實驗室微型場景下實時觀測系統的研究開發

邵勇斌 敦奕亨 蔡筱鈺 趙靚 桑子豪 李文

摘要：高校基礎實驗室為培養學生實踐動手能力做出了巨大的貢獻，然而在一些基礎物理化學實驗中，由于實驗步驟的復雜以及難以觀測的實驗現象，造成觀測過程不理想和研究者快速疲憊，實驗室需要一種基礎的觀測工具來輔助觀測實驗現象。以六氟化硫相變儀為例，設計并且制造了一套輔助觀測裝置，用以觀察六氟化硫的相變實驗。

關鍵詞：基礎物理，實驗觀測，六氟化硫，相變

導語：在物理化學實驗過程中，研究者有時對一些細微的物理現象或化學反應觀察記錄存在一些困難，比如反應現象變化速度較快，人眼難以捕捉;實驗現象持續時間較長，人眼難以長期觀察;實驗數據的實時記錄傳輸處理存在障礙;化學反應的進行和記錄獨自一人難以完成等，面臨上述情況，我們往往需要一套完善的實時觀測系統作為輔助，不僅能夠對一些微型實驗進行光學放大，實時攝像，而且還能夠通過視頻采集卡實時傳輸到電腦，搭配視頻處理軟件整理實驗結果，來達到更好的實驗觀測效果。

1.1物理演示實驗的作用

當前我國高校尤其是理工類大學都致力于構建自身特色的大學實驗體系，但不可避免的都存在不同程度的內容陳舊，設備老化問題。以我院為例，對SF6相變觀測儀實驗現象的觀測，如超臨界流體，臨界乳光現象等，人眼能夠識別，但對于實驗現象的記錄和實驗教學的設計存在障礙，由此及彼，許多的基礎實驗都存在觀測不易記錄難的問題。而輔助觀測裝置不僅能有效解決基礎研究對于實驗現象的獲取，積極開展基本原理的歸納和新知識的實驗性工作，同時也能搭配許多實驗設備進行組合實驗，輔助觀測裝置中，對于實驗現象光學放大的處理，由此組建相對完善的實驗室光學顯微鏡系統，對于不同實驗的光照需求，由此組建相對完善的實驗室光照系統。

1.2輔助觀測裝置對于物理實驗教學的重要性

隨著我國高等教育向大眾化的推進，使得實驗教學新體系的構建對學生綜合素質的培養與提高具有十分重要的意義。[ 劉學英，《科學與財富》2012年第12期]構建完善的輔助觀測系統，有利于提高學生實驗學習的能力，實現高素質創新人才的培養。當前學生在實驗操作中遇到的一大難題就是實驗現象的模糊，觀測數據的不準確和數據處理的復雜性，使用輔助觀測裝置，不僅能讓學生在課堂學習中更加直觀深入的了解實驗現象，也大大減少了老師對于教學設計的成本和實際演示操作的壓力，播放提前記錄好的視頻，將復雜的實驗簡單化明了化處理，使學生的學習興趣更加濃厚，增強學生學習的主動性和求知欲，同時，當學生自己親手操作時，簡易的觀測方法也能讓他們感受做實驗的魅力，有利于提高學生科學研究及科學實驗的能力。

2.1微型實驗場景觀測的難點

首先，人類的眼睛是奇妙的事物，劍橋大學的理論物理教授Ben Allanach曾說過：“如果想要觀看一顆在數光年以外的恒星，只要它足夠明亮，我們就能夠看到。”而眼睛的所見是有限的，一個限制是角分辨率，人類眼睛的角分辨率約1角分，能夠分辨出一公里處相距30cm的物體，另一個限制是光的頻率范圍，而實驗現象本身存在的問題，比如反應時間較快，顏色分辨度不高，實驗現象處于微觀狀態，人眼難以準確觀察，或者實驗現象持續較長，人眼疲勞無法長時間觀測;實驗現象過于短暫，人眼難以及時準確的觀察，或者反應現象在密閉容器或有器體阻隔等，人眼無法直接觀察。除此之外，實驗裝置本身的限制也會阻礙我們的觀察，比如被測物體在密閉空間或者有玻璃外殼等，反光無光等現象都會影響觀測，被測物體無法移動，普遍的觀測方法受到空間影響無法展開。同時，實驗室場景也會成為觀測難點，實驗室光照設備不行，或本身氣壓濕度溫度等一系列物理因素都可能對于微型實驗的觀測造成影響。

