基于LabVIEW牛顿环虚拟实验平台设计*

2019-06-29杨景发申文增杨子毅张建飞李波胡英楠

物理通报 2019年7期

杨景发申文增杨子毅张建飞李波胡英楠

(河北大学物理科学与技术学院河北保定 071002) (河北大学医学院河北保定 071000)(河北大学物理科学与技术学院河北保定 071002)

1 引言

翻转课堂、MOOCs以其全新的教育思想观念、新型的教与学方式和教学模式，受到全球教育界的热烈追捧，基于Flash,LabVIEW,Unity3D等平台，开发虚拟仿真实验项目成为研发的热点[1,2]．常规的牛顿环实体实验，受实验相干参数多、干涉条纹变化不明显、不易观察等影响，致使操作中难以直观、充分展示实验的全部特征，特别是不能呈现光的粒子性；另外,受时空制约，学生无法进行针对性的实验预习、重点重复操作和复习，直接影响了实验的操作学习效果[3～5]．

本文依据光的干涉理论，基于LabVIEW语言，设计虚拟仪器的前面板和后面板程序，开发了牛顿环虚拟实验平台，学生如同使用真实仪器一样，可动态直观地观察分析各输入参量的变化对干涉图案的影响,且可弥补真实实验操作内容的一些不足．

2 牛顿环虚拟实验平台设计原理

在一块光平的玻璃板上，放一曲率半径R很大的平凸透镜，当平行光束垂直射向平凸透镜时，在透镜表面可以观察到以接触点为中心的同心圆，称为牛顿环，它是一种由“环状劈尖”形成的等厚干涉现象[6,7]，实验光路图如图1所示.

图1 牛顿环实验光路图

设波长为λ的垂直入射光经PP′处空气薄膜上下表面反射的相干光的光程差为

根据干涉理论，牛顿环出现明、暗纹条件

由此可知，合光强与介质的折射率n，平凸透镜的曲率半径R，入射光的波长λ，透镜顶点与平面玻璃间的距离e，某一级干涉条纹的半径r等直接关联，基于此确定了基于LabVIEW牛顿环虚拟实验自教学平台的设计流程框图，如图2所示.

图2 设计流程框图

3 牛顿环虚拟实验平台设计

基于LabVIEW牛顿环虚拟实验平台的设计目的是对经典物理现象“牛顿环”的虚拟仿真再现，包括用连续线和离散点对牛顿环的干涉条纹进行了直观展示，分为虚拟仪器的前面板和后面板程序设计[8,9]．

3.1 牛顿环Vi前面板设计

牛顿环虚拟实验平台的前面板见图3，主要分为3个板块：

(1)自主学习，如图3(a)所示；

(2)实验参数设置，如图3(c)所示；

(3)实验现象展示，如图3(b)所示．

其中，自主学习板块包括实验原理介绍和实体实验仪器介绍(图4)，由文字介绍及相关图片组成；实验参数设置则由7个输入控件构成，实验现象展示由3个输出控件组成．

图3 牛顿环虚拟仪器前面板

图4 牛顿环实验实体仪器

3.2 实验理论介绍后面板程序设计

主界面右半部分为实验理论介绍部分，前面板首先采用对Vi所在的当前路径拆分两次作为基路径以及通过对相对路径的引用实现主界面图片信息路径的引入，程序框图如图5所示.

图5 图片路径引用程序框图

路径信息引入后，采用顺序结构，首先将图片引入图片路径，然后通过对属性节点的引用将图片变换，最终将图片进行绘制．

主界面程序框图如图6所示.

图6 主界面程序框图

3.3 实验参数设置及实验现象展示后面板程序设计

如图3(b)所示，实验平台的前面板右半部分下方是“折射率、半径、顶点、波长、图形宽度、光点个数”和“连续线/离散点”7个不同形式的参数输入“旋钮”和“滑杆”控件；右半部分上方是牛顿环形成图案的3个模拟“输出窗口”，即光强输出采用“波形图/强度图/三维曲面图”控件，来显示牛顿环图像在某一y处x方向的曲线图、二维等高图和三维曲面图分布．

后面板利用两层“for循环”进行嵌套，当输入参量变化时，利用每层循环内嵌入的公式节点内编写的函数关系，组合产生一个一维数组，将产生的“数组”及“数组2”两个一维数组通过“替换数组子集”控件链接成一个二维数组即得到的模拟光强数(I)数据暂存，后台程序框图如图7所示.

图7 模拟光强二维数组后面板程序图

对“连续线/离散点”选择按钮添加“条件结构”，当按钮按下时，即为条件结构的“真”分支，在该分支中，嵌入“for循环”，循环内部通过产生的随机数，对“模拟光强数组”的牵引，产生一个新的“数组”，将光以“点”的形式体现，即为用光点数模拟光强数据；连续线/离散点按钮弹开时，即为条件结构的“假”分支，在该分支中，直接通过对模拟光强数组局部变量的引用，将以连续线模拟光强数据输出，后面板程序图如图8所示.