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，開發(fā)虛擬仿真實驗項目成為研發(fā)的熱點[1,2]．常規(guī)的牛頓環(huán)實體實驗，受實驗相干參數(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、充分展示實驗的全部特征，特別是不能呈現(xiàn)光的粒子性；另外,受時空制約，學(xué)生無法進(jìn)行針對性的實驗預(yù)習(xí)、重點重復(fù)操作和復(fù)習(xí)，直接影響了實驗的操作學(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)虛擬實驗平臺，學(xué)生如同使用真實儀器一樣，可動態(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,且可彌補真實實驗操作內(nèi)容的一些不足．

2 牛頓環(huán)虛擬實驗平臺設(shè)計原理

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，在透鏡表面可以觀察到以接觸點為中心的同心圓，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]，實驗光路圖如圖1所示.

圖1 牛頓環(huán)實驗光路圖

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，透鏡頂點與平面玻璃間的距離e，某一級干涉條紋的半徑r等直接關(guān)聯(lián)，基于此確定了基于LabVIEW牛頓環(huán)虛擬實驗自教學(xué)平臺的設(shè)計流程框圖，如圖2所示.

圖2 設(shè)計流程框圖

3 牛頓環(huán)虛擬實驗平臺設(shè)計

基于LabVIEW牛頓環(huán)虛擬實驗平臺的設(shè)計目的是對經(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[8,9]．

3.1 牛頓環(huán)Vi前面板設(shè)計

牛頓環(huán)虛擬實驗平臺的前面板見圖3，主要分為3個板塊：

(1)自主學(xué)習(xí)，如圖3(a)所示；

(2)實驗參數(shù)設(shè)置，如圖3(c)所示；

(3)實驗現(xiàn)象展示，如圖3(b)所示．

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

圖3 牛頓環(huán)虛擬儀器前面板

圖4 牛頓環(huán)實驗實體儀器

3.2 實驗理論介紹后面板程序設(shè)計

主界面右半部分為實驗理論介紹部分，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 實驗參數(shù)設(shè)置及實驗現(xiàn)象展示后面板程序設(shè)計

如圖3(b)所示，實驗平臺的前面板右半部分下方是“折射率、半徑、頂點、波長、圖形寬度、光點個數(shù)”和“連續(xù)線/離散點”7個不同形式的參數(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個模擬“輸出窗口”，即光強輸出采用“波形圖/強度圖/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，利用每層循環(huán)內(nèi)嵌入的公式節(jié)點內(nèi)編寫的函數(shù)關(guān)系，組合產(chǎn)生一個一維數(shù)組，將產(chǎn)生的“數(shù)組”及“數(shù)組2”兩個一維數(shù)組通過“替換數(shù)組子集”控件鏈接成一個二維數(shù)組即得到的模擬光強數(shù)(I)數(shù)據(jù)暫存，后臺程序框圖如圖7所示.

圖7 模擬光強二維數(shù)組后面板程序圖

對“連續(xù)線/離散點”選擇按鈕添加“條件結(jié)構(gòu)”，當(dāng)按鈕按下時，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“模擬光強數(shù)組”的牽引，產(chǎn)生一個新的“數(shù)組”，將光以“點”的形式體現(xiàn)，即為用光點數(shù)模擬光強數(shù)據(jù)；連續(xù)線/離散點按鈕彈開時，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數(shù)組局部變量的引用，將以連續(xù)線模擬光強數(shù)據(jù)輸出，后面板程序圖如圖8所示.

圖8 光強數(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，可實現(xiàn)對“模擬光強數(shù)組”索引的控制，從而實現(xiàn)二維等高圖不同輸出位置的調(diào)節(jié)．將“模擬光強數(shù)組”經(jīng)過索引，運用波形圖輸出控件實現(xiàn)二維等高圖展示．將模擬光強數(shù)組通過“三維曲面VI”控件直接索引實現(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)虛擬實驗臺操作界面，通過調(diào)節(jié)前面板的7個輸入和3個輸出控件，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，改變曲率半徑時牛頓環(huán)條紋圖樣，可以看出當(dāng)R=1 m時條紋較密，動態(tài)仿真可給出逼真實時的效果．

圖10 曲率半徑改變時牛頓環(huán)干涉圖像(其他參數(shù)相同)

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

圖11 改變光點數(shù)時牛頓環(huán)條紋圖樣

自學(xué)習(xí)板塊的設(shè)計既體現(xiàn)“教”“學(xué)”互動環(huán)節(jié)，又便于學(xué)生自學(xué)習(xí)；打通了實驗教學(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，又保證了實驗內(nèi)容的縱深度，以學(xué)生為中心，高效、安全、經(jīng)濟(jì)！