基于LabVIEW的測量介質(zhì)折射率實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王鈺博 徐湛博 呂瑞哲 徐少川

摘要：文章設(shè)置了一個(gè)采用LabVIEW技術(shù)開發(fā)的測量介質(zhì)折射率實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)打破了常規(guī)課程中對時(shí)間和空間的束縛，在確定了測試要求的條件下大大降低了測試的難度，不僅能讓試驗(yàn)進(jìn)行的更為直接，還能增強(qiáng)學(xué)習(xí)者對試驗(yàn)成果的認(rèn)知。通過實(shí)驗(yàn)，證明了該系統(tǒng)可以應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，具有較好的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)；虛擬實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：中圖分類號

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文獻(xiàn)標(biāo)志碼

0 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，學(xué)生的綜合發(fā)展愈發(fā)重要。與課本息息相關(guān)的實(shí)驗(yàn)活動不僅可以加深學(xué)生對課本內(nèi)容的了解，還提高了學(xué)生的實(shí)際動手能力，對學(xué)生的綜合能力發(fā)展有至關(guān)重要。對于實(shí)驗(yàn)的理解與操作是當(dāng)今學(xué)生必不可少的學(xué)習(xí)項(xiàng)目。

近年來，由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)室、線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)成為一種新興的教學(xué)手段^［1］。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，誕生在虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)和中國傳統(tǒng)教學(xué)活動的深度融合中，它是一種全新的教育實(shí)踐教學(xué)模式，通過使用虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)所特有的互動性、沉浸感和想象力^［2］，可以指導(dǎo)學(xué)習(xí)者在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)踐作業(yè)，并以此訓(xùn)練其對科學(xué)實(shí)驗(yàn)信息的準(zhǔn)備、對科學(xué)實(shí)驗(yàn)的操作、對科學(xué)實(shí)驗(yàn)信息的處理方面的知識與技能。

為此，該項(xiàng)目針對現(xiàn)狀設(shè)計(jì)了一個(gè)基于LabVIEW的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用于處理教學(xué)與實(shí)踐脫節(jié)、實(shí)際操作復(fù)雜、光學(xué)應(yīng)用試驗(yàn)儀器相對價(jià)格昂貴、試驗(yàn)結(jié)果讀數(shù)比較麻煩等一些可能出現(xiàn)的情況，利用這種創(chuàng)新的方式不但能夠使教師比較直接地給學(xué)生展示試驗(yàn)，而且能夠增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。

1 實(shí)驗(yàn)舉例分析

利用邁克爾遜干涉儀測量介質(zhì)折射率實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)根據(jù)“測量介質(zhì)折射率”實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)原理，如圖1所示。

其中，M₁，M₂均為一個(gè)平面反射鏡。M₁為固定平面鏡，調(diào)節(jié)其位置時(shí)通過導(dǎo)軌進(jìn)行前后移動；G₁，G₂是厚度和折射率都完全相同的一對平行玻璃板，與M₁，M₂均成45°角；G₁的后表面鍍有半反半透膜A^［3］。

光源S發(fā)出的光束透過G₁和G₂后被M₁反射，再透過G₂，經(jīng)G₂后表面半反半透膜A反射到觀察點(diǎn)E。光束2兩次通過G₁后被M₂反射，再透過G₁到達(dá)觀察點(diǎn)E。光束1兩次通過G₂，光束2兩次通過G₁，由于G₁，G₂厚度相同，所以如果想要計(jì)算光束1和光束2的光程差，只需計(jì)算空氣中的光程差即可。

觀察者從E處向G₁看去，除直接看到M₂外，還會看到M₁經(jīng)過A的成像M₁′，光束1和光束2就如同是從M₂，M₁′中反射過來，因此邁克爾遜干涉儀中所產(chǎn)生的干涉和M₂～ M₁′間形成的空氣薄膜的干涉等效。

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)者需先打開光源開關(guān)，調(diào)節(jié)旋鈕得到一個(gè)易于觀察的干涉圖樣，在光束2內(nèi)，即在G₁與M₂之間插入一塊折射率為n，厚度為L的待測透明介質(zhì)P（待測介質(zhì)與光線傳播方向垂直），最后調(diào)出與之前同一位置的干涉圖樣。

設(shè)反面鏡M₂移動的距離為d，空氣折射率為n₀，則有以下關(guān)系式：

通過兩次試驗(yàn)后出現(xiàn)白光干涉條紋的讀數(shù)差得到d。由于介質(zhì)厚度L已知，再由已知的空氣折射率n₀代入公式，即可計(jì)算出待測透明介質(zhì)折射率n。該仿真系統(tǒng)根據(jù)以上推導(dǎo)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與開發(fā)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由PC端、接口、數(shù)據(jù)采集卡、圖形采集儀器組成。硬件設(shè)備為PC端：僅需計(jì)算機(jī)即可，該系統(tǒng)兼容臺式計(jì)算機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)。串行接口主要起到數(shù)據(jù)雙向通信的作用。數(shù)據(jù)采集卡用于捕獲外界的模擬信號并將其數(shù)據(jù)化導(dǎo)入PC端進(jìn)行數(shù)字處理。圖形采集儀器用于圖像的采集，并將其發(fā)送至PC端，PC端與顯示屏連接顯示仿真界面，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 軟件開發(fā)