2.2輔助裝置

輔助觀測裝置能夠幫助實驗者觀測到清晰的實驗現象，并且可以攝影儲存觀測視頻。結合大學物理實驗的條件和難點，由此將輔助觀測裝置分為五個子系統：攝像與記錄系統、放大系統、輔助定位系統、可調節支架系統、獨立光照系統。

攝像和傳輸系統采用200萬像素高清工業攝像頭，通過HDMI視頻采集卡將圖像傳輸到計算機上，利用計算機上的監控軟件獲取實時圖像。在實驗室的復雜環境下，需要攝像和傳輸設備具有較強的抗干擾能力并且能夠獲得清晰的圖像，并且攝像裝置需要有位移功能以實現對實驗現象的追蹤拍攝，因而選擇采用HDMI接口（高清晰度多媒體接口）。

實現單一攝像頭對實驗現象準確清晰的記錄過于困難，需要在攝像頭前添加變焦鏡頭，對實驗現象進行物理的光學放大。考慮到輔助裝置的適用范圍，光學的放大倍數不宜過大，最終確定光學放大倍數為0.75X-4.5X。適當的結合電子放大，放大倍數為21-135X，最終能夠獲得清晰準確的的圖像。

考慮到在實驗過程中實驗現象的變化，需要對實驗現象進行多角度的拍攝，因此支架系統不僅需要有較好的穩定性，也需要具備三維的位移功能。

考慮到特定實驗裝置和設備的獨特性，以及在放大倍數過高的情況下需要改善光照條件，需要搭建一套獨立的光照系統。使用可調節亮度的LED燈，LED燈采用不銹鋼萬向軟管，可自由調節角度以滿足觀測的光照需要。此外，燈罩采用PC高透光燈罩，關系均勻柔和，燈光光明，不刺眼大范圍曲面照明。LED燈可實現亮度的調節，以方便在光學放大倍數較大時對增加場景亮度。對于特定的實驗裝置需要，搭建毛玻璃獲得更加柔和的面光源，并且需要在變焦鏡頭前添加偏振鏡以減弱反射光的影響。

2.3研究成果

經過試驗證明，實驗室微型場景下的實時觀測系統，通過其導軌以及轉接板的調節，可以應用于許多微型場景的觀察和記錄，能夠清晰的觀察并記錄實驗現象。本套實驗系統以六氟化硫相變儀為例，已經拍攝并清晰地記錄了六氟化硫氣液變化以及臨界乳光現象。

3 結束語

實驗教學是高等院校物理教學的重要組成部分，完善實驗室觀測配套輔助觀測裝置對物理實驗教學具有總要的意義。實驗的輔助觀測裝置能夠很大程度上減少試驗場景限制對學生觀測造成的困難，并且激發學生的學習興趣，培養學生科學觀察和探索物理規律的能力，簡易的觀測方法也能讓他們感受做實驗的魅力，有利于提高學生科學研究及科學實驗的能力。

參考文獻：

[1]王較過，東延民.實驗在物理學理論發展中的作用[J].物理實驗，1997（02）：94-96.

[2]顧牡.對于重新制定的《非物理類理工學科大學物理課程教學基本要求》的認識和體會[J].物理與工程，2007，017（001）：1-4，24.

[3]唐瓊，李國祥，宋逢泉，等.能力為導向的大學物理演示實驗教學探討[J].物理通報，2018，37（005）：62-63.

[4]黃林楠，丁莉.構建大學生創新創業教育模式的探索[J].高等工程教育研究，2010，000（006）：158-160.

基金項目：中國民航大學大學生創新創業項目（IEKCAUC 2020016）資助

作者簡介：

邵勇斌（2000-- ），男，學生，中國民航大學中歐航空工程師學院飛行器與動力工程專業。

敦奕亨（2000-- ），男，學生，中國民航大學中歐航空工程師學院飛行器與動力工程專業。

蔡筱鈺（2001-- ），男，學生，中國民航大學中歐航空工程師學院飛行器與動力工程專業。

趙靚（2001-- ），男，學生，中國民航大學中歐航空工程師學院飛行器與動力工程專業。

桑子豪（2001-- ），男，學生，中國民航大學中歐航空工程師學院飛行器與動力工程專業。

李文，通訊作者，中國民航大學教師。