迈克耳孙干涉仪实验为基础的教学设计研究
兰淑静张胜海吴天安王乾吕傅昱皓
［摘要］在高校开设的众多大学物理实验课程中，迈克耳孙干涉仪实验一直是学生较为棘手的实验。实验中需要目测记录快速移动的细圈，既累又容易出错，影响实验的准确度。结合迈克耳孙干涉仪的结构特点，设计开发了基于手机App的迈克耳孙干涉仪实验数据自动记录装置，可以实现对干涉条纹的自动精准计数，对仪器示数的快速拍照和存储，以及对激光波长测量数据的自动化快速处理。实验结果表明装置减少了人眼疲劳导致的干涉条纹计数误差，提高了测量的精确度；缩短了实验时间，提高了实验效率；有助于激发学生的学习兴趣。
［关键词］迈克耳孙干涉仪；条纹自动计数；手机App；光感拍照
［基金项目］2021年度信息工程大学校级教育教学研究课题“基于信息化平台的大学物理实验线上线下混合式教学模式改革研究”（JXYJ2021D008）
［中图分类号］G642.0；O436.1［文献标识码］A［文章编号］1674-9324（2023）16-0056-04［收稿日期］2022-02-23
迈克耳孙干涉仪是大学物理实验中比较经典的光学实验之一，其设计精巧，光路清晰，应用广泛，可用于观察和分析各种干涉现象，测量光波波长、介质折射率和微小长度的变化等［1］，许多现代干涉仪都由其衍生发展而来。马赫-曾德尔干涉仪被广泛应用于量子力学的基础研究论题中，例如对量子纠缠、量子擦除、量子芝诺效应等的研究。2015年，LIGO（激光干涉引力波天文台）团队借助迈克耳孙干涉仪的基本原理首次探测到引力波。在迈克耳孙干涉仪测量激光波长的实验中，采用分振幅法获取相干光实现点光源的非定域干涉［2］。当改变可移动反射镜的位置时，观察屏上就会有圆环从中心向外“涌出”或向中心“陷入”。由迈克耳孙干涉仪的读数系统测出动镜移动的距离Δd，并数出相应的“吞进”（或“吐出”）的环数Δk，就可以代入公式Δd=Δkλ/2，计算出激光的波长λ［3］。实验操作中，学生需要连续数500多条干涉条纹，甚至更多，长时间紧盯光屏很容易产生视觉疲劳，对眼睛造成极大的伤害，而且记录每组实验数据时需要停止数环，漏数或多数条纹的情况时常发生，加大了人为测量误差，影响了实验的准确度［4］。实验中如果出现读数错误，还须重新测量，导致课堂大部分时间和精力都用于机械地数条纹，降低了学生对实验干涉原理的深入理解和研究的兴趣。鉴于此，设计开发了一款基于手机App的迈克耳孙干涉仪数据记录装置，该装置不仅减少了人为测量误差，提高了测量的精度，还缩短了实验操作时间，提高了实验效率。
一、数据记录装置
（一）装置的工作原理
本实验装置采用接近视觉灵敏度的光照傳感器，将光感器件的感光面放置在迈克耳孙干涉仪光屏前，用以识别干涉条纹的明暗变化检测。当转动微动手轮时，其接收屏上会有明暗相间的干涉条纹移动，干涉条纹圆心处的光强也随之变化。反射镜每移动1/2波长，其明暗变化为一个周期，对应条纹的一次吞吐［5］。单片机记录干涉条纹的明暗变化次数，达到目标环数时，通过手机App拍下此时动镜的读数位置，在手机App输入动镜的位置，自动化处理数据得到最终的实验结果。整体实验装置如图1所示，基于单片机和手机App，该装置创新性地实现了干涉条纹自动计数、动镜位置的快速拍照采集和自动化的数据处理。
（二）装置的硬件部分
装置的硬件部分由光电转换模块、主控模块和蓝牙无线通信等模块构成，如图2所示。
1.光电转换模块。由于光敏电阻的阻值受温度的影响较大，导致明暗条纹的计数不准确，本装置采用16位高精度数字光强度传感器BH1750FVI，充分利用其对光强变化的高敏感性和反馈的高速性，实现对干涉条纹的明暗变化识别和检测。BH1750FVI是一款两线式串口总线接口的集成电路，通过50Hz/60Hz除光噪音功能实现稳定的测量，电路设计简单，容易实现和集成。
2.主控模块。主控模块主要包括单片机、晶振电路、复位电路等。其中单片机选用内核为Cortex-M3，主频为72MHz，FLASH为64K的STM32F103C8T6，可较好地实现干涉条纹的自动计数。当干涉条纹为明纹时，即为强光信号，单片机从BH1750数据寄存器读出的数字量比较大；当干涉条纹为暗纹时，即为弱光信号，单片机从BH1750数据寄存器读出的数字量比较小。通过设置明暗条纹的光强度阈值，单片机可自动完成明暗条纹的计数。
3.蓝牙无线通信模块。蓝牙无线通信模块主要实现单片机和手机App的无线通信功能，发送所计圈数和photo指令。选用WH-BLE103无线模块，具有10×10×3.5mm3的超小体积，-78dBm的接收灵敏度，支持最大80m的传输距离。
（三）装置的软件部分
装置的软件部分主要包括主控板的嵌入式程序设计和手机端的Ap