本發(fā)明涉及牛頓環(huán)教學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種新型牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

牛頓環(huán)，又稱“牛頓圈”是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中一個(gè)重用的實(shí)驗(yàn)。在光學(xué)上，牛頓環(huán)是一個(gè)薄膜干涉現(xiàn)象，其具體表現(xiàn)為一種干涉圖樣，是一些明暗相間、內(nèi)疏外密的同心圓環(huán)。具體地，可用一個(gè)曲率半徑很大的凸透鏡的凸面和一平面玻璃接觸，在日光下或用白光照射時(shí)，可以看到接觸點(diǎn)為一暗點(diǎn)，其周圍為一些明暗相間的彩色圓環(huán)；而用單色光照射時(shí)，則表現(xiàn)為一些明暗相間的單色圓圈。這些圓圈的距離不等，隨離中心點(diǎn)的距離的增加而逐漸變窄。它們是由球面上和平面上反射的光線相互干涉而形成的干涉條紋。通過研究牛頓環(huán)，對(duì)于學(xué)習(xí)薄膜干涉具有重要的意義。

目前，在牛頓環(huán)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中由于牛頓環(huán)的條紋比較細(xì)密，從而調(diào)節(jié)顯微鏡時(shí)讀數(shù)易錯(cuò)。即使針對(duì)讀數(shù)本身，教師也無法依賴實(shí)驗(yàn)處理數(shù)據(jù)的結(jié)果判斷學(xué)生是否進(jìn)行了正確的操作。

因此，針對(duì)上述問題，有必要提出進(jìn)一步的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種新型牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)及方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種新型牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)，其包括：底座、讀數(shù)顯微鏡、齒輪機(jī)構(gòu)、編碼器、嵌入式接入盒以及主控機(jī)；

所述讀數(shù)顯微鏡安裝于所述底座上，所述讀數(shù)顯微鏡的物鏡朝向所述底座的牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)區(qū)域設(shè)置，所述讀數(shù)顯微鏡的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過所述齒輪機(jī)構(gòu)與所述編碼器相連接，所述編碼器與所述嵌入式接入盒進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所述嵌入式接入盒與所述主控機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊。

作為本發(fā)明的新型牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)的改進(jìn)，所述齒輪機(jī)構(gòu)包括主動(dòng)齒輪和傳動(dòng)齒輪，所述主動(dòng)齒輪安裝于所述調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上，所述主動(dòng)齒輪與所述傳動(dòng)齒輪進(jìn)行傳動(dòng)連接，所述編碼器采集所述傳動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)位移數(shù)據(jù)。

作為本發(fā)明的新型牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)的改進(jìn)，所述調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括鼓輪，所述主動(dòng)齒輪安裝于所述鼓輪上，且與所述鼓輪保持同心設(shè)置。

作為本發(fā)明的新型牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)的改進(jìn)，所述型牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)還把包括支架，所述編碼器安裝于所述支架上。

作為本發(fā)明的新型牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)的改進(jìn)，所述型牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)還把包括攝像頭，所述攝像頭安裝于所述讀數(shù)顯微鏡的目鏡中心上方。

作為本發(fā)明的新型牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)的改進(jìn)，所述嵌入式接入盒包括：顯示屏、嵌入式芯片以及控制面板，所述顯示屏和控制面板與所述嵌入式芯片相連接。

作為本發(fā)明的新型牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)的改進(jìn)，所述顯示屏為觸摸式液晶顯示屏。

作為本發(fā)明的新型牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)的改進(jìn)，所述主控機(jī)還包括數(shù)字圖像處理系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種新型牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，其包括如下步驟：

S1、學(xué)生通過所述嵌入式接入盒登錄，并進(jìn)入光路的調(diào)節(jié)過程；

S2、學(xué)生通過所述嵌入式接入盒顯示的圖像判斷是否完成光路的調(diào)整；

S3、如完成，通過所述嵌入式接入盒確認(rèn)完成，所述嵌入式接入盒將完成結(jié)果發(fā)送至所述主控機(jī)；

S4、教師根據(jù)所述完成結(jié)果判斷是否可進(jìn)入下一實(shí)驗(yàn)操作，如是，執(zhí)行步驟S5，否則通知學(xué)生重新調(diào)節(jié)光路；

S5、測(cè)量牛頓環(huán)中的條紋，將每次測(cè)量的位置數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的圖像通過所述嵌入式接入盒上傳至所述主控機(jī)；

