基于迈克尔逊干涉原理的综合开放实验教学系统的设计

摘要

根据大学物理实验综合化开放化信息化教学目标要求，综合地研究了迈克尔逊干涉实验在国内外的科学研究领域与教育教学领域的应用情况，设计出以迈克尔逊实验激光干涉原理为基础的综合开放实验教学系统。
　　 该综合开放实验教学系统以迈克尔逊干涉原理为基本的实验原理，遵循实验教学目标要求，完成了本系统的三个方面的设计，综合开放实验教学系统的硬件设计、综合开放实验教学系统的软件设计、综合开放实验教学系统的教学应用设计，三个部分在整个系统当中协同作用，各自承担本系统中的功能，互相牵连，互相作用。
　　 硬件设计是整个综合开放实验系统的基石，是保证系统良好运行的先决客观条件，本文重点介绍了主要硬件迈尔逊干涉仪、线阵CCD器件TCD1251UD及其驱动电路、数据采集卡等。通过对主要硬件设备的介绍，诠释硬件设备前端干涉条纹形成的过程，提出了对所采集到的信号进行转输与转换技术，即采用线阵CCD图像传感器TCD1251UD来采集光干涉条纹信号，将采集到的模拟信号送到AD12S-USB数据采集卡进行模数转换，其输出的数字信号送入微机进行处理。
　　 软件设计是让硬件设备协同工作的重要保证，提出了在硬件设计的基础上再设计相应的软件，主要介绍了二次开发包SDK的开发与使用，对干涉条纹计数的方案分析以及对采集的信号进行处理与转换，将数字信号送入微机，再利用VisualC++6.0及MFC编写相应的软件对送入微机的数据进行实时处理。
　　 教学应用设计是综合开放实验教学系统的重要环节，是前述的硬件设计与软件设计在教学实践中的应用，在迈克尔逊干涉仪的光路上进行不同的硬件的组合与搭建，就可以进行对不同的物理量的测量实验，教学应用部分设计共涵盖四个综合实验：①激光波长的测量实验；②金属丝的杨氏模量的测量实验；③空气折射率的测量实验；④压电陶瓷的压电常数的测量实验。这四个实验涉及大学物理实验中的力学实验、热学实验、光学实验、电磁学实验各部分，在教学实施过程中，只需在现有的迈克尔逊干涉仪的光路上进行简单的硬件置换与组合，便可实现不同的物理量的测量，体现出物理实验的综合性与开放性。
　　 最后，对综合开放实验教学系统在教学实践中的教学效果进行了分析，采取调查问卷的方法、进行访谈的方法、利用学校网站主页教学质量测评的信息反馈等途径获取信息反馈与相应的资料，并对资料进行了分析，得到了预期的结论。
　　 本文的创新点主要体现在以下几个方面：
　　 （1）拓展迈克尔逊干涉实验，实现了综合化测量。
　　 （2）采用激光干涉法利用线阵CCD实现对物理量的测量。
　　 （3）对干涉条纹进行微机实时采集与记录。
　　 本文设计以迈克尔逊干涉原理为基础的综合开放实验教学系统，具备综合化开放化信息化的特点。该实验教学系统应用于教学实践中，体现了在综合的过程中有创造，在创造的过程中有综合。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

§1．1 相关背景分析

§1．2 迈克尔逊干涉实验在国内外的研究现状综述

§1．3 问题的提出

§1．4 本文的基本内容

第二章 总体设计方案

§2．1 设计思路

§2．2 大学物理实验教学目标要求

§2．3 总体设计构成

§2．4 本章小结

第三章 迈克尔逊干涉实验激光干涉原理

§3．1 迈克尔逊干涉仪的光路

§3．2 迈克尔逊干涉仪产生的等倾干涉条纹

§3．3 迈克尔逊干涉仪所产生的等厚干涉条纹

§3．4 迈克尔逊干涉仪所产生的非定域干涉条纹

§3．5 本章小结

第四章 综合开放实验教学系统的硬件设计

§4．1 综合开放实验教学系统的硬件设计概述

§4．2 干涉条纹光学成像模块的硬件

§4．3 图像信号捕获与转换模块的硬件——线阵CCD器件TCD1251UD

§4．4 数据采集与传输模块硬件——AD12S—USB数据采集卡

§4．5 实验项目的硬件设计

§4．6 本章小结

第五章 综合开放实验教学系统的软件设计

§5．1 综合开放实验教学系统的软件设计概述

§5．2 SDK简介

§5．3 干涉环自动计数的软件设计流程

§5．4 Visual C++6．0

§5．5 利用MFC软件设计运行界面

§5．6 本章小结

第六章 综合开放实验教学系统的教学应用设计

§6．1 综合开放实验教学系统的教学应用设计概述

§6．2 激光波长的测量实验

§6．3 金属丝的杨氏模量的测量实验

§6．4 空气折射率的测量实验

§6．5 压电陶瓷的压电常数的测量实验．

§6．6 本章小结

第七章 综合开放实验教学系统的教学效果分析

§7．1 教学效果分析概述

§7．2 教学效果调查的设计

§7．3 调查结果的分析

§7．4 本章小结

第八章 全文总结

参考文献

附 录

致 谢

作者攻读学位期间公开发表的论文