![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/81e/812/761/81e8127611187fc6c7c43f306b85d368.jpeg)
В освоении физики лабораторные эксперименты проясняют понятия гораздо лучше лекций. Но из-за пандемии у автора статьи, переводом которой мы делимся к старту флагманского курса о Data Science, уже больше года не было лабораторных занятий; при этом большинство экспериментов последнего курса физики требуют сложных, дорогих приборов. Но автору бросились в глаза эксперименты со спектроскопом, и он решил из подручных материалов сделать свой, недорогой цифровой спектрометр, а для анализа вывода прибора написал программу на Python.
1. Немного теории спектрографии
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/f3b/fee/b7d/f3bfeeb7d7a8f877292551d36726b178.png)
Начальные сведения
Спектрометр — прибор, используемый для измерения свойств света. Это позволяет учёным использовать этот прибор для огромного количества экспериментов, таких как определение материалов, обнаруженных в объектах из повседневной жизни, или определение элементов, обнаруженных на далёких звёздах и планетах.
Основная концепция спектрометра заключается в том, что «неизвестный» луч света подаётся на оптический элемент, разделяющий луч по длинам волн, присутствующих в «неизвестном» луче света. Каждая длина волны отклоняется на разную величину, поэтому, измеряя отклонение, можно определить длины волн в «неизвестном» луче света, что потенциально может дать больше информации об источнике света, даже если он возник на расстоянии миллионов километров.
Спектрометр тогда и сейчас
В прежние времена учёные использовали призмы для разделения луча света на составляющие и поворотный окуляр для измерения углового отклонения длины волны каждой составляющей. Однако совсем недавно призму заменили дифракционной решёткой, которая служит той же цели, что и призма, а окуляр заменили подключённым к компьютеру электронным фоторецепторным блоком.
2. Материалы
Все материалы довольно легко найти, и, возможно, они уже есть у вас дома):
Список материалов
картон;
чёрная картографическая бумага;
старый DVD-диск;
бритвенные лезвия;
веб-камера;
клей;
изолента.
Без веб-камеры обошёлся дешевле 5 долларов.
Фото материалов
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/dc4/d6f/536/dc4d6f5364abec4717e668e6b2f838d2.jpeg)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/92b/93c/06d/92b93c06d9aa0e157041b496c8ad05c9.jpg)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/33f/35d/0c1/33f35d0c1d2f266c25dadb99155f5c3a.jpg)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/306/9c3/89a/3069c389af98e9eb2d62a560af62e37d.jpg)
3. Расчёт корпуса
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/730/0e4/1eb/7300e41eb7cd9fb36daf6184c0300e84.jpeg)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/50e/af0/5ea/50eaf05ea71332da906c37ec5e472e48.jpg)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/80a/f43/10b/80af4310b1412c7376d507ef7e99cc37.jpg)
Ещё 9 фото
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/97e/21f/98f/97e21f98f4c8ed9e1746c727d083ca03.jpg)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/866/63d/44d/86663d44dce563141f964ef61a7b8639.jpg)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/42d/946/4f5/42d9464f5292615b617b849757b12a85.jpg)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/a6f/2db/a38/a6f2dba380cfea4448b1935be0a14715.jpeg)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/538/781/220/538781220d745ddc4e711622cfe185ee.jpeg)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/897/7f1/9a2/8977f19a2eed4f7b0c755db987cdae49.jpeg)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/6cb/b3f/7ab/6cbb3f7abc74b25476a6bcae71c3834c.jpeg)
![Обратите внимание на небольшую прорезь Обратите внимание на небольшую прорезь](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/d8a/89d/f93/d8a89df93d0d2884de8e59ecae936178.jpeg)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/157/c94/a17/157c94a17ee06e90571378d210cef4a7.jpeg)
Корпус мог быть изготовлен с использованием любого вида коробки, но я решил сделать его с нуля, чтобы он идеально подходил по размеру для моей веб-камеры. Начните с измерения веб-камеры. Сложите коробку в соответствии со следующими измерениями:
длина — от 20 до 25 см;
ширина — на 2 см больше ширины веб-камеры;
высота — на 1 см выше, чем высота веб-камеры.
Прочертите 6 граней коробки в соответствии с размерами на листе картона, кусочки отрежьте ножом. На задней панели сделайте прорезь, через которую можно пропустить кабель веб-камеры, а на передней панели — прорезь размером 2×1 см посередине на высоте объектива камеры. Приклейте все грани на лист чёрной картографической бумаги, разрежьте бумагу по границам картонных кусочков и склейте. Чтобы избежать путаницы, можно разметить грани карандашом.
