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        基于LabVIEW牛頓環(huán)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)*

        2019-06-29 07:08:30楊景發(fā)申文增楊子毅張建飛李波胡英楠
        物理通報(bào) 2019年7期
        關(guān)鍵詞:程序框圖前面板數(shù)組

        楊景發(fā) 申文增 楊子毅 張建飛 李波 胡英楠

        (河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 河北 保定 071002) (河北大學(xué)醫(yī)學(xué)院 河北 保定 071000)(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

        翻轉(zhuǎn)課堂、MOOCs以其全新的教育思想觀念、新型的教與學(xué)方式和教學(xué)模式,受到全球教育界的熱烈追捧,基于Flash,LabVIEW,Unity3D等平臺(tái),開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目成為研發(fā)的熱點(diǎn)[1,2].常規(guī)的牛頓環(huán)實(shí)體實(shí)驗(yàn),受實(shí)驗(yàn)相干參數(shù)多、干涉條紋變化不明顯、不易觀察等影響,致使操作中難以直觀、充分展示實(shí)驗(yàn)的全部特征,特別是不能呈現(xiàn)光的粒子性;另外,受時(shí)空制約,學(xué)生無法進(jìn)行針對性的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、重點(diǎn)重復(fù)操作和復(fù)習(xí),直接影響了實(shí)驗(yàn)的操作學(xué)習(xí)效果[3~5].

        本文依據(jù)光的干涉理論,基于LabVIEW語言,設(shè)計(jì)虛擬儀器的前面板和后面板程序,開發(fā)了牛頓環(huán)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),學(xué)生如同使用真實(shí)儀器一樣,可動(dòng)態(tài)直觀地觀察分析各輸入?yún)⒘康淖兓瘜Ω缮鎴D案的影響,且可彌補(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容的一些不足.

        2 牛頓環(huán)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)原理

        在一塊光平的玻璃板上,放一曲率半徑R很大的平凸透鏡,當(dāng)平行光束垂直射向平凸透鏡時(shí),在透鏡表面可以觀察到以接觸點(diǎn)為中心的同心圓,稱為牛頓環(huán),它是一種由“環(huán)狀劈尖”形成的等厚干涉現(xiàn)象[6,7],實(shí)驗(yàn)光路圖如圖1所示.

        圖1 牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)光路圖

        設(shè)波長為λ的垂直入射光經(jīng)PP′處空氣薄膜上下表面反射的相干光的光程差為

        根據(jù)干涉理論,牛頓環(huán)出現(xiàn)明、暗紋條件

        由此可知,合光強(qiáng)與介質(zhì)的折射率n,平凸透鏡的曲率半徑R,入射光的波長λ,透鏡頂點(diǎn)與平面玻璃間的距離e,某一級(jí)干涉條紋的半徑r等直接關(guān)聯(lián),基于此確定了基于LabVIEW牛頓環(huán)虛擬實(shí)驗(yàn)自教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)流程框圖,如圖2所示.

        圖2 設(shè)計(jì)流程框圖

        3 牛頓環(huán)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

        基于LabVIEW牛頓環(huán)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)目的是對經(jīng)典物理現(xiàn)象“牛頓環(huán)”的虛擬仿真再現(xiàn),包括用連續(xù)線和離散點(diǎn)對牛頓環(huán)的干涉條紋進(jìn)行了直觀展示,分為虛擬儀器的前面板和后面板程序設(shè)計(jì)[8,9].

        3.1 牛頓環(huán)Vi前面板設(shè)計(jì)

        牛頓環(huán)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的前面板見圖3,主要分為3個(gè)板塊:

        (1)自主學(xué)習(xí),如圖3(a)所示;

        (2)實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置,如圖3(c)所示;

        (3)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象展示,如圖3(b)所示.

        其中,自主學(xué)習(xí)板塊包括實(shí)驗(yàn)原理介紹和實(shí)體實(shí)驗(yàn)儀器介紹(圖4),由文字介紹及相關(guān)圖片組成;實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置則由7個(gè)輸入控件構(gòu)成,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象展示由3個(gè)輸出控件組成.

        圖3 牛頓環(huán)虛擬儀器前面板

        圖4 牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)實(shí)體儀器

        3.2 實(shí)驗(yàn)理論介紹后面板程序設(shè)計(jì)

        主界面右半部分為實(shí)驗(yàn)理論介紹部分,前面板首先采用對Vi所在的當(dāng)前路徑拆分兩次作為基路徑以及通過對相對路徑的引用實(shí)現(xiàn)主界面圖片信息路徑的引入,程序框圖如圖5所示.

        圖5 圖片路徑引用程序框圖

        路徑信息引入后,采用順序結(jié)構(gòu),首先將圖片引入圖片路徑,然后通過對屬性節(jié)點(diǎn)的引用將圖片變換,最終將圖片進(jìn)行繪制.

        主界面程序框圖如圖6所示.

