基于LabVIEW的牛頓環(huán)虛擬仿真實驗設(shè)計

陳建勇

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

關(guān)鍵詞：牛頓環(huán)；虛擬仿真實驗；LabVIEW

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）34-0279-02

一、引言

牛頓環(huán)實驗難度大，在實驗教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)諸多困難，如讀數(shù)顯微鏡的視場范圍很小，需要測量多個圓環(huán)的直徑，容易因為視覺疲勞導(dǎo)致環(huán)數(shù)記錯，從而致使整個實驗需從頭開始；在實驗過程中桌面晃動，或不小心碰了儀器等都會給實驗造成較大的誤差。另外學(xué)生不會調(diào)節(jié)的時候，容易將牛頓環(huán)儀壓碎，從而損壞實驗設(shè)備。虛擬儀器是在以計算機為核心的硬件平臺上，利用軟件在屏幕上生成各種儀器面板，通過接口電路配合計算機完成對數(shù)據(jù)的采集、計算、傳送、存儲及顯示，由軟件取代傳統(tǒng)儀器的硬件來完成儀器的功能。虛擬儀器是現(xiàn)代計算機技術(shù)和儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，是當今計算機輔助測試領(lǐng)域的一項重要技術(shù)，是計算機硬件資源、儀器與測控系統(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，是一個面向最終用戶的高效工具。應(yīng)用LabVIEW，設(shè)計者可以創(chuàng)建跟傳統(tǒng)儀器類似的采集、控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出和用戶界面等功能的系統(tǒng)，并能脫離LabVIEW開發(fā)環(huán)境運行。虛擬仿真實驗可以克服實驗室儀器品種、規(guī)格和數(shù)量不足、儀器易損壞的困難，可提高實驗安全性和儀器使用率；將虛擬仿真實驗運用于物理實驗教學(xué)，將改變以教師為中心的傳授式教學(xué)模式；虛擬仿真實驗有利于提高實驗效率與效果；應(yīng)用虛擬仿真實驗，可以豐富教學(xué)內(nèi)容，突破時空限制，便于資源共享。

二、牛頓環(huán)仿真實驗設(shè)計與實現(xiàn)

在光學(xué)測量領(lǐng)域，常常利用牛頓環(huán)干涉現(xiàn)象進行各種精密測量，如薄膜厚度、微小角度、曲面的曲率半徑等幾何測量，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，它們在平凸透鏡的凸面相遇后，將發(fā)生干涉。產(chǎn)生以玻璃接觸點為中心的一系列明暗相間的圓環(huán)，稱為牛頓環(huán)[2]。觀察到的條紋亮度[3]（如圖）：

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

本仿真實驗分為四大板塊（如圖1），“實驗操作界面”是本系統(tǒng)的主要組成部分，“實驗背景和原理”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“實驗?zāi)康摹?，為了加深學(xué)生對實驗的理解，設(shè)置了第四板塊—思考題?！皩嶒灢僮鹘缑妗?，左上區(qū)域為儀器擺放及調(diào)節(jié)界面，左下角為實驗儀器自由選擇區(qū)域，中下部設(shè)置了實驗操作步驟提示區(qū)，點擊“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)顯微鏡目鏡中所觀察到的圖像，右下角為測量數(shù)據(jù)記錄及自動處理區(qū)域。首先選擇儀器并擺放于正確位置，打開鈉光燈并預(yù)熱一定時間便可開始實驗，鼠標移動到儀器附近的藍色字附近，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（隨機給出初始狀態(tài)），單擊“逆時針轉(zhuǎn)動反光鏡”，視野中逐漸變亮，當鏡子完全背向我們時，視野中最亮。接下來調(diào)節(jié)半透半反鏡，直到視野中圖像清晰，為了測量，需要將十字叉絲調(diào)至橫平豎直，同時牛頓環(huán)移需要移動到視野中央，本仿真實驗中實現(xiàn)了牛頓環(huán)儀的移動方向和視野中圖像的移動方向相反，符合顯微鏡成像的規(guī)律；這時我們發(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，通過設(shè)置圖像算法，程序能夠?qū)λ胁僮鬟M行反饋，實現(xiàn)目鏡中圖像的綜合實時變化，具有高度的仿真性。最后，進行數(shù)據(jù)測量，當轉(zhuǎn)動速率為x1時，單擊一下，圖像移動千分之一毫米，保持了與真實儀器相同的精度，但是移動太慢，為了兼顧效率，我們設(shè)置了x100的速率選擇按鈕，即單擊一下移動十分之一毫米，本仿真系統(tǒng)實現(xiàn)了主尺、鼓輪、圖像三者的同步聯(lián)動，而且通過設(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)置程序可自動將暗環(huán)直徑和曲率半徑平均值算出。點擊退出程序，結(jié)束仿真實驗（如圖2）。

三、討論總結(jié)

從教學(xué)模式講，實體實驗與虛擬仿真實驗相結(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，加強學(xué)生在學(xué)習(xí)活動中的思考和創(chuàng)新，有利于培養(yǎng)學(xué)生掌握現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的能力和動手能力。本實驗的數(shù)據(jù)處理非常煩瑣，仿真實驗系統(tǒng)內(nèi)置數(shù)據(jù)處理程序，避免了煩瑣的計算，使學(xué)生可以專注于物理現(xiàn)象和規(guī)律本身；其次，牛頓環(huán)實驗儀器調(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，且會造成鈉光燈的過度損耗，仿真實驗可以使學(xué)生在作實體實驗前熟悉實驗流程及注意事項，既能減少不必要的經(jīng)費開支，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)成開放性的教學(xué)環(huán)境，使學(xué)生在宿舍、家里都可以進行仿真操作，實現(xiàn)時間和空間的開放性、自主型。本仿真實驗的特色，從具體技術(shù)講，界面友好、易于操作、具有較強的交互性、較高的仿真性，實現(xiàn)了儀器調(diào)節(jié)與圖像質(zhì)量的同步變化，對于測量即保證了精度又兼顧了效率。

參考文獻：

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

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

[3]波恩.光學(xué)原理[M].北京：高等教育出版社出版，2002：42-45.