S6、教師根據(jù)上傳的測(cè)量數(shù)據(jù)和圖片判斷是否正確完成實(shí)驗(yàn)，如是，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，否則，通過所述嵌入式接入盒通知學(xué)生重新進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的新型牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，其特征在于，所述新型牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法還包括：

S7、所有學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，所述主控機(jī)根據(jù)上傳的測(cè)量數(shù)據(jù)和圖片進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)處理；

S8、教師對(duì)比系統(tǒng)記錄的學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理結(jié)果和學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，給予相應(yīng)的評(píng)分。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的新型牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)及方法具備如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)可有有效的提高學(xué)生動(dòng)手能力和教師評(píng)價(jià)水平；

(2)可以實(shí)時(shí)有效的對(duì)學(xué)生的操作形成監(jiān)控，有利于分析學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中的障礙；

(3)通過外接雙相光電編碼器，能夠讓學(xué)生能夠直觀的感覺到相關(guān)的測(cè)量過程。同時(shí)，采用500線甚至更高的編碼器可以達(dá)到更高的測(cè)量精度，此外，編碼器和直接安裝到鼓輪上的裸露齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)可以讓學(xué)生更好地理解測(cè)量過程和回程誤差，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ?/p>

(4)通過嵌入式接入盒和主控機(jī)可完成整個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)自動(dòng)收集，減少了教師的工作量；

(5)主控機(jī)可對(duì)學(xué)生的測(cè)量結(jié)果同時(shí)作比較，給出相關(guān)的結(jié)果，從而便于對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程進(jìn)行評(píng)價(jià)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明中記載的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明的新型牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)具體實(shí)施方式的立體示意圖；

圖2為主控機(jī)的及其各結(jié)點(diǎn)的拓?fù)鋱D。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖所示的各實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，但應(yīng)當(dāng)說明的是，這些實(shí)施方式并非對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)這些實(shí)施方式所作的功能、方法、或者結(jié)構(gòu)上的等效變換或替代，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

如圖1所示，本發(fā)明的新型牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)包括：底座10、讀數(shù)顯微鏡20、齒輪機(jī)構(gòu)30、編碼器40、嵌入式接入盒50以及主控機(jī)。

所述底座10用于形成所述讀數(shù)顯微鏡20的安裝平臺(tái)以及觀察牛頓環(huán)現(xiàn)象的牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)區(qū)域。所述讀數(shù)顯微鏡20安裝于所述底座10上，通過所述讀數(shù)顯微鏡20可對(duì)牛頓環(huán)現(xiàn)象進(jìn)行觀察和測(cè)量。具體地，所述讀數(shù)顯微鏡20具有物鏡、鏡筒以及目鏡，所述讀數(shù)顯微鏡20的物鏡朝向所述底座10的牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)區(qū)域設(shè)置，所述鏡筒與調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)相連接，所述調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括鼓輪21，通過所述鼓輪21可對(duì)所述讀數(shù)顯微鏡20位置進(jìn)行水平調(diào)節(jié)，以使其滿足實(shí)驗(yàn)需求。此外，所述型牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)還把包括攝像頭60，所述攝像頭60安裝于所述讀數(shù)顯微鏡20的目鏡中心上方。通過所述攝像頭60可實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像的采集和傳輸。

所述讀數(shù)顯微鏡20的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過所述齒輪機(jī)構(gòu)30與所述編碼器40相連接，所述齒輪機(jī)構(gòu)30用于將讀數(shù)顯微鏡位置變化傳遞至所述編碼器40。具體地，所述齒輪機(jī)構(gòu)30包括主動(dòng)齒輪31和傳動(dòng)齒輪32，其中，所述主動(dòng)齒輪31安裝于所述鼓輪21上，且所述主動(dòng)齒輪31與所述鼓輪21保持同心設(shè)置。如此設(shè)置，目的是更直觀的反映移動(dòng)的過程和移動(dòng)的大小，從而直接能夠反映讀數(shù)顯微鏡20的移動(dòng)過程。所述主動(dòng)齒輪31與所述傳動(dòng)齒輪32進(jìn)行傳動(dòng)連接，所述編碼器40采集所述傳動(dòng)齒輪32的轉(zhuǎn)動(dòng)位移數(shù)據(jù)。例如，500線的光電編碼器，轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生500個(gè)脈沖。從而，使用時(shí)，通過旋轉(zhuǎn)所述鼓輪21上的主動(dòng)齒輪31將讀數(shù)顯微鏡位置變化傳導(dǎo)到相關(guān)的編碼器40上，實(shí)現(xiàn)讀數(shù)顯微鏡移動(dòng)位移的計(jì)數(shù)過程。

