邵勇斌 敦奕亨 蔡筱钰 赵靓 桑子豪 李文

摘要：高校基础实验室为培养学生实践动手能力做出了巨大的贡献，然而在一些基础物理化学实验中，由于实验步骤的复杂以及难以观测的实验现象，造成观测过程不理想和研究者快速疲惫，实验室需要一种基础的观测工具来辅助观测实验现象。以六氟化硫相变仪为例，设计并且制造了一套辅助观测装置，用以观察六氟化硫的相变实验。

关键词：基础物理，实验观测，六氟化硫，相变

导语：在物理化学实验过程中，研究者有时对一些细微的物理现象或化学反应观察记录存在一些困难，比如反应现象变化速度较快，人眼难以捕捉;实验现象持续时间较长，人眼难以长期观察;实验数据的实时记录传输处理存在障碍;化学反应的进行和记录独自一人难以完成等，面临上述情况，我们往往需要一套完善的实时观测系统作为辅助，不仅能够对一些微型实验进行光学放大，实时摄像，而且还能够通过视频采集卡实时传输到电脑，搭配视频处理软件整理实验结果，来达到更好的实验观测效果。

1.1物理演示实验的作用

当前我国高校尤其是理工类大学都致力于构建自身特色的大学实验体系，但不可避免的都存在不同程度的内容陈旧，设备老化问题。以我院为例，对SF6相变观测仪实验现象的观测，如超临界流体，临界乳光现象等，人眼能够识别，但对于实验现象的记录和实验教学的设计存在障碍，由此及彼，许多的基础实验都存在观测不易记录难的问题。而辅助观测装置不仅能有效解决基础研究对于实验现象的获取，积极开展基本原理的归纳和新知识的实验性工作，同时也能搭配许多实验设备进行组合实验，辅助观测装置中，对于实验现象光学放大的处理，由此组建相对完善的实验室光学显微镜系统，对于不同实验的光照需求，由此组建相对完善的实验室光照系统。

1.2辅助观测装置对于物理实验教学的重要性

随着我国高等教育向大众化的推进，使得实验教学新体系的构建对学生综合素质的培养与提高具有十分重要的意义。[ 刘学英，《科学与财富》2012年第12期]构建完善的辅助观测系统，有利于提高学生实验学习的能力，实现高素质创新人才的培养。当前学生在实验操作中遇到的一大难题就是实验现象的模糊，观测数据的不准确和数据处理的复杂性，使用辅助观测装置，不仅能让学生在课堂学习中更加直观深入的了解实验现象，也大大减少了老师对于教学设计的成本和实际演示操作的压力，播放提前记录好的视频，将复杂的实验简单化明了化处理，使学生的学习兴趣更加浓厚，增强学生学习的主动性和求知欲，同时，当学生自己亲手操作时，简易的观测方法也能让他们感受做实验的魅力，有利于提高学生科学研究及科学实验的能力。

2.1微型实验场景观测的难点

首先，人类的眼睛是奇妙的事物，剑桥大学的理论物理教授Ben Allanach曾说过：“如果想要观看一颗在数光年以外的恒星，只要它足够明亮，我们就能够看到。”而眼睛的所见是有限的，一个限制是角分辨率，人类眼睛的角分辨率约1角分，能够分辨出一公里处相距30cm的物体，另一个限制是光的频率范围，而实验现象本身存在的问题，比如反应时间较快，颜色分辨度不高，实验现象处于微观状态，人眼难以准确观察，或者实验现象持续较长，人眼疲劳无法长时间观测;实验现象过于短暂，人眼难以及时准确的观察，或者反应现象在密闭容器或有器体阻隔等，人眼无法直接观察。除此之外，实验装置本身的限制也会阻碍我们的观察，比如被测物体在密闭空间或者有玻璃外壳等，反光无光等现象都会影响观测，被测物体无法移动，普遍的观测方法受到空间影响无法展开。同时，实验室场景也会成为观测难点，实验室光照设备不行，或本身气压湿度温度等一系列物理因素都可能对于微型实验的观测造成影响。

2.2辅助装置

辅助观测装置能够帮助实验者观测到清晰的实验现象，并且可以摄影储存观测视频。结合大学物理实验的条件和难点，由此将辅助观测装置分为五个子系统：摄像与记录系统、放大系统、辅助定位系统、可调节支架系统、独立光照系统。

摄像和传输系统采用200万像素高清工业摄像头，通过HDMI视频采集卡将图像传输到计算机上，利用计算机上的监控软件获取实时图像。在实验室的复杂环境下，需要摄像和传输设备具有较强的抗干扰能力并且能够获得清晰的图像，并且摄像装置需要有位移功能以实现对实验现象的追踪拍摄，因而选择采用HDMI接口（高清晰度多媒体接口）。

实现单一摄像头对实验现象准确清晰的记录过于困难，需要在摄像头前添加变焦镜头，对实验现象进行物理的光学放大。考虑到辅助装置的适用范围，光学的放大倍数不宜过大，最终确定光学放大倍数为0.75X-4.5X。适当的结合电子放大，放大倍数为21-135X，最终能够获得清晰准确的的图像。

考虑到在实验过程中实验现象的变化，需要对实验现象进行多角度的拍摄，因此支架系统不仅需要有较好的稳定性，也需要具备三维的位移功能。

考虑到特定实验装置和设备的独特性，以及在放大倍数过高的情况下需要改善光照条件，需要搭建一套独立的光照系统。使用可调节亮度的LED灯，LED灯采用不锈钢万向软管，可自由调节角度以满足观测的光照需要。此外，灯罩采用PC高透光灯罩，关系均匀柔和，灯光光明，不刺眼大范围曲面照明。LED灯可实现亮度的调节，以方便在光学放大倍数较大时对增加场景亮度。对于特定的实验装置需要，搭建毛玻璃获得更加柔和的面光源，并且需要在变焦镜头前添加偏振镜以减弱反射光的影响。

2.3研究成果

经过试验证明，实验室微型场景下的实时观测系统，通过其导轨以及转接板的调节，可以应用于许多微型场景的观察和记录，能够清晰的观察并记录实验现象。本套实验系统以六氟化硫相变仪为例，已经拍摄并清晰地记录了六氟化硫气液变化以及临界乳光现象。

3 结束语

实验教学是高等院校物理教学的重要组成部分，完善实验室观测配套辅助观测装置对物理实验教学具有总要的意义。实验的辅助观测装置能够很大程度上减少试验场景限制对学生观测造成的困难，并且激发学生的学习兴趣，培养学生科学观察和探索物理规律的能力，简易的观测方法也能让他们感受做实验的魅力，有利于提高学生科学研究及科学实验的能力。

参考文献：

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基金项目：中国民航大学大学生创新创业项目（IEKCAUC 2020016）资助

作者簡介：

邵勇斌（2000-- ），男，学生，中国民航大学中欧航空工程师学院飞行器与动力工程专业。

敦奕亨（2000-- ），男，学生，中国民航大学中欧航空工程师学院飞行器与动力工程专业。

蔡筱钰（2001-- ），男，学生，中国民航大学中欧航空工程师学院飞行器与动力工程专业。

赵靓（2001-- ），男，学生，中国民航大学中欧航空工程师学院飞行器与动力工程专业。

桑子豪（2001-- ），男，学生，中国民航大学中欧航空工程师学院飞行器与动力工程专业。

李文，通讯作者，中国民航大学教师。