智能手機在物理光學實驗中的應用

張曉旭 張勝海 吳天安 蘭淑靜

(戰略支援部隊信息工程大學基礎部 河南 鄭州 450001)

特殊時期學生居家學習，理論課程可以較為便捷地組織線上教學，物理實驗教學由于器材的限制，難以實施居家實驗．針對該問題，部分高校巧妙構思，開發了系列自主趣味性實驗，并啟動在線仿真平臺，打破了時空限制，同時運用直播，實現師生實時交互，對物理實驗居家教學的開展具有很好的借鑒意義[1～5]．

智能手機作為科技發展的便捷通信產物，幾乎每個人都擁有一部．隨著技術的進一步發展，多種傳感器被集成在智能手機上，有加速度傳感器、角速度傳感器、溫度傳感器、聲音傳感器、光傳感器和霍爾傳感器等．一些睿智的物理教育者開始關注和研究智能手機在物理實驗中的應用[6～8]．

在學生居家學習的特殊時期，利用智能手機開展物理實驗教學具有特殊的意義．可以解決線上觀看視頻欠缺實際探究、線上仿真不能動手實踐和趣味性實驗難度過低等問題．通過引入智能手機進行物理實驗探究，提升實驗難度，培養學生解決實際問題的能力，達到物理實驗課程動手實踐能力培養的目標．

利用手機開展物理實驗教學，目前主要集中在力學、電磁學和聲學等方面的應用[8]．光學方面的應用較少，本文主要介紹手機傳感器在光學方面中的應用．

1 智能手機在物理光學實驗中的應用

手機在光學實驗中有著非常重要的應用，本文主要從手機作為發光光源、光電探測器、光照度計和其他應用等4個方面進行整理介紹．

1.1 手機作為發光光源的應用

手機具有手電筒功能，手電筒可以作為亮度比較高的復色光源進行實驗．手機的屏幕普遍采用液晶顯示器，而液晶顯示器是采用背光原理，使用3基色熒光燈管作為背光的光源，因此手機的屏幕也可以作為光源使用．

利用純色的背景照片可以實現單色光源，利用白色的背景照片也可以實現復色光源，還可以改變背景亮度的百分比，從而對手機光源的發光特性進行研究[9]．同時，通過對不同型號手機的光譜進行分析[10]，可以比較手機輻射方面的優劣．由于不同界面的光譜不同，可以在手機顯示屏測試中選擇同一界面進行實驗，從而比較哪些設備更容易對人眼造成傷害[11]．

手機的液晶屏幕可以發出線偏振光，因此，可以利用手機作為線偏光源進行偏振光實驗研究[12,13]．利用手機調節出單色光源，并固定檢偏器，同時采用凸透鏡進行偏振光聚光，使匯聚的光進入接收端的手機，以達到驗證馬呂斯定律的目的，I=I0cos2θ，其中I0是出射光強，θ是偏振夾角，I是接收到的光強．

1.2 手機作為光電探測器的應用

手機攝像的功能日趨完善，不但具有高分辨率，還具有前置、后置攝像頭，同時也可以對近紅外光進行探測．因此可以利用手機檢測近紅外線，將手機后置攝像頭打開，在暗環境下，觀察電視機遙控器，在連續按電視機遙控器按鍵時，就可以在視頻上呈現肉眼不可見的近紅外線．

手機屏幕可以代替人眼，將需要長時間觀測的圖像呈現給人眼觀測，從而解決光學實驗中眼睛疲勞的問題．在分光計實驗中，調節十字叉絲較為困難，需要人眼貼在目鏡上進行長時間觀測．因此，可以將手機的后置攝像頭貼在目鏡上，將圖像呈現給人眼進行觀測，解決人眼疲勞問題[14]．

利用智能手機攝像頭的拍照功能，可以拍攝照片進行分析研究．在干涉實驗中，我們可以對牛頓環干涉圖樣進行拍照，然后通過Matlab進行分析，利用視場直徑計算出像素和實際物理距離的對應關系，從而求得牛頓環的曲率半徑R[15]

其中rm和rn為第m級和第n級明環或暗環的半徑，λ為光波波長．值得注意的是，為真實反映像素和實際物理距離的關系，可以采用微尺的刻度進行精確定標．

利用智能手機可以對邁克爾孫干涉圖樣進行視頻拍攝，同步記錄邁克爾孫干涉儀刻度的初始位置和結束位置，位置之差為Δd．然后通過Matlab等軟件分析吞吐的干涉圓環數目N，這樣可以有效避免人工錯數吞吐的干涉圓環數目，從而求得激光波長參量λ[16]

1.3 手機作為光照度計的應用

大多手機在前置面板具有光照度計，因此可以利用手機的光照度計進行探測．下載并打開手機的phyphox應用程序，點擊“光”界面，就可以采集照度分布信息，通過改變不同的距離位置，可以驗證點光源的發光強度與距離的平方成反比關系[17]．

光學秒表是一個比較好的域值計時工具，具有廣泛應用．可以利用phyphox應用程序的光學秒表進行計時，通過對光照度計設置不同的觸發上限和觸發下限，光學秒表可以在同時滿足兩個設定域值時觸發，從而實現光學計時．

利用手機拍攝視頻可以有效避免邁克爾孫干涉實驗中人眼觀測條紋吞吐出現誤差，但是需要用Matlab軟件對視頻進行處理，出現不必要的麻煩．其實可以采用智能手機的光照度計，讀出干涉條紋中心點的明暗變化．下載Sense軟件，實時記錄智能手機傳感器數據并生成圖像，得到精確的干涉條紋變化數目，從而求出激光波長或空氣折射率等[18～20]．

1.4 手機的其他應用

手機的屏幕是由許多微小的周期性排列的顯示單元組成，這種結構和光柵類似，因此可以將手機的屏幕作為反射式光柵進行研究[21]．利用單色激光源在斜入射的情況下，可以將反射光打在白墻上進行測量，從而根據公式

d(sinα±sinβ)=kλ(k=1,2,3,…)

就可以求出光柵常數d，其中α是入射角，β是反射角，±表示入射光線和反射光線在光柵平面法線的異側還是同側．

2 智能手機在光學實驗中的優勢

智能手機作為高科技發展的產物，低售價的智能手機已經擁有了多種內置傳感器，在物理實驗的應用，尤其是在特殊時期學生居家學習的時候，有著非常獨特的應用價值．因為可以不受時間、不受空間的限制進行物理實驗，還可以根據實際需要進一步進行數據處理等．

手機的光源、光電探測器和光照度計給予了光學實驗廣大的應用空間．利用手機的光源，可以便捷地產生單色光和復色光等線偏振光，并通過改變屏幕亮度的百分比實現發光強度的調制．利用手機的光電探測器，可以實現高分辨率的圖片和視頻的拍攝，結合Matlab等軟件或者自編的APP軟件進行圖片和視頻的分析．利用手機的光照度計，結合phyphox等應用程序，可以方便地接收光的照度，實現數據的采集，同時還可以設置域值，進行光學時間的測量．

3 結論

居家物理實驗的開發是一個值得研究的重要課題，隨著技術的進步，智能手機在物理實驗中的應用也更加重要．在前人總結智能手機在物理力學實驗、聲學實驗、電學實驗的基礎上，本文主要梳理了智能手機在物理光學實驗中的應用，其目的是發揮手機光源、光電探測器和光照度計的作用，邁出智能手機在物理光學實驗中應用的一大步．