冉俊霞

(河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 河北 保定 071002)

張少朋

(河北大學(xué)體育教學(xué)部 河北 保定 071002)

葛大勇 宮紅欣

(河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 河北 保定 071002)

1 引言

光速的測(cè)定在光學(xué)的發(fā)展史上具有非常特殊而重要的意義[1].它不僅推動(dòng)了光學(xué)實(shí)驗(yàn)，也打破了光速無(wú)限的傳統(tǒng)觀念；在物理學(xué)理論研究的發(fā)展過(guò)程中，它不僅為粒子說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)的爭(zhēng)論提供了判定依據(jù)，而且最終推動(dòng)了愛(ài)因斯坦相對(duì)論理論的發(fā)展.在實(shí)驗(yàn)室中，由于受場(chǎng)地和空間的限制，最為常用的測(cè)定光速的方法是光拍頻法.而光拍頻法是一個(gè)比較抽象的概念，為了更好地理解光拍頻法測(cè)量光速的原理，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分為實(shí)驗(yàn)背景、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)操作、問(wèn)題討論及應(yīng)用提高幾部分.

隨著互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)設(shè)備的廣泛使用，學(xué)生在不同的設(shè)備上進(jìn)行在線預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)，甚至進(jìn)行在線仿真實(shí)驗(yàn)逐漸被提到國(guó)家教改層面上來(lái).因此，跨平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)仿真成為適應(yīng)未來(lái)發(fā)展的新趨勢(shì).

本文以HBuilder為開發(fā)平臺(tái)，以flash,3DMAX作為輔助工具，制作了基于Html5的跨平臺(tái)光速測(cè)量虛擬仿真平臺(tái).Html5最顯著的優(yōu)勢(shì)在于其跨平臺(tái)性，用Html5搭建的站點(diǎn)與應(yīng)用可以兼容PC端與移動(dòng)端、Windows與Linux、安卓與IOS[2,3].它可以輕易地移植到各種不同的開放平臺(tái)、應(yīng)用平臺(tái)上，打破各自為政的局面.本文利用Html5的這種特性，結(jié)合SVG矢量圖技術(shù)，對(duì)光速測(cè)定實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了整體設(shè)計(jì).平臺(tái)包括如圖1 所示幾個(gè)部分.

圖1 實(shí)驗(yàn)框圖

實(shí)驗(yàn)背景主要介紹了實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮凸馑贉y(cè)定實(shí)驗(yàn)的歷史，相對(duì)簡(jiǎn)單，在本文中不作詳細(xì)介紹，下面重點(diǎn)介紹其他幾個(gè)部分.

2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)中用到的儀器通常情況下是不能讓學(xué)生進(jìn)行拆卸的，因此，學(xué)生很難了解其內(nèi)部構(gòu)造，在本文儀器介紹部分將實(shí)驗(yàn)中用到的儀器部件利用3DMAX軟件制作成三維動(dòng)畫的形式立體展現(xiàn)，并將實(shí)驗(yàn)中不能拆開的儀器部件通過(guò)電腦動(dòng)畫動(dòng)態(tài)地拆分展示其內(nèi)部構(gòu)造，使學(xué)生更加清楚儀器的整體和內(nèi)部構(gòu)造，并在頭腦中形成立體印象，這部分內(nèi)容使實(shí)驗(yàn)中的不可見變?yōu)榭梢?如圖2所示，實(shí)驗(yàn)中用到的儀器整體以三維動(dòng)畫形式呈現(xiàn)在眼前，如電路控制箱、頻率計(jì)、示波器、光速測(cè)量?jī)x等，其中光速測(cè)量?jī)x的具體組成的各部分：激光器、聲光器件、斬光器、各種全反鏡和半透半反鏡、棱鏡小車及光電接收盒等可通過(guò)動(dòng)畫的形式展現(xiàn)其內(nèi)部細(xì)節(jié)，如圖3所示，斬光器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可通過(guò)動(dòng)畫拆分展示，使學(xué)生對(duì)其內(nèi)部構(gòu)造有一個(gè)清楚的印象，這在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中是做不到的.

