全国高校微课教学比赛教学设计.docx

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全国高校微课教学比赛教学设计

2013年度全国高校微课教学比赛教学设计

莫尔技术

天津工业大学

电子与信息工程学院

王莎莎

章节名称：

第九章光学检测技术

9.5莫尔技术

（1学时）

一、教学目的及要求

1.掌握莫尔条纹的概念及现象；2.熟悉莫尔条纹的形成原理——遮光阴影理论和衍射干涉理论；3.掌握莫尔条纹现象的应用——计数技术和莫尔形貌技术。

二、教学重点及难点

重点：

莫尔条纹的概念，遮光阴影理论和衍射干涉理论对莫尔条纹形成的解释。

难点：

条纹间距表达式m的推导。

三、教学方法

启发式教学，通过课堂讲解，以直接感知为主，采取多媒体课件演示、提问方式，引导学生独立思考，最终掌握教学内容。

四、教学手段

板书与多媒体课件相结合。

五、作业

6-4（参考资料1）。

六、参考资料

1．安毓英等编.光学传感与测量.北京：

电子工业出版社，2001，第六章；

2．姚建铨等编.光电子技术.北京：

高等教育出版社，2010，第十三章；

3．冯其波.光学测量技术与应用：

清华大学出版社，2008，第四章。

七、教学内容与教学设计

教学内容

教学设计

时间

分配

【引入】

回顾光学检测技术的定义以及学习过的几种检测技术，借以引出这节课的主要内容。

引入

[提问]：

还有哪些光学检测技术？

2分钟

【讲授新课】

一、莫尔条纹现象

长光栅莫尔条纹、圆弧莫尔条纹和辐射形莫尔条纹的形成过程。

概念：

莫尔条纹是两条线或两个物体之间以恒定的角度和频率发生干涉的视觉结果。

[课件演示]：

光栅对形成特定莫尔条纹的动画。

[重点]

根据莫尔条纹动画“启发”得到莫尔条纹特点。

10分钟

二、条纹形成原理

条纹形成原理由光栅间距决定：

遮光阴影理论：

光栅间距远大于波长，衍射效应不明显；

衍射干涉理论：

光栅间距小，衍射效应明显。

1.遮光阴影理论

（1）条纹形成

（a）光栅I（b）光栅II

（c）两个光栅叠加的结果

图1莫尔条纹的形成原理

两个光栅叠加之后，透光面积大的区域为亮带，两个光栅相互遮挡的地方为黑带，这是“遮光阴影理论”名称的由来。

（2）条纹间距的计算

图2条纹间距的计算示意图

d：

光栅I的光栅常数；

d′：

光栅II的光栅常数；

m：

莫尔条纹间距；

：

光栅I和II之间的夹角。

图3平行四边形ABCD的详细示意图

计算平行四边形ABCD的面积S：

（9-1）

在三角形ABC中，根据余弦定理有：

（9-2）

将式（9-1）代入（9-2）中，有：

（9-3）

莫尔条纹间距的表达式为：

（9-4）

根据这个表达式就可以得到莫尔条纹相应的一些性质。

2.衍射干涉理论

图4光线经过G1和G2衍射的示意图

一条光线以角照射在光栅G1上，由于衍射的作用，被衍射为M条光线，图中只画出其中三条。

对这三条光线的衍射级数进行标注：

传播方向不变的光线用0级标注，上下两条分别用-1和1对其进行标注；

当这M条光线中的每一条传播到光栅G2上时，由于衍射效应，每一条又被衍射为N条光线，同样只画出其中的三条；

那么，一条光线经过G1和G2之后就会被衍射成为M×N条光线，用衍射级数组（Mi,Ni）对其进行标注。

Mi和Ni分别表示第i条光线被光栅G1和G2衍射的级数。

图5级次代数和相同的光线的聚焦特性

定理：

所有级次代数和Mi+Ni相同的衍射光束称为（Mi+Ni）级群光束，它们有相同的传播方向。

级次代数和相同的这些光线由于具有相同的传播方向，经过聚焦透镜之后就会聚焦到焦平面上的同一点，从而形成相应的衍射纹路，这就是衍射干涉理论对莫尔条纹形成原理的解释。

启发：

光栅间距的量变导致条纹形成发生了质变。

[重点]

[课件演示]

[难点]

[课件演示]

[提问]：

光栅I和II形成的莫尔条纹在哪个区域？

[板书推导]

[重点]

[课件演示]：

光束发生衍射的过程。

[课件演示]：

具有相同传播方向的级次代数和相同的光束的聚焦过程。

18分钟

三、莫尔条纹的应用

1.莫尔条纹的计数原理

图6计数原理图

如图6所示：

光源发出的光经过透镜照射在两组光栅的组合上，两组光栅形成的莫尔条纹再经过透镜成像在光电元件上；

当物体带动主光栅移动一定的距离，主光栅与指示光栅之间的莫尔条纹会发生周期性的变化，从而使得光电元件输出相应的正弦信号；

对该信号进行放大、整形得到方形波，在对其进行微分、整流后得到上升沿的尖脉冲，最后到达电子计数器，在数字显示器上面显示出来。

那么有：

被测物体位移=栅距×脉冲数（9-5）

2.莫尔形貌（等高线）技术

基本原理：

通过光栅及光栅在物体表面的投影叠加形成莫尔条纹，同级莫尔条纹就是物体表面距主光栅深度相同的等高线分布，实现三维物体的形貌测量。

（1）照射型莫尔等高线技术

图7照射型莫尔等高线技术原理图

原理：

光栅与光栅在物体表面阴影之间叠加形成的莫尔条纹。

根据几何推导，可以得到N级莫尔条纹（即等高线）的深度hN为：

（9-6）

N：

莫尔条纹级数；

P：

光栅常数；

l：

光源与光栅之间距离；

d：

观察者到光源之间距离。

缺点：

测量时需要的光栅面积较大，从而限制了这项技术的适用范围。

（2）投影型莫尔等高线技术

图8投影型莫尔等高线技术原理图

原理：

光栅G2与光栅G1的阴影在光栅G2位置所成的像之间叠加形成莫尔条纹。

根据几何推导，可以得到N级莫尔条纹（即等高线）深度hN为：

（9-7）

l：

透镜L1和L2到物体表面的距离；

f：

透镜L1和L2的焦距；

P：

光栅G1和G2的光栅间距；

b：

L1到L2之间的距离。

[课件演示]：

计数技术测量物体位移的过程。

[课件演示]：

照射型莫尔等高线技术的形貌测量过程。

启发：

引出投影型莫尔等高线技术。

[课件演示]：

投影型莫尔等高线技术的形貌测量过程。

13分钟

【小结】

1.莫尔条纹现象；

2.莫尔条纹的原理：

遮光阴影理论和衍射干涉理论；

3.莫尔条纹的应用：

莫尔计数技术和莫尔形貌技术。

从“现象”“本质”“应用”的这么一个学习过程，不仅仅是我们今天学习莫尔技术，也是今后学习其它技术采取的基本方法。

[思考题]：

根据莫尔条纹的宽度表达式分析如何实现莫尔条纹的位移放大作用?

小结

启发：

教授学习方法，从“授之以鱼”到“授之以渔”。

拓展课堂内容，培养学生独立思考能力。

2分钟