基于虚拟仪器技术的远程物理实验及示教

李潮锐

(中山大学 物理学院，广东 广州 510275)

虚拟仪器技术已经被广泛应用于物理实验测量[1-5]，通过互联网+虚拟仪器技术则可实现跨校区(远程)实验教学[6]. 尽管远程实验不能取代现场操作的教学作用，但它为教学资源共享提供了可操作实施的途径. 物理学是一门实验科学，理论物理课程往往需要实验演示辅助教学，将抽象的物理概念或原理形象化. 基于虚拟仪器技术的远程(跨校区)物理实验示教，既突出物理学科的特点，又体现物理教学的特色. 为配合长学制(本博连读)临床医学专业“医学诊疗技术的物理原理”理论课教学，作者运用互联网+虚拟仪器技术基于C/S模式实施远程物理实验示教. 在物理课堂教学中，根据需要通过远程交互界面发送实验操作指令，由实验现场服务器对仪器设备实施测量控制并实时回传实验结果辅助理论课堂教学. 实践表明，这一教学技术也适用于实验课堂交流. 通过“借用”放置于其他地点的仪器设备进行实验问题分析，既不中断课堂实验进程又展示了灵活的实验教学技术.

1 RLC谐振频率特性

LC电路是核磁共振有效激发或检测的重要电子技术单元，其谐振特性测量的本质是变频交流阻抗测量. 由于核磁共振技术原理的教学需要，文献[7]介绍了利用数字电桥对LC电路幅频和相频特性进行测量分析. 实验结果表明，LC并联谐振可实现电流放大功能，更适合于核磁共振激发；LC串联谐振具有电压放大作用，有利于核磁共振检测. 为进一步说明信号(初)相位或信号之间相位差的物理含意以及其重要性，文献[8]使用数字存储示波器更清晰地观测信号相位及其变化过程，并由波形数据通过离散傅里叶分析准确得到信号的幅值和相位，更直观地实现LC回路谐振特性定量分析. 上述实验分析过程有效地辅助理论课程的课堂教学，也是远程物理实验示教案例.

由Tektronix MDO4034C数字存储示波器及其集成MDO4AFG任意函数发生器(附件)组建测量系统，现场实验服务器通过USB接口分别对MDO4034C主机和MDO4AFG附件实施测控和数据采集. 选用Rs=74.86 Ω，Ls=33.04 mH，Cp=7.20 nF. 图1显示了远程课堂示教交互界面及并联LC电路频率特性. 相同技术方法可以实时获得串联LC电路频率特性实验数据.

文献[7]已详细分析上述实验结果，在此不再赘述. 值得一提的是，由于远程服务器实时回传取样电阻R压降(红色)和RLC电路输入电压(蓝色)波形数据，在课堂上可以很直观地观察到信号幅值及两者之间相位差随频率变化过程. 若从低频端开始实验，可见电阻压降信号超前电路输入信号；随着频率增加，两者相位差逐渐缩小. 直至谐振时，两者同相. 随后，电阻R压降信号开始落后于RLC电路输入信号，且随频率继续增加而相位差增大. 观测信号之间相位差变化有助于深刻理解LC谐振特性，更为后续讲解自旋回波成像的相位编码技术做铺垫.

图1 RLC频率特性远程示教交互界面

2 连续波核磁共振观测

核磁共振是在满足能量守恒和角动量守恒条件下，外磁场中核自旋精细能级对激发光子产生吸收使基态粒子跃迁至激发态. 基态是稳定态具有无限寿命，而处于激发态粒子经过一定时间之后必将回到基态. 纵向弛豫反映了粒子在激发态寿命这一物理本质，而横向弛豫则描述了在垂直于外磁场方向的平面上自旋磁矩退相干的物理过程. 此外，磁场不均匀性还将加速退相干，这也正是连续波核磁共振弛豫的物理事实. 由此可知，连续波核磁共振实验是理解核磁共振成像原理的物理基础，也是辅助核磁共振物理原理课堂教学的实验示教案例.

使用复旦天欣CNMR-I连续波核磁共振实验装置，由Rigol DP831A稳恒电源提供附加励磁电流以改变外磁场强度. 使用Rigol DS4022数字存储示波器观测核磁共振吸收和调制场同步信号，且由Agilent 53181A通用计数器测量共振频率. 现场实验服务器通过GPIB和USB接口分别对HP53181A，DP831A和DS4022实施测控和数据采集. 选用适当浓度的硫酸铜水溶液为实验样品. 图2是扫场法连续波核磁共振观测的远程示教交互界面.

图2 连续波核磁共振远程示教交互界面

上述实验方案同时适合于扫场法和扫频法. 扫场法实验时，使用DP831A提供可调稳恒励磁电流改变磁场强度；扫频法观测时，DP831A作为变容二极管偏压的可调恒压源用于改变边限振荡器的工作频率[9].

