摄像头获得的图像传输到电脑上，通过电脑显示器观察实验现象。
上述方案的主要缺点如下：
传统的牛顿环干涉实验在读数显微镜上进行，直接采用显微镜观察干涉条纹，由于显微镜观察视场很小，老师在教学过程对实验现象及调节方法的讲解受到很大的限制，同时仪器的调节比较困难，学生需要花较多的时间去调节显微镜。且通过显微镜的机械移动来测量干涉条纹的直径，容易产生回程误差。
采用摄像头替代人眼观察实验现象的方案有利于实验现象的展示，方便老师讲解。但其视场仍然受显微镜的限制，仍然很难调节。而且，每套实验设备需要一台电脑，需要较大的实验场地，应用上受到较大的限制。
采用CCD或CMOS图像传感器替代显微镜的目镜部分的方案，由于需要通过电脑操作图像传感器记录实验数据，每套实验设备需要一台电脑，需要较大的实验场地，应用上也受到较大的限制。这类方法通常在电脑上装有相关的数据处理软件，可直接得出实验结果，这不利于培养学生的主动学习兴趣。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种利用数码相机观测的牛顿环实验装置，便于操作和讲解，从而激发学生的学习兴趣，同时避免因机械移动产生的回程误差。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种利用数码相机观测的牛顿环实验装置，包括光具座，所述光具座上依次设置的牛顿环、分光片、凸透镜和数码相机，以及设置于所述分光片一侧的光源；所述分光片与所述凸透镜的主光轴呈45°角，所述数码相机没有安装镜头。
可选的，所述光源为钠灯或加装毛玻璃片的扩束激光器。
可选的，所述光具座包括滑轨，所述凸透镜滑动设置于所述滑轨上。
可选的，所述牛顿环、所述分光片和所述数码相机分别滑动设置于所述滑轨上。
可选的，所述数码相机与所述牛顿环之间的距离大于所述凸透镜焦距的4倍。
可选的，所述数码相机的镜头安装口处设置有光学玻璃。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
(1)本发明提供的光学综合实验系统采用数码相机替代视场较小的测微目镜、读数显微镜作为观测工具。由于常见的微单或单电数码相机的图像传感器面积大、分辨率高(一般为APS-C画幅，面积为23.7mm×15.6mm，像素大小为几微米)，可观察较大范围内的光学实验现象，也可观测微米级大小的实验现象细节。通过其电子取景显示屏可放大观察图像细节，可方便地观察实验现象，可大大降低光路调节难度。
(2)数码相机可以直接展现光学实验现象，使实验教师可以更方便地讲解相关实验现象和实验仪器的使用方法，更有利于学生对实验现象和实验原理的理解。
(3)在牛顿环干涉实验中利用数码相机可直接记录完整的环形干涉条纹，利用软件从干涉条纹图中测出干涉条纹的直径，不会产生回程误差。
(4)不需要每套实验设备配套一台电脑，对实验室场地要求低。目前，大部分的大学生自己拥有电脑，学生只需将数码相机的存储卡中的图片拷贝到自己的电脑上，由学生课后完成实验数据的处理。可让学生接触到用Matlab等软件进行图像处理基础知识，可让学生学习更现代化的实验方法，有利于激发学生学习兴趣。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明利用数码相机观测的牛顿环实验装置的结构示意图；
图2为本发明利用数码相机观测的牛顿环实验装置得到的牛顿环干涉条纹的放大像和缩小像示意图。
附图标记说明：1、牛顿环；2、分光片；3、钠灯；4、凸透镜；5、数码相机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
如图1所示，本实施例提供一种利用数码相机观测的牛顿环实验装置，包括光具座，所述光具座上依次设置的牛顿环1、分光片2、凸透镜4和数码相机5，以及设置于所述分光片2一侧的光源；所述分光片2与所述凸透镜4的主光轴呈45°角，所述数码相机5没有安装镜头。
于本具体实施例中，如图1-2所示，所述光源为钠灯3。牛顿环1包括平板玻璃和平凸透镜4。所述光具座包括滑轨，所述凸透镜4、所述牛顿环1、所述分光片2和所述数码相机5分别滑动设置于所述滑轨上。所述数码相机5与所述牛顿环1之间的距离大于所述凸透镜4焦距的4倍。所述数码相机5的镜头安装口处设置有光学玻璃，以防止灰尘进入数码相机5内部污染图像传感器。
实验时，使数码相机5与牛顿环1之间的距离大于凸透镜4焦距的4倍，调节凸透镜4的位置，可以在数码相机5上观察到一次干涉条纹图的放大像和一次干涉条纹图的缩小像，当观察到的放大像和缩小像最清晰时，利用数码相机5分别记录下的放大的干涉条纹图和缩小的干涉条纹图。将这两幅干涉条纹图导入电脑，在电脑中利用Matlab等软件可测出干涉条纹直径的像素数q，结合图像传感器的像素大小Δ，可算出干涉条纹的直径d＝qΔ。用同样的方法测出放大像和缩小像中同级干涉条纹的直径d'和d"，如图2所示。根据两次成像法可得到干涉条纹的直径同理测出m级和n级干涉条纹的直径dm和dn，利用公式可计算出牛顿环1装置中平凸透镜4的曲率半径，其中λ为光源波长。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种利用数码相机观测的牛顿环实验装置，其特征在于，包括光具座，所述光具座上依次设置的牛顿环、分光片、凸透镜和数码相机，以及设置于所述分光片一侧的光源；所述分光片与所述凸透镜的主光轴呈45°角，所述数码相机没有安装镜头。
2.根据权利要求1所述的利用数码相机观测的牛顿环实验装置，其特征在于，所述光源为钠灯或加装毛玻璃片的扩束激光器。
3.根据权利要求1所述的利用数码相机观测的牛顿环实验装置，其特征在于，所述光具座包括滑轨，所述凸透镜滑动设置于所述滑轨上。
4.根据权利要求3所述的利用数码相机观测的牛顿环实验装置，其特征在于，所述牛顿环、所述分光片和所述数码相机分别滑动设置于所述滑轨上。
5.根据权利要求1所述的利用数码相机观测的牛顿环实验装置，其特征在于，所述数码相机与所述牛顿环之间的距离大于所述凸透镜焦距的4倍。
6.根据权利要求1所述的利用数码相机观测的牛顿环实验装置，其特征在于，所述数码相机的镜头安装口处设置有光学玻璃。
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