        圖6 主界面程序框圖

        3.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象展示后面板程序設(shè)計(jì)

        如圖3(b)所示,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的前面板右半部分下方是“折射率、半徑、頂點(diǎn)、波長、圖形寬度、光點(diǎn)個(gè)數(shù)”和“連續(xù)線/離散點(diǎn)”7個(gè)不同形式的參數(shù)輸入“旋鈕”和“滑桿”控件;右半部分上方是牛頓環(huán)形成圖案的3個(gè)模擬“輸出窗口”,即光強(qiáng)輸出采用“波形圖/強(qiáng)度圖/三維曲面圖”控件,來顯示牛頓環(huán)圖像在某一y處x方向的曲線圖、二維等高圖和三維曲面圖分布.

        后面板利用兩層“for循環(huán)”進(jìn)行嵌套,當(dāng)輸入?yún)⒘孔兓瘯r(shí),利用每層循環(huán)內(nèi)嵌入的公式節(jié)點(diǎn)內(nèi)編寫的函數(shù)關(guān)系,組合產(chǎn)生一個(gè)一維數(shù)組,將產(chǎn)生的“數(shù)組”及“數(shù)組2”兩個(gè)一維數(shù)組通過“替換數(shù)組子集”控件鏈接成一個(gè)二維數(shù)組即得到的模擬光強(qiáng)數(shù)(I)數(shù)據(jù)暫存,后臺(tái)程序框圖如圖7所示.

        圖7 模擬光強(qiáng)二維數(shù)組后面板程序圖

        對“連續(xù)線/離散點(diǎn)”選擇按鈕添加“條件結(jié)構(gòu)”,當(dāng)按鈕按下時(shí),即為條件結(jié)構(gòu)的“真”分支,在該分支中,嵌入“for循環(huán)”,循環(huán)內(nèi)部通過產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù),對“模擬光強(qiáng)數(shù)組”的牽引,產(chǎn)生一個(gè)新的“數(shù)組”,將光以“點(diǎn)”的形式體現(xiàn),即為用光點(diǎn)數(shù)模擬光強(qiáng)數(shù)據(jù);連續(xù)線/離散點(diǎn)按鈕彈開時(shí),即為條件結(jié)構(gòu)的“假”分支,在該分支中,直接通過對模擬光強(qiáng)數(shù)組局部變量的引用,將以連續(xù)線模擬光強(qiáng)數(shù)據(jù)輸出,后面板程序圖如圖8所示.

        圖8 光強(qiáng)數(shù)據(jù)模擬

        “二維等高圖”以及“三維曲面圖”的呈現(xiàn):調(diào)節(jié)曲線位置輸入控件,可實(shí)現(xiàn)對“模擬光強(qiáng)數(shù)組”索引的控制,從而實(shí)現(xiàn)二維等高圖不同輸出位置的調(diào)節(jié).將“模擬光強(qiáng)數(shù)組”經(jīng)過索引,運(yùn)用波形圖輸出控件實(shí)現(xiàn)二維等高圖展示.將模擬光強(qiáng)數(shù)組通過“三維曲面VI”控件直接索引實(shí)現(xiàn)三維曲面圖的展示,后面板程序圖如圖9所示.

        圖9 二維等高圖/三維曲面圖繪制程序圖

        4 結(jié)束語

        學(xué)生進(jìn)入牛頓環(huán)虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)操作界面,通過調(diào)節(jié)前面板的7個(gè)輸入和3個(gè)輸出控件,可以對各參數(shù)對牛頓環(huán)圖案的關(guān)系進(jìn)行直觀動(dòng)態(tài)地交互模擬展示,圖10是其他參數(shù)相同,改變曲率半徑時(shí)牛頓環(huán)條紋圖樣,可以看出當(dāng)R=1 m時(shí)條紋較密,動(dòng)態(tài)仿真可給出逼真實(shí)時(shí)的效果.

        圖10 曲率半徑改變時(shí)牛頓環(huán)干涉圖像(其他參數(shù)相同)

        圖11是選擇離散點(diǎn),其他參數(shù)相同,改變光點(diǎn)數(shù)時(shí)牛頓環(huán)條紋圖樣,由動(dòng)態(tài)仿真可以明顯看出牛頓環(huán)條紋由離散點(diǎn)到連續(xù)線的形成過程.

        圖11 改變光點(diǎn)數(shù)時(shí)牛頓環(huán)條紋圖樣

        自學(xué)習(xí)板塊的設(shè)計(jì)既體現(xiàn)“教”“學(xué)”互動(dòng)環(huán)節(jié),又便于學(xué)生自學(xué)習(xí);打通了實(shí)驗(yàn)教學(xué)鏈的“課前預(yù)習(xí)”“課中解疑”和“課后復(fù)習(xí)”環(huán)節(jié),既保證了有效課時(shí),又保證了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的縱深度,以學(xué)生為中心,高效、安全、經(jīng)濟(jì)!

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