简单介绍扫场法实验示教操作方法. 首先，通过适当设置图2(c)励磁电流增量和方向，实时观测图2(a)共振信号变化，直至每调制场周期出现2个等间隔的共振吸收信号. 随之，设置励磁电流增量为零. 由于CNMR-I配套电源不具备自动化测控功能，无法远程调节调制场同步信号相位. 尽管如此，远程实验结果已经非常有效地辅助核磁共振物理原理课堂教学. 图2(b)和(c)还分别记录了在示教过程中，温漂将影响振荡频率(和磁场强度)稳定性. 为配合课堂教学需要，可以实时调节励磁电流使共振信号保持处于等间隔状态. 若选用“尾波”较长的硫酸铜水溶液样品，实验结果既用于解释共振吸收的能量守恒原理，又能分析共振弛豫过程. 文献[10]已对图2(a)中调制场前半周和后半周所对应共振信号差异问题，作了充分讨论，并提出了解决办法.

采用扫频法实验示教可取得相同的课堂教学效果.

3 磁场随磁体温漂变化

文献[11]已详细分析了在磁共振实验中磁体温漂对实验测量的影响及相关教学问题. 不管是微波电子自旋共振还是射频核磁共振系列实验，实验过程都会遇到由于磁体微小温漂而导致共振信号“消失”. 为突出实验课堂讨论重点而不中断实验进程，同时也不影响他人实验测量，使用放置于另一地点的核磁共振磁体和带温度补偿的特斯拉计组建演示实验. 为使微波电子自旋共振实验和核磁共振系列实验的全体学生同时参与课堂讨论，采用远程实验示教可以扩大教学受益面.

由Motech LPS305稳恒电源所提供的励磁电流将使磁体温度缓慢变化(升温)，使用东方晨景TC202温控仪测量磁体温度. 带温度补偿探头的华鸣CH1500特斯拉计可以同时测量磁场强度和传感器所处位置温度. 现场实验服务器通过RS232接口对LPS305，TC202和CH1500实施测控和数据采集. 图3显示了观测磁体温度变化对磁场强度影响的远程示教交互界面.

图3 磁场强度随磁体温度变化的远程示教交互界面

图3(b)和(d)分别显示磁体温度和特斯拉计探头温度随励磁电流加热时间变化过程；(a)和(c)为磁场强度分别随磁体温度和加热时间变化情况. 由图3(d)可见，尽管磁体温度明显上升而探头温度依然比较稳定，且由于探头具有温度补偿功能，可以认为实验测量所得磁场强度变化源于磁体温度变化.

图3所示远程实验示教的目的在于验证磁体温漂对磁场强度的影响，从而理解在微波电子自旋共振和核磁共振系列实验中共振吸收信号漂移的物理本质，同时掌握准确测量磁场强度的技术方法. 事实上，励磁电流热效应或实验室环境温度变化都可以引起磁体温漂. 由此可知，在室温变化环境中(较长时间)远程监测磁体温度及其磁场强度关系也是可选的实验示教案例.

4 结束语

作者多年同时承担物理理论课和实验课的教学，在理论课教学中尽可能通过实验事实将物理概念或原理可视化，在实验课堂上也更关注测量技术原理和实验结果的物理含意. 实验课教学与理论课教学相互促进，不断优化物理教学技术和方法，以期达到更好的教学效果. 上述3个远程实验示教案例融合理论原理、实验原理和远程测控技术为一体，由此也展示了作者一直坚持并实践的理论与实验相结合的物理教学方法.

参考文献：

[1] 胡险峰，朱世国. 激光二极管反馈干涉的实验观测[J]. 物理实验，2006,26(3)：3-7,15.

[2] 管婉青，郭明俊，刘尧，等. 基于LabVIEW声速测量系统研究声速与温湿度的关系[J]. 物理实验，2013,33(8)：7-9,14.

[3] 蔡霞，吴先球. 基于虚拟仪器实现单摆法测量重力加速度[J]. 物理实验，2012,32(8)：28-29,33.

[4] 徐慧,徐锋. 一种基于虚拟技术的新的测量材料导热系数的方法[J]. 大学物理，2005,24(4)：48-50.

[5] 王鑫，杨胡江. 虚实结合的物理实验教学研究与实践[J]. 物理实验，2015,35(10)：15-18,22.

[6] 李潮锐. 跨校区物理实验平台的教学可操作性[J]. 物理实验，2006,26(10)：20-23.

[7] 李潮锐. 数字电桥测量LC谐振特性[J]. 物理实验，2017,37(12)：21-24.

[8] 李潮锐. 数字示波器测量RLC谐振特性[J]. 物理实验，2018，38(4):24-26，29.

[9] 李潮锐. 连续波核磁共振吸收的频域测量[J]. 物理实验，2017,37(10)：26-29.

[10] 李潮锐. 扫场对核磁共振测量的影响[J]. 物理实验，2015,35(1)：1-4.

[11] 李潮锐. 磁共振实验温度漂移对磁场及测量的影响[J]. 物理实验，2017,37(2)：24-27，32.