所述編碼器40用于采集所述傳動(dòng)齒輪32的轉(zhuǎn)動(dòng)位移數(shù)據(jù)，并將其傳輸至所述嵌入式接入盒50，為實(shí)現(xiàn)該目的，所述編碼器40與所述嵌入式接入盒50進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。此外，為了便于所述編碼器40的安裝固定，所述型牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)還把包括支架41，所述編碼器40安裝于所述支架41上。優(yōu)選地，所述編碼器40為光電編碼器。

所述嵌入式接入盒50形成系統(tǒng)的人際交互界面，具體地，所述嵌入式接入盒50與所述編碼器40數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)，所述嵌入式接入盒50與所述主控機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊。所述嵌入式接入盒50包括：顯示屏、嵌入式芯片以及控制面板，所述顯示屏和控制面板與所述嵌入式芯片相連接。優(yōu)選地，所述顯示屏為觸摸式液晶顯示屏。所述嵌入式接入盒50實(shí)時(shí)與所述攝像頭60進(jìn)行通信。并把攝像頭60采集的數(shù)字圖像顯示到嵌入式接入盒50的顯示屏上。

所述主控機(jī)用于接收所述嵌入式接入盒50發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行處理，為了實(shí)現(xiàn)該目的，所述主控機(jī)還包括數(shù)字圖像處理系統(tǒng)。

如圖2所示，此外，一臺(tái)所述主控機(jī)可接收多個(gè)學(xué)生操作的嵌入式接入盒50發(fā)送的數(shù)據(jù)，從而，其可對(duì)應(yīng)處理多個(gè)結(jié)點(diǎn)。圖2中，任一結(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)學(xué)生所在的實(shí)驗(yàn)操作臺(tái)。

基于如上所述的新型牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)，本發(fā)明還提供一種新型牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，其包括如下步驟：

S1、學(xué)生通過所述嵌入式接入盒登錄，并進(jìn)入光路的調(diào)節(jié)過程；

S2、學(xué)生通過所述嵌入式接入盒顯示的圖像判斷是否完成光路的調(diào)整；

S3、如完成，通過所述嵌入式接入盒確認(rèn)完成，所述嵌入式接入盒將完成結(jié)果發(fā)送至所述主控機(jī)；

S4、教師根據(jù)所述完成結(jié)果判斷是否可進(jìn)入下一實(shí)驗(yàn)操作，如是，執(zhí)行步驟S5，否則通知學(xué)生重新調(diào)節(jié)光路；

S5、測(cè)量牛頓環(huán)中的條紋，將每次測(cè)量的位置數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的圖像通過所述嵌入式接入盒上傳至所述主控機(jī)；

S6、教師根據(jù)上傳的測(cè)量數(shù)據(jù)和圖片判斷是否正確完成實(shí)驗(yàn)，如是，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，否則，通過所述嵌入式接入盒通知學(xué)生重新進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。

此外，所述新型牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法還包括：

S7、所有學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，所述主控機(jī)根據(jù)上傳的測(cè)量數(shù)據(jù)和圖片進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)處理；

S8、教師對(duì)比系統(tǒng)記錄的學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理結(jié)果和學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，給予相應(yīng)的評(píng)分。

綜上所述，本發(fā)明的新型牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)及方法具備如下優(yōu)點(diǎn)：(1)可有有效的提高學(xué)生動(dòng)手能力和教師評(píng)價(jià)水平；(2)可以實(shí)時(shí)有效的對(duì)學(xué)生的操作形成監(jiān)控，有利于分析學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中的障礙；(3)通過外接雙相光電編碼器，能夠讓學(xué)生能夠直觀的感覺到相關(guān)的測(cè)量過程。同時(shí)，采用500線甚至更高的編碼器可以達(dá)到更高的測(cè)量精度，此外，編碼器和直接安裝到鼓輪上的裸露齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)可以讓學(xué)生更好地理解測(cè)量過程和回程誤差，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ?4)通過嵌入式接入盒和主控機(jī)可完成整個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)自動(dòng)收集，減少了教師的工作量；(5)主控機(jī)可對(duì)學(xué)生的測(cè)量結(jié)果同時(shí)作比較，給出相關(guān)的結(jié)果，從而便于對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程進(jìn)行評(píng)價(jià)。

對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。