4. Сборка корпуса
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/7aa/c2b/f0c/7aac2bf0c9b780a394a16240a206b9a6.jpeg)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/906/f46/127/906f46127bcba62a4e7705b650fbf1f8.jpeg)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/a17/41e/423/a1741e423236225371bbf13e969f9b00.jpeg)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/f80/72e/9ed/f8072e9edf48aa067884452bde718c78.jpeg)
Ещё 3 изображения
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/b03/3fe/0e2/b033fe0e2bfdee2bef174c341ed4f928.jpeg)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/857/ac1/50e/857ac150e23d18c0b165e98111d647a9.jpeg)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/e5b/4b0/bfc/e5b4b0bfcd0adc84bbad09d1cc68628f.jpeg)
Возьмите нижнюю грань и две боковые грани и поместите их рядом. Лентой соедините три части вместе, затем, убедившись, что ориентация граней сохраняется, прикрепите переднюю и заднюю грани дополнительной лентой. Верхняя грань прикреплена вдоль одного края, так что мы можем открыть корпус, верхняя грань будет откидной крышкой на случай, если нам потребуется позже что-то изменить. Чтобы свет не проникал через верх, отрежьте ещё несколько кусочков картона, сделав небольшое перекрытие. Загляните в корпус через одну из щелей и убедитесь, что в коробку не проникает свет. Чтобы закрыть зазоры, можно использовать дополнительный слой изоленты или любой другой непрозрачной ленты.
5. Делаем прорезь
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/c35/f97/db9/c35f97db9a7cfeebd76e6699abf8775f.jpeg)
Чтобы сделать входную щель, приклейте одно из лезвий вертикально, чтобы закрыть часть щели на передней поверхности. Приклейте второе лезвие бритвы рядом с первым, используя один лист бумаги, чтобы создать тонкий зазор между двумя лезвиями. Приклейте изолентой второе лезвие и ею же закройте все зазоры, чтобы свет не попадал в корпус.
6. Дифракционная решётка из CD-диска
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/ed9/9b1/006/ed99b1006cc0cc5c51b126d18361d1a1.jpeg)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/0d2/4bc/5b0/0d24bc5b0d5f8c01bcff26e35e9b429d.jpeg)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/458/c6e/1dc/458c6e1dc8d15b5b13fcda94b7c74544.jpeg)
Этот шаг в проекте — самый важный. Дифракционная решётка отвечает за разделение луча света в соответствии с длиной волны. Одним из вариантов было бы просто купить дифракционную решётку. Они обычно доступны в Интернете примерно за 4–5 долларов. Другой вариант — использовать в качестве решётки старый DVD-диск; результат будет схожим с результатом от решётки за 5 долларов. Сначала разрежьте диск ножницами. Углубляясь в диск, вы заметите, что он состоит из двух слоёв, которые начнут отделяться. Полностью отделите их друг от друга и выбросьте слой с серебряным покрытием. Отрежьте четверть от второй половины и выровняйте края, чтобы получился прямоугольник чуть больше ширины объектива.
Крепление решётки на камеру
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/595/a69/959/595a699597786ff49bf53b222947ca65.jpeg)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/295/2f6/d2c/2952f6d2c8651bfb6af3ae47cab0dabf.jpeg)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/5d1/d0a/a01/5d1d0aa0100f8c91454378df65bf1834.jpeg)
Затем приклейте этот кусочек на объектив. Обязательно работайте с временным клеем, чтобы на случай, если вы захотите использовать веб-камеру для чего-то другого, дифракционную решётку можно было убрать.
Примечание: один из важных шагов, чтобы соорудить ваш спектрометр, — сделать так, чтобы концентрические канавки вдоль диска были выровнены вертикально, то есть они должны быть параллельны прорези. Если это не так, дифракции не будет.
7. Установка камеры
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/981/1cd/c7a/9811cdc7a588f63566ccafbf11fa9745.jpeg)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/fe3/d4e/0d5/fe3d4e0d56d18df02f4582b0c96527af.jpeg)
Как только дифракционная решётка будет прикреплена к веб-камере, пропустите кабель через заднюю прорезь корпуса и поместите веб-камеру в заднюю часть корпуса под углом 30 ° относительно передней поверхности и выровняйте с прорезью спереди. Прежде чем установить веб-камеру на место, подключите её к компьютеру и откройте приложение камеры. Направьте спектрометр на источник света и регулируйте положение веб-камеры до тех пор, пока спектр дифракции не окажется в центре изображения. Теперь можно двусторонней лентой приклеить веб-камеру к нижней грани.
