基于LabVIEW的测量介质折射率实验仿真系统设计
2023-07-20王钰博徐湛博吕瑞哲徐少川
王钰博 徐湛博 吕瑞哲 徐少川
摘要：文章设置了一个采用LabVIEW技术开发的测量介质折射率实验仿真系统。该系统打破了常规课程中对时间和空间的束缚，在确定了测试要求的条件下大大降低了测试的难度，不仅能让试验进行的更为直接，还能增强学习者对试验成果的认知。通过实验，证明了该系统可以应用于实验教学，具有较好的发展前景。
关键词：LabVIEW；大学物理实验；虚拟实验
中图分类号：中图分类号
文献标志码：A文献标志码
0 引言
随着时代的发展，学生的综合发展愈发重要。与课本息息相关的实验活动不仅可以加深学生对课本内容的了解，还提高了学生的实际动手能力，对学生的综合能力发展有至关重要。对于实验的理解与操作是当今学生必不可少的学习项目。
近年来，由于虚拟现实技术的快速发展，虚拟实验室、线上实验教学已经成为一种新兴的教学手段［1］。虚拟实验教学，诞生在虚拟现实教学和中国传统教学活动的深度融合中，它是一种全新的教育实践教学模式，通过使用虚拟现实体验所特有的互动性、沉浸感和想象力［2］，可以指导学习者在计算机上进行实践作业，并以此训练其对科学实验信息的准备、对科学实验的操作、对科学实验信息的处理方面的知识与技能。
为此，该项目针对现状设计了一个基于LabVIEW的虚拟仿真实验系统，用于处理教学与实践脱节、实际操作复杂、光学应用试验仪器相对价格昂贵、试验结果读数比较麻烦等一些可能出现的情况，利用这种创新的方式不但能够使教师比较直接地给学生展示试验，而且能够增强学生的学习主动性。
1 实验举例分析
利用迈克尔逊干涉仪测量介质折射率实验是大学物理中的经典实验。该系统根据“测量介质折射率”实验原理进行设计，实验原理，如图1所示。
其中，M1，M2均为一个平面反射镜。M1为固定平面镜，调节其位置时通过导轨进行前后移动；G1，G2是厚度和折射率都完全相同的一对平行玻璃板，与M1，M2均成45°角；G1的后表面镀有半反半透膜A［3］。
光源S发出的光束透过G1和G2后被M1反射，再透过G2，经G2后表面半反半透膜A反射到观察点E。光束2两次通过G1后被M2反射，再透过G1到达观察点E。光束1两次通过G2，光束2两次通过G1，由于G1，G2厚度相同，所以如果想要计算光束1和光束2的光程差，只需计算空气中的光程差即可。
观察者从E处向G1看去，除直接看到M2外，还会看到M1经过A的成像M1′，光束1和光束2就如同是从M2，M1′中反射过来，因此迈克尔逊干涉仪中所产生的干涉和M2～ M1′间形成的空气薄膜的干涉等效。
在进行实验时，实验者需先打开光源开关，调节旋钮得到一个易于观察的干涉图样，在光束2内，即在G1与M2之间插入一块折射率为n，厚度为L的待测透明介质P（待测介质与光线传播方向垂直），最后调出与之前同一位置的干涉图样。
设反面镜M2移动的距离为d，空气折射率为n0，则有以下关系式：
通过两次试验后出现白光干涉条纹的读数差得到d。由于介质厚度L已知，再由已知的空气折射率n0代入公式，即可计算出待测透明介质折射率n。该仿真系统根据以上推导思路进行设计。
2 系统结构与开发
2.1 系统结构
该系统由PC端、接口、数据采集卡、图形采集仪器组成。硬件设备为PC端：仅需计算机即可，该系统兼容台式计算机、便携式计算机。串行接口主要起到数据双向通信的作用。数据采集卡用于捕获外界的模拟信号并将其数据化导入PC端进行数字处理。图形采集仪器用于图像的采集，并将其发送至PC端，PC端与显示屏连接显示仿真界面，系统结构如图2所示。