圖2 儀器介紹

圖3 斬光器的構(gòu)造

3 實(shí)驗(yàn)原理

光拍頻的原理抽象，復(fù)雜難懂，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)原理理解不透、似懂非懂.因此本平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)原理部分，將其分為基本概念、光拍頻波、光速測(cè)量3個(gè)部分，分別用文字、動(dòng)態(tài)曲線、動(dòng)畫展示實(shí)驗(yàn)原理及測(cè)量過(guò)程中的重點(diǎn)及難點(diǎn)，比如，光拍頻的形成是光速測(cè)量實(shí)驗(yàn)中非常重要又抽象的概念，學(xué)生理解起來(lái)非常困難，而本文利用動(dòng)畫將不可見變?yōu)榭梢?，將合成的拍頻波以動(dòng)畫方式展現(xiàn)出來(lái)，讓學(xué)生一目了然地看到光拍頻波，如圖4所示.通過(guò)這種方式，使學(xué)生對(duì)光拍頻等類似抽象的概念更加深入理解.

圖4 實(shí)驗(yàn)原理

4 實(shí)驗(yàn)操作

“實(shí)驗(yàn)操作”是本平臺(tái)的一個(gè)亮點(diǎn)內(nèi)容，通過(guò)我們精心設(shè)計(jì)，使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟更加清晰，這部分分為實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)刹糠?因?yàn)楣馑贉y(cè)定實(shí)驗(yàn)操作的重點(diǎn)是調(diào)節(jié)光路，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量并計(jì)算.利用本平臺(tái)，學(xué)生可以按照實(shí)際操作步驟在移動(dòng)終端或者電腦上進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，就像真正的做實(shí)驗(yàn)一樣，進(jìn)行儀器的連線，光學(xué)器件的調(diào)節(jié)，與真實(shí)做實(shí)驗(yàn)時(shí)一樣，每個(gè)環(huán)節(jié)、步驟也都可以像真正做實(shí)驗(yàn)一樣調(diào)節(jié)，如圖5所示.使學(xué)生在電腦上、手機(jī)上就能有身臨其境的感覺(jué)，達(dá)到智能化效果.

圖5 實(shí)驗(yàn)操作

在本環(huán)節(jié)為了使學(xué)生對(duì)操作步驟掌握清楚，整個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟清晰地列在右方，如圖5所示，這樣使復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)操作變?yōu)楹?jiǎn)單.如果學(xué)生在平臺(tái)中熟悉了實(shí)驗(yàn)步驟，真正做實(shí)驗(yàn)時(shí)就可以得心應(yīng)手，盡快進(jìn)入狀態(tài).并且還可以保護(hù)儀器免受誤操作的危害.

在仿真實(shí)驗(yàn)中，還可以像真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣移動(dòng)棱鏡小車，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如圖6所示.讀取數(shù)據(jù)完畢后可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步的處理.

圖6 數(shù)據(jù)采集

5 應(yīng)用提高

“應(yīng)用提高”部分也是本平臺(tái)的一大特色.在這部分，通過(guò)動(dòng)畫展示了利用光速測(cè)量的歷史進(jìn)程，如圖7所示.

圖7 應(yīng)用提高

通過(guò)不同的圖片和動(dòng)畫展示了光速測(cè)量的各種方法和應(yīng)用，例如，該模塊中介紹了旋轉(zhuǎn)齒輪法、旋轉(zhuǎn)鏡法等測(cè)量光速的方法以及量子通信的應(yīng)用.通過(guò)這個(gè)模塊可以讓學(xué)生對(duì)光速測(cè)量的方法和應(yīng)用有一個(gè)整體的認(rèn)識(shí).

6 結(jié)束語(yǔ)

本平臺(tái)操作簡(jiǎn)單，可根據(jù)菜單選擇每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，還可通過(guò)每個(gè)界面的順序菜單按鈕依次進(jìn)行操作.實(shí)驗(yàn)操作中每一步都有提示，方便學(xué)生和教師進(jìn)行操作.

本平臺(tái)采用Html5語(yǔ)言編程制作，結(jié)合javascript制作交互式動(dòng)畫，其交互性強(qiáng)、具有跨平臺(tái)使用等優(yōu)點(diǎn).由于在Html5中使用了SVG矢量圖技術(shù)，整個(gè)平臺(tái)畫面清新典雅，放大后不會(huì)失真.由于本軟件的跨平臺(tái)性，學(xué)生可通過(guò)手機(jī)、iPad或平板、電腦使用本平臺(tái)，教師可以更加快速、方便地指導(dǎo)學(xué)生.學(xué)生也可通過(guò)本平臺(tái)進(jìn)行預(yù)習(xí)、自學(xué).

本仿真平臺(tái)已獲河北省教育廳舉辦的課件大賽一等獎(jiǎng).