基于html5的跨平臺光速測定實驗仿真平臺*

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].它不僅推動了光學(xué)實驗，也打破了光速無限的傳統(tǒng)觀念；在物理學(xué)理論研究的發(fā)展過程中，它不僅為粒子說和波動說的爭論提供了判定依據(jù)，而且最終推動了愛因斯坦相對論理論的發(fā)展.在實驗室中，由于受場地和空間的限制，最為常用的測定光速的方法是光拍頻法.而光拍頻法是一個比較抽象的概念，為了更好地理解光拍頻法測量光速的原理，本實驗平臺分為實驗背景、實驗原理、實驗儀器、實驗操作、問題討論及應(yīng)用提高幾部分.

隨著互聯(lián)網(wǎng)和移動設(shè)備的廣泛使用，學(xué)生在不同的設(shè)備上進行在線預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)，甚至進行在線仿真實驗逐漸被提到國家教改層面上來.因此，跨平臺的實驗仿真成為適應(yīng)未來發(fā)展的新趨勢.

本文以HBuilder為開發(fā)平臺，以flash,3DMAX作為輔助工具，制作了基于Html5的跨平臺光速測量虛擬仿真平臺.Html5最顯著的優(yōu)勢在于其跨平臺性，用Html5搭建的站點與應(yīng)用可以兼容PC端與移動端、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、應(yīng)用平臺上，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)，對光速測定實驗進行了整體設(shè)計.平臺包括如圖1 所示幾個部分.

圖1 實驗框圖

實驗背景主要介紹了實驗?zāi)康暮凸馑贉y定實驗的歷史，相對簡單，在本文中不作詳細介紹，下面重點介紹其他幾個部分.

2 實驗儀器

實驗中用到的儀器通常情況下是不能讓學(xué)生進行拆卸的，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驗中用到的儀器部件利用3DMAX軟件制作成三維動畫的形式立體展現(xiàn)，并將實驗中不能拆開的儀器部件通過電腦動畫動態(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)容使實驗中的不可見變?yōu)榭梢?如圖2所示，實驗中用到的儀器整體以三維動畫形式呈現(xiàn)在眼前，如電路控制箱、頻率計、示波器、光速測量儀等，其中光速測量儀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動畫的形式展現(xiàn)其內(nèi)部細節(jié)，如圖3所示，斬光器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可通過動畫拆分展示，使學(xué)生對其內(nèi)部構(gòu)造有一個清楚的印象，這在真實實驗中是做不到的.

圖2 儀器介紹

圖3 斬光器的構(gòu)造

3 實驗原理

光拍頻的原理抽象，復(fù)雜難懂，學(xué)生在實驗過程中對原理理解不透、似懂非懂.因此本平臺的實驗原理部分，將其分為基本概念、光拍頻波、光速測量3個部分，分別用文字、動態(tài)曲線、動畫展示實驗原理及測量過程中的重點及難點，比如，光拍頻的形成是光速測量實驗中非常重要又抽象的概念，學(xué)生理解起來非常困難，而本文利用動畫將不可見變?yōu)榭梢姡瑢⒑铣傻呐念l波以動畫方式展現(xiàn)出來，讓學(xué)生一目了然地看到光拍頻波，如圖4所示.通過這種方式，使學(xué)生對光拍頻等類似抽象的概念更加深入理解.

圖4 實驗原理

4 實驗操作

“實驗操作”是本平臺的一個亮點內(nèi)容，通過我們精心設(shè)計，使學(xué)生對實驗步驟更加清晰，這部分分為實驗調(diào)節(jié)和實驗測量兩部分.因為光速測定實驗操作的重點是調(diào)節(jié)光路，然后再進行數(shù)據(jù)測量并計算.利用本平臺，學(xué)生可以按照實際操作步驟在移動終端或者電腦上進行虛擬實驗，就像真正的做實驗一樣，進行儀器的連線，光學(xué)器件的調(diào)節(jié)，與真實做實驗時一樣，每個環(huán)節(jié)、步驟也都可以像真正做實驗一樣調(diào)節(jié)，如圖5所示.使學(xué)生在電腦上、手機上就能有身臨其境的感覺，達到智能化效果.

圖5 實驗操作

在本環(huán)節(jié)為了使學(xué)生對操作步驟掌握清楚，整個實驗步驟清晰地列在右方，如圖5所示，這樣使復(fù)雜的實驗操作變?yōu)楹唵?如果學(xué)生在平臺中熟悉了實驗步驟，真正做實驗時就可以得心應(yīng)手，盡快進入狀態(tài).并且還可以保護儀器免受誤操作的危害.

在仿真實驗中，還可以像真實實驗一樣移動棱鏡小車，進行數(shù)據(jù)采集，如圖6所示.讀取數(shù)據(jù)完畢后可對數(shù)據(jù)進行下一步的處理.

圖6 數(shù)據(jù)采集

5 應(yīng)用提高

“應(yīng)用提高”部分也是本平臺的一大特色.在這部分，通過動畫展示了利用光速測量的歷史進程，如圖7所示.

圖7 應(yīng)用提高

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

6 結(jié)束語

本平臺操作簡單，可根據(jù)菜單選擇每個實驗項目，還可通過每個界面的順序菜單按鈕依次進行操作.實驗操作中每一步都有提示，方便學(xué)生和教師進行操作.

本平臺采用Html5語言編程制作，結(jié)合javascript制作交互式動畫，其交互性強、具有跨平臺使用等優(yōu)點.由于在Html5中使用了SVG矢量圖技術(shù)，整個平臺畫面清新典雅，放大后不會失真.由于本軟件的跨平臺性，學(xué)生可通過手機、iPad或平板、電腦使用本平臺，教師可以更加快速、方便地指導(dǎo)學(xué)生.學(xué)生也可通過本平臺進行預(yù)習(xí)、自學(xué).

本仿真平臺已獲河北省教育廳舉辦的課件大賽一等獎.