陳建勇

摘要：本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)反光鏡、牛頓環(huán)位置、半反鏡、焦距、目鏡十字叉絲、測(cè)微鼓輪等的獨(dú)立調(diào)節(jié)，而且牛頓環(huán)圖像部分可以實(shí)現(xiàn)位置、亮度、對(duì)比度、清晰度的同步變化。此外，讀數(shù)顯微鏡的微調(diào)精度和真實(shí)儀器相同，設(shè)置速度選擇按鈕來(lái)提高測(cè)量效率，凸顯了虛擬仿真的特色和優(yōu)勢(shì)，在教學(xué)中獲得了積極的效果。

關(guān)鍵詞：牛頓環(huán)；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；LabVIEW

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）34-0279-02

一、引言

牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)難度大，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)諸多困難，如讀數(shù)顯微鏡的視場(chǎng)范圍很小，需要測(cè)量多個(gè)圓環(huán)的直徑，容易因?yàn)橐曈X(jué)疲勞導(dǎo)致環(huán)數(shù)記錯(cuò)，從而致使整個(gè)實(shí)驗(yàn)需從頭開(kāi)始；在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中桌面晃動(dòng)，或不小心碰了儀器等都會(huì)給實(shí)驗(yàn)造成較大的誤差。另外學(xué)生不會(huì)調(diào)節(jié)的時(shí)候，容易將牛頓環(huán)儀壓碎，從而損壞實(shí)驗(yàn)設(shè)備。虛擬儀器是在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，利用軟件在屏幕上生成各種儀器面板，通過(guò)接口電路配合計(jì)算機(jī)完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算、傳送、存儲(chǔ)及顯示，由軟件取代傳統(tǒng)儀器的硬件來(lái)完成儀器的功能。虛擬儀器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)，是計(jì)算機(jī)硬件資源、儀器與測(cè)控系統(tǒng)和虛擬儀器軟件資源三者的有效結(jié)合[1]。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，使用較為廣泛的是LabVIEW軟件，編程界面圖形化，是一個(gè)面向最終用戶(hù)的高效工具。應(yīng)用LabVIEW，設(shè)計(jì)者可以創(chuàng)建跟傳統(tǒng)儀器類(lèi)似的采集、控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出和用戶(hù)界面等功能的系統(tǒng)，并能脫離LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境運(yùn)行。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以克服實(shí)驗(yàn)室儀器品種、規(guī)格和數(shù)量不足、儀器易損壞的困難，可提高實(shí)驗(yàn)安全性和儀器使用率；將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將改變以教師為中心的傳授式教學(xué)模式；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有利于提高實(shí)驗(yàn)效率與效果；應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以豐富教學(xué)內(nèi)容，突破時(shí)空限制，便于資源共享。

二、牛頓環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域，常常利用牛頓環(huán)干涉現(xiàn)象進(jìn)行各種精密測(cè)量，如薄膜厚度、微小角度、曲面的曲率半徑等幾何測(cè)量，也應(yīng)用于檢查光學(xué)元件表面的光潔度、平整度、物體的膨脹系數(shù)監(jiān)測(cè)等。裝置是由一塊曲率半徑較大的平凸玻璃透鏡，以其凸面放在一塊光學(xué)玻璃平板上構(gòu)成的。平凸透鏡的凸面與玻璃平板之間的空氣層厚度從中心到邊緣逐漸增加，若以平行單色光垂直照射到牛頓環(huán)上，則經(jīng)空氣層上、下表面反射的兩束光存在光程差，它們?cè)谄酵雇哥R的凸面相遇后，將發(fā)生干涉。產(chǎn)生以玻璃接觸點(diǎn)為中心的一系列明暗相間的圓環(huán)，稱(chēng)為牛頓環(huán)[2]。觀(guān)察到的條紋亮度[3]（如圖）：