該軟件以LabVIEW為開發(fā)平臺，LabVIEW所使用的圖形化編程語言—G語言，具有豐富的函數(shù)庫^［4］。該軟件以圖標(biāo)形式表示函數(shù)，并通過直線連接來描述信息的傳播方向。與其它開發(fā)平臺相比，LabVIEW具有使用環(huán)境更普遍、更易于上手、更容易編程的特性^［5］，圖3為測量介質(zhì)折射率的調(diào)節(jié)狀態(tài)程序框圖。圖4為測量介質(zhì)折射率的選擇不同介質(zhì)程序框圖。

由圖3和圖4可看出由LabVIEW設(shè)計(jì)出的界面簡潔、直觀，即使后期發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在缺陷，可以做到有針對性的修改。

在軟件開發(fā)中，該系統(tǒng)同時(shí)考慮到了學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)概念的理解，對于基本的光路圖是否有所了解，因此系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)之前設(shè)置了干涉原理、實(shí)驗(yàn)儀器介紹等多個(gè)頁面，以便于學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的理解。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程實(shí)現(xiàn)

3.1 仿真流程

仿真流程如圖5所示。

進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)者首先打開光源開關(guān)，調(diào)節(jié)旋鈕得到一個(gè)易于觀察的干涉圖樣。調(diào)節(jié)完成后，實(shí)驗(yàn)者記錄此時(shí)的初始數(shù)據(jù)M₁的距離d₁，之后選擇不同的介質(zhì)（玻璃、水、空氣）插入到M₁與G₁之間得到改變后的干涉圖樣。完成以上步驟后再重新調(diào)節(jié)旋鈕，直到中心條紋重新移至視場中的同一位置，隨后記錄改變后的M₁位置d₂，得到Δd，計(jì)算折射率n。其次，實(shí)驗(yàn)者將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析。最后，結(jié)束實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)者通過點(diǎn)擊按鈕返回主頁面。

3.2 實(shí)驗(yàn)記錄過程

學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前需要對參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，為了能夠簡潔、直觀的介紹數(shù)據(jù)處理過程，現(xiàn)將介質(zhì)厚度L設(shè)置為1 cm，M₂移動時(shí)d的范圍分別為9～10 mm；18～19 mm。

計(jì)算公式：

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

數(shù)據(jù)計(jì)算：

同理可得：

n₂=1.468.44（5）

n₃=1.498 69（6）

平均折射率為：

最后得到玻璃折射率n=1.5。

計(jì)算實(shí)驗(yàn)值與標(biāo)準(zhǔn)值的百分誤差：

綜合以上數(shù)據(jù)可知，誤差在允許范圍之內(nèi)，數(shù)據(jù)有效，證明該系統(tǒng)可以完成本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)任務(wù)，圖6為“測量介質(zhì)折射率”未設(shè)置參數(shù)界面，圖7為“測量介質(zhì)折射率”實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)是基于LabVIEW平臺對“測量介質(zhì)折射率”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，其中包含了多個(gè)教學(xué)模塊：儀器介紹、實(shí)驗(yàn)原理視頻介紹等。

在教師教學(xué)方面，教師能夠運(yùn)用該系統(tǒng)清晰明了地將每一步呈現(xiàn)在學(xué)生的面前，即使課堂上學(xué)生沒有理解，也可通過觀看講解視頻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)。

在學(xué)生學(xué)習(xí)方面，打破了以往必須去實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的模式，利用該系統(tǒng)，學(xué)生可以隨時(shí)隨地聯(lián)網(wǎng)與老師進(jìn)行互動學(xué)習(xí)，提高了學(xué)習(xí)的靈活性，新穎的教學(xué)模式也能夠引起學(xué)生對于物理實(shí)驗(yàn)的興趣，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

對于實(shí)驗(yàn)器材方面，避免了光學(xué)器材易損壞、價(jià)格昂貴的弊端?？偠灾?，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)可以完美配合學(xué)生的教學(xué)工作，具有較好的發(fā)展前景，可應(yīng)用于各大高校。

參考文獻(xiàn)

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（編輯 姚 鑫）

Design of experimental simulation system for measuring medium refractive index based on LabVIEW

Wang Yubo， Xu Zhanbo， Lyu Ruizhe， Xu Shaochuan^*

（Liaoning University of Science and Technology， Anshan 114051， China）

Abstract： The article has set up an experimental simulation system for measuring the refractive index of media developed using LabVIEW technology. This system breaks the constraints of time and space in conventional courses， greatly reducing the difficulty of testing under the conditions of determining testing requirements. It not only makes the experiment more direct， but also enhances learners understanding of the experimental results. Through experiments， it has been proven that the system can be applied in future experimental teaching and has good development prospects.

Key words： LabVIEW; university physics experiments; virtual experiments