2.2 软件开发
该软件以LabVIEW为开发平臺，LabVIEW所使用的图形化编程语言—G语言，具有丰富的函数库［4］。该软件以图标形式表示函数，并通过直线连接来描述信息的传播方向。与其它开发平台相比，LabVIEW具有使用环境更普遍、更易于上手、更容易编程的特性［5］，图3为测量介质折射率的调节状态程序框图。图4为测量介质折射率的选择不同介质程序框图。
由图3和图4可看出由LabVIEW设计出的界面简洁、直观，即使后期发现系统存在缺陷，可以做到有针对性的修改。
在软件开发中，该系统同时考虑到了学生对于实验仪器、实验概念的理解，对于基本的光路图是否有所了解，因此系统在实验之前设置了干涉原理、实验仪器介绍等多个页面，以便于学生对实验的理解。
3 虚拟仿真实验过程实现
3.1 仿真流程
仿真流程如圖5所示。
进行仿真实验时，实验者首先打开光源开关，调节旋钮得到一个易于观察的干涉图样。调节完成后，实验者记录此时的初始数据M1的距离d1，之后选择不同的介质（玻璃、水、空气）插入到M1与G1之间得到改变后的干涉图样。完成以上步骤后再重新调节旋钮，直到中心条纹重新移至视场中的同一位置，随后记录改变后的M1位置d2，得到Δd，计算折射率n。其次，实验者将得到的数据进行误差分析。最后，结束实验，实验者通过点击按钮返回主页面。
3.2 实验记录过程
学生在进行实验前需要对参数进行设置，为了能够简洁、直观的介绍数据处理过程，现将介质厚度L设置为1 cm，M2移动时d的范围分别为9～10 mm；18～19 mm。
计算公式：
实验数据记录如表1所示。
数据计算：
同理可得：
n2=1.468.44（5）
n3=1.498 69（6）
平均折射率为：
最后得到玻璃折射率n=1.5。
计算实验值与标准值的百分误差：
综合以上数据可知，误差在允许范围之内，数据有效，证明该系统可以完成本实验的教学任务，图6为“测量介质折射率”未设置参数界面，图7为“测量介质折射率”实验结果图。
4 结语
该系统是基于LabVIEW平台对“测量介质折射率”实验进行设计的物理实验教学系统，其中包含了多个教学模块：仪器介绍、实验原理视频介绍等。
在教师教学方面，教师能够运用该系统清晰明了地将每一步呈现在学生的面前，即使课堂上学生没有理解，也可通过观看讲解视频进行实验的学习。
在学生学习方面，打破了以往必须去实验室进行实验的模式，利用该系统，学生可以随时随地联网与老师进行互动学习，提高了学习的灵活性，新颖的教学模式也能够引起学生对于物理实验的兴趣，提高了学生学习的积极性。
对于实验器材方面，避免了光学器材易损坏、价格昂贵的弊端。总而言之，经过实验，该系统可以完美配合学生的教学工作，具有较好的发展前景，可应用于各大高校。
参考文献
［1］李耀麟，张吕彦.虚拟实验的研究现状及其发展前景［J］.陇东学院学报，2009（2）：118-121.
［2］彭丽宇.促进深度学习的虚拟实验教学改革［J］.西南师范大学学报（自然科学版），2023（1）：102-107.
［3］孙宇航.用迈克尔逊干涉仪测定透明介质的折射率［J］.西安邮电学院学报，2009（1）：157-158，161.
［4］邢玲玲.基于LabVIEW的自动控制原理虚拟实验系统［J］.电子测试，2020（15）：32-34.
［5］赵世清.多功能皮革性能指标检测虚拟仪器开发［D］.西安：陕西科技大学，2012.
（编辑 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