通過(guò)上式我們可以計(jì)算出牛頓環(huán)明暗條紋的半徑大小及條紋亮度的空間分布。

本仿真實(shí)驗(yàn)分為四大板塊（如圖1），“實(shí)驗(yàn)操作界面”是本系統(tǒng)的主要組成部分，“實(shí)驗(yàn)背景和原理”介紹牛頓環(huán)明暗條紋的產(chǎn)生原理及分布規(guī)律，第三板塊為“實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?，為了加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解，設(shè)置了第四板塊—思考題?！皩?shí)驗(yàn)操作界面”，左上區(qū)域?yàn)閮x器擺放及調(diào)節(jié)界面，左下角為實(shí)驗(yàn)儀器自由選擇區(qū)域，中下部設(shè)置了實(shí)驗(yàn)操作步驟提示區(qū)，點(diǎn)擊“上一步”、“下一步”可查看操作步驟，學(xué)生也可以不看提示自行探索；右上角區(qū)域是人眼從讀數(shù)顯微鏡目鏡中所觀(guān)察到的圖像，右下角為測(cè)量數(shù)據(jù)記錄及自動(dòng)處理區(qū)域。首先選擇儀器并擺放于正確位置，打開(kāi)鈉光燈并預(yù)熱一定時(shí)間便可開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，鼠標(biāo)移動(dòng)到儀器附近的藍(lán)色字附近，右邊出現(xiàn)相應(yīng)的操作提示，方便學(xué)生熟悉儀器和自學(xué)。首先調(diào)節(jié)反光鏡，初始狀態(tài)我們視野中是黑色的（隨機(jī)給出初始狀態(tài)），單擊“逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)反光鏡”，視野中逐漸變亮，當(dāng)鏡子完全背向我們時(shí)，視野中最亮。接下來(lái)調(diào)節(jié)半透半反鏡，直到視野中圖像清晰，為了測(cè)量，需要將十字叉絲調(diào)至橫平豎直，同時(shí)牛頓環(huán)移需要移動(dòng)到視野中央，本仿真實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了牛頓環(huán)儀的移動(dòng)方向和視野中圖像的移動(dòng)方向相反，符合顯微鏡成像的規(guī)律；這時(shí)我們發(fā)現(xiàn)視野中圖像仍然不夠清楚，需要調(diào)節(jié)焦距，為了達(dá)到最好的成像效果，還可以繼續(xù)微調(diào)半反鏡、反光鏡等，通過(guò)設(shè)置圖像算法，程序能夠?qū)λ胁僮鬟M(jìn)行反饋，實(shí)現(xiàn)目鏡中圖像的綜合實(shí)時(shí)變化，具有高度的仿真性。最后，進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)速率為x1時(shí)，單擊一下，圖像移動(dòng)千分之一毫米，保持了與真實(shí)儀器相同的精度，但是移動(dòng)太慢，為了兼顧效率，我們?cè)O(shè)置了x100的速率選擇按鈕，即單擊一下移動(dòng)十分之一毫米，本仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了主尺、鼓輪、圖像三者的同步聯(lián)動(dòng)，而且通過(guò)設(shè)置速率選擇做到了精度和效率的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。將10環(huán)到19環(huán)的左右側(cè)讀數(shù)填入表格，單擊“確定輸入完畢”按鈕，則內(nèi)置程序可自動(dòng)將暗環(huán)直徑和曲率半徑平均值算出。點(diǎn)擊退出程序，結(jié)束仿真實(shí)驗(yàn)（如圖2）。

三、討論總結(jié)

從教學(xué)模式講，實(shí)體實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)模式，將改變以教師為中心的傳授式教學(xué)模式，加強(qiáng)學(xué)生在學(xué)習(xí)活動(dòng)中的思考和創(chuàng)新，有利于培養(yǎng)學(xué)生掌握現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的能力和動(dòng)手能力。本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理非常煩瑣，仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)置數(shù)據(jù)處理程序，避免了煩瑣的計(jì)算，使學(xué)生可以專(zhuān)注于物理現(xiàn)象和規(guī)律本身；其次，牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)儀器調(diào)節(jié)難度大，不熟練的學(xué)生容易將牛頓環(huán)儀的玻璃壓碎，且會(huì)造成鈉光燈的過(guò)度損耗，仿真實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生在作實(shí)體實(shí)驗(yàn)前熟悉實(shí)驗(yàn)流程及注意事項(xiàng)，既能減少不必要的經(jīng)費(fèi)開(kāi)支，也大幅提高了教學(xué)效果，最后，采用虛擬仿真技術(shù)，可構(gòu)成開(kāi)放性的教學(xué)環(huán)境，使學(xué)生在宿舍、家里都可以進(jìn)行仿真操作，實(shí)現(xiàn)時(shí)間和空間的開(kāi)放性、自主型。本仿真實(shí)驗(yàn)的特色，從具體技術(shù)講，界面友好、易于操作、具有較強(qiáng)的交互性、較高的仿真性，實(shí)現(xiàn)了儀器調(diào)節(jié)與圖像質(zhì)量的同步變化，對(duì)于測(cè)量即保證了精度又兼顧了效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉君華.基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003：30-85.

[2]唐文強(qiáng)，楊端翠，韋名德.基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2014：150-157.

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