本文摘要:摘 要:為了更有效地在課堂上演示光學(xué)實(shí)驗(yàn),提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率,用無線視頻傳輸技術(shù)將 CCD攝像頭采集到 的目鏡里的圖像投影在大屏幕上,以此實(shí)現(xiàn)學(xué)生在看到教師實(shí)驗(yàn)操作的同時,又都能看到透過目鏡才能觀察到的實(shí) 驗(yàn)現(xiàn)象.無線視頻傳輸技術(shù)的應(yīng)用減少了布線的
摘 要:為了更有效地在課堂上演示光學(xué)實(shí)驗(yàn),提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率,用無線視頻傳輸技術(shù)將 CCD攝像頭采集到 的目鏡里的圖像投影在大屏幕上,以此實(shí)現(xiàn)學(xué)生在看到教師實(shí)驗(yàn)操作的同時,又都能看到透過目鏡才能觀察到的實(shí) 驗(yàn)現(xiàn)象.無線視頻傳輸技術(shù)的應(yīng)用減少了布線的人工成本與材料成本.CCD攝像頭少了線的束縛,可移動性和靈活 性增強(qiáng).一部攝像頭可用于多個實(shí)驗(yàn)的演示,節(jié)約了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的成本.
關(guān)鍵詞:CCD 無線視頻傳輸 演示實(shí)驗(yàn)
1 引言
在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)的實(shí)驗(yàn)中,光學(xué)實(shí)驗(yàn) 相對其他的實(shí)驗(yàn)難度大,要求學(xué)生首先要對實(shí)驗(yàn)原 理有很好的理解,其次要有很好的動手能力.如果單 純靠學(xué)生自己動手摸索完成整個實(shí)驗(yàn),有的實(shí)驗(yàn)安 排的3個課時都不夠用,絕大部分學(xué)生很難在規(guī)定 時間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn).這種情況下實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師對實(shí)驗(yàn) 的演示和講解就起到非常關(guān)鍵的作用,成功的演示 和有效的講解將會很大程度上幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原 理和掌握實(shí)驗(yàn)操作要領(lǐng).
但教師的演示和講解受到 客觀環(huán)境的限制,像“牛頓環(huán)的干涉”“用分光計測三 棱鏡的折射率”“用衍射光柵測光波的波長”“楊氏模 量的測定”這4個實(shí)驗(yàn),在觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的時候,需 要用眼睛緊貼目鏡看.一個目鏡同一時間只能一只 眼睛看,教師看了學(xué)生就看不了.
因?yàn)檫@個限制,教 師只能用口頭語言描述自己所看到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,而 每個學(xué)生對教師所描述的現(xiàn)象又會有不一樣的理 解,錯誤的理解會導(dǎo)致他們出現(xiàn)錯誤的操作.如果能 讓所有的學(xué)生在聽到教師講解實(shí)驗(yàn)操作的同時,同 步地看到老師所看到的圖像,那么這種錯誤的理解 將會大大地減少,從而可以有效地提高實(shí)驗(yàn)的效率. 本文提出引入無線視頻傳輸技術(shù)[1],對傳統(tǒng)的 實(shí)驗(yàn)設(shè)備加以改進(jìn),解決上述在光學(xué)實(shí)驗(yàn)演示過程 中所遇到的問題.
2 設(shè)計原理
從左到右設(shè)計原理分解如下: (1)透 過 目 鏡 里 的 光 線 在 CCD 攝 像 頭 里 成 像[2]; (2)CCD元件將光信號轉(zhuǎn)換成模擬電信號傳輸 給無線視頻發(fā)射器; (3)無線視頻發(fā)射器將模擬電信號轉(zhuǎn)換成電磁 波發(fā)射出去; (4)電磁波被無 線 接 收 器 接 收 到,電 磁 波 轉(zhuǎn) 換成模擬電信號傳輸給投影儀; (5)投影儀將模 擬 電 信 號 轉(zhuǎn) 換 成 光 信 號,投 影 在大屏幕上,還原目鏡里的圖像.
3 應(yīng)用實(shí)例
本文將以“用分光計測三棱鏡的折射率”和“用 衍射光柵測光波的波長”兩個實(shí)驗(yàn)[3] 為例,展示如 何將無線視頻傳輸技術(shù)應(yīng)用在輔助光學(xué)演示實(shí)驗(yàn) 中.這兩個實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理的光學(xué)實(shí)驗(yàn)中,是比較典 型的有難度的實(shí)驗(yàn),因?yàn)樗鼈兌夹枰玫椒止庥?分 光計在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中是一個非常重要的實(shí)驗(yàn)儀 器,可用于需要非常精確測量角度的實(shí)驗(yàn).分光計結(jié) 構(gòu)復(fù)雜,調(diào)節(jié)步驟繁瑣,使得這兩個實(shí)驗(yàn)相對比較有 難度.若能很好地解決這兩個實(shí)驗(yàn)的演示問題,其他 光學(xué)實(shí)驗(yàn)的演示也將變得容易.具體應(yīng)用如下.