8. Тестирование
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/175/781/395/175781395755bc614f00cd40de03d83b.jpeg)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/a11/4f0/41c/a114f041c67b15a77760e47a45d76a67.jpeg)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/563/737/55d/56373755de847dd637cebf0b97bf81a4.jpeg)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/cb3/f71/896/cb3f7189662b844c5168a734b6b27d4b.jpeg)
Ещё два изображения
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/389/235/5e3/3892355e3889b05406ac0cd583cdb15a.jpeg)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/e11/2a6/14b/e112a614b6a9a97bd3f509d1314120d4.png)
Чтобы проверить, правильно ли работает ваш спектрометр, наведите его на источник света и регулируйте высоты источника и спектрометра до тех пор, пока они не выровняются. Подойдёт стопка книг или что-то ещё, а я решил подложить несколько старых рулонов нити 3D-принтера. Подключите веб-камеру к компьютеру и откройте приложение камеры. На изображении должен быть чёткий дифракционный спектр.
9. Работа с ПО спектрометра
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/b90/588/4cd/b905884cda3d25ce28d3d02fbd7a3ef4.png)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/b48/3e3/8f2/b483e38f2c93ea2d6c9b3f0534677848.png)
Простое представление спектра даёт немного информации, поэтому, чтобы построить график интенсивности света, я разработал программу на Python. Она вычисляет относительное расстояние между «пиками», которое может использоваться в определении длин волн источника света. Чтобы запустить программу, нужно установить Python и несколько библиотек с открытым кодом:
pip install opencv-contrib-python
pip install numpy
pip install matplotlib
Установив библиотеки, можно клонировать программу анализатора спектра из этого репозитория. Затем запустите программу и вы увидите фид веб-камеры. Наведите камеру на источник света и, чтобы захватить интересующую область, на клавиатуре нажмите кнопку «r». Щёлкните и проведите мышью по спектру и нажмите Enter. Как только выбрана нужная область, нажмите кнопку «s», чтобы захватить кадр и проанализировать интенсивность через визуализацию. Для выхода из программы можно нажать «q».
10. Результаты
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/c20/f9a/942/c20f9a942b36acdef188acc146a911cc.png)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/000/fec/549/000fec54934507836274c5887d0be220.png)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/a0c/34d/b24/a0c34db24054f9ce6f8dd45bd1e972af.jpeg)
Ещё 5 фото
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/da8/63a/603/da863a603ff625c28807cd5285973334.jpeg)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/038/571/8b6/0385718b6e76f419096e8cca7afd4f29.jpeg)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/42b/3f8/e46/42b3f8e465bbc24ad198632eb2b5bda6.jpeg)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/891/b36/e22/891b36e22732eb225d19f177998c1a64.jpeg)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/74d/4d9/ce3/74d4d9ce37893dc080f932809fe849ed.jpeg)
Протестировав спектрометр и его ПО, вы можете начинать свои эксперименты. Например, направить свой спектрометр на различные источники света, такие как лампы CFL, неоновые лампы, лампы накаливания или даже изменяющие цвет светодиодные смарт-лампы. Или выйти на улицу, направить спектрометр на ясную часть неба и изучить результаты.
Чтобы измерить длины волн определённого источника света, можно начать с источника света с известной длиной волны, такого как лазер, и определить соотношение между положением пиков и длиной волны.
Есть и другие интересные эксперименты, например, можно определить и измерить содержание натрия в поваренной соли или содержание хлорофилла в оливковом масле. При помощи этого недорогого спектрометра можно проводить разные простые и интересные эксперименты прямо у себя дома. А если вам интересно экспериментировать и с другими видами данных, понимать их, отличать сезонные явления от реальных тенденций и делать корректные выводы, вы можете присмотреться к нашему флагманскому курсу о Data Science, где студенты получают опыт, равный опыту после трёх лет самостоятельного изучения науки о данных. Или, если вам больше по душе программирование, вы можете обратить внимание на курс о Fullstack-разработке на Python.
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/b93/29a/674/b9329a67409707b7a34abf4c96a2ed7b.png)
Узнайте, как прокачаться и в других специальностях или освоить их с нуля:
Другие профессии и курсы
ПРОФЕССИИ
КУРСЫ