3.1 圖像采集部分
圖像采集用的攝像頭型號為:三星 SDC-313,分 辨率大約500電視線,最低照度為0.5Lux,輸出的 視頻信號為模擬信號.電源為 DC12V,鏡頭焦距為 8 mm.攝像頭固定在可升降的光學(xué)底座上,便于精 確對準(zhǔn) 目 鏡.無 線 視 頻 發(fā) 射 器 的 工 作 頻 率 是 1.2 GHz,電源為DC12V,發(fā)射功率為1~5W.這個功 率能夠保證在實(shí)驗(yàn)室有學(xué)生做實(shí)驗(yàn),人體會反射和 吸收一部分電磁信號的情況下,實(shí)驗(yàn)室的任何一個 角落仍然有良好的信號.
3.2 圖像投影部分
無線視頻接收器使用的是DC12V 電源,工作頻率是1.2GHz.與發(fā)射機(jī)對頻后輸出模擬視頻信號至投影儀,投影儀將圖像投影至大屏幕 顯示.無線視頻發(fā)射機(jī)和接收機(jī)點(diǎn)對點(diǎn)進(jìn)行信息傳 送,無需通過網(wǎng)絡(luò)連接,適用于無網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境.
3.3 實(shí)驗(yàn)效果
所使用的光源是汞燈,光柵常數(shù) 為 1 300 mm.所看到的是正一級譜線,從左到右的譜 線分別是紫光、藍(lán)光、綠光、黃1光、黃2光.紫光的亮度雖然非常低,但是投影仍然可以看 得清楚.黃1光的波長是576.96nm,黃2光的波長 是579.07nm,波長非常接近,只差2.11nm.兩條 譜線非常靠近,在投影上也能夠很清晰地區(qū)分開來.
學(xué)生能看到分開的兩條黃色譜線很重要,因?yàn)楹芏?時候?qū)W生調(diào)節(jié)平行光管的狹縫時,狹縫太寬或者對 焦不準(zhǔn)都會使得兩條黃色譜線合并為一條.若能讓 他們直觀地看到教師是怎么通過調(diào)節(jié)狹縫的寬度以 及狹縫與透鏡間的距離,使得兩條黃色譜線漸漸變 得清晰可辨,他們就比較容易能自己把兩條黃色譜 線調(diào)節(jié)出來.
實(shí)驗(yàn)中調(diào) 節(jié)分光計與測量三棱鏡頂角過程中看到的從三棱鏡 的光滑面反射至目鏡里的分劃板的十字叉絲像.分劃板與十字叉絲的像都非常的清 晰.在演示用各半調(diào)節(jié)法調(diào)節(jié)十字叉絲像的位置時, 學(xué)生能夠很直觀地看到當(dāng)調(diào)節(jié)載物臺調(diào)平螺釘和望 遠(yuǎn)鏡光軸高低調(diào)節(jié)螺釘?shù)臅r候,十字叉絲像位置的上下移動情況,這樣就能夠很好地幫助他們理解調(diào)節(jié)的過程,掌握各半調(diào)節(jié)法.
物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)論文:物理實(shí)驗(yàn)課程體系改革與實(shí)踐
4 結(jié)論
本文以兩個典型的光學(xué)實(shí)驗(yàn)為例,展示了如何將無線視頻傳輸技術(shù)應(yīng)用在課堂輔助演示光學(xué)實(shí)驗(yàn) 中.從實(shí)驗(yàn)演示的效果來看,這項(xiàng)技術(shù)確實(shí)非常成功 地解決了在引言中所提到的困難,切實(shí)有效地提高 了光學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效率.用投影儀代替小的顯示器, 一方面投影出來的圖像更大,使得全體學(xué)生都能很 清晰地看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象;另一方面因?yàn)橥队皟x是可以 懸掛的,不需要放在實(shí)驗(yàn)臺上,減少了實(shí)驗(yàn)臺上設(shè)備 的數(shù)量,使得實(shí)驗(yàn)臺更加寬敞.
以無線代替有線,減 少了布線的人工成本與材料成本.少了線的約束,攝 像頭可移動性增強(qiáng),教師可以在講臺上演示,也可以 在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)任何一臺儀器上演示;可以在某個特定 的實(shí)驗(yàn)室演示,也可以拿到其他實(shí)驗(yàn)室演示,儀器的 利用率提高.因?yàn)楣鈱W(xué)實(shí)驗(yàn)的相通性,這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng) 用不局限于文中所提到的兩個實(shí)驗(yàn),也同樣可以應(yīng) 用在其他的光學(xué)實(shí)驗(yàn)中,甚至是非光學(xué)實(shí)驗(yàn)中.
參 考 文 獻(xiàn)
1 張東彬.膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)的無線視頻傳輸技術(shù)研究[D].廈 門:廈門大學(xué),2008.32~33
2 孫正和,劉立寶,任守田,郭 冠 軍.用 CCD 成 像 方 法 輔 助 課堂演示實(shí)驗(yàn)[J].物理實(shí)驗(yàn),2018,38(S1):30~32
3 陳春彩,陳源福,林二妹.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京:清 華 大學(xué)出版社,2018.88~98
作者:駱明輝 林二妹
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