基于LabVIEW的牛頓環虛擬仿真實驗設計

陳建勇

摘要：本虛擬仿真實驗可實現反光鏡、牛頓環位置、半反鏡、焦距、目鏡十字叉絲、測微鼓輪等的獨立調節，而且牛頓環圖像部分可以實現位置、亮度、對比度、清晰度的同步變化。此外，讀數顯微鏡的微調精度和真實儀器相同，設置速度選擇按鈕來提高測量效率，凸顯了虛擬仿真的特色和優勢，在教學中獲得了積極的效果。

關鍵詞：牛頓環；虛擬仿真實驗；LabVIEW

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）34-0279-02

一、引言

牛頓環實驗難度大，在實驗教學過程中發現諸多困難，如讀數顯微鏡的視場范圍很小，需要測量多個圓環的直徑，容易因為視覺疲勞導致環數記錯，從而致使整個實驗需從頭開始；在實驗過程中桌面晃動，或不小心碰了儀器等都會給實驗造成較大的誤差。另外學生不會調節的時候，容易將牛頓環儀壓碎，從而損壞實驗設備。虛擬儀器是在以計算機為核心的硬件平臺上，利用軟件在屏幕上生成各種儀器面板，通過接口電路配合計算機完成對數據的采集、計算、傳送、存儲及顯示，由軟件取代傳統儀器的硬件來完成儀器的功能。虛擬儀器是現代計算機技術和儀器技術深層次結合的產物，是當今計算機輔助測試領域的一項重要技術，是計算機硬件資源、儀器與測控系統和虛擬儀器軟件資源三者的有效結合[1]。目前在這一領域內，使用較為廣泛的是LabVIEW軟件，編程界面圖形化，是一個面向最終用戶的高效工具。應用LabVIEW，設計者可以創建跟傳統儀器類似的采集、控制、數據分析、結果輸出和用戶界面等功能的系統，并能脫離LabVIEW開發環境運行。虛擬仿真實驗可以克服實驗室儀器品種、規格和數量不足、儀器易損壞的困難，可提高實驗安全性和儀器使用率；將虛擬仿真實驗運用于物理實驗教學，將改變以教師為中心的傳授式教學模式；虛擬仿真實驗有利于提高實驗效率與效果；應用虛擬仿真實驗，可以豐富教學內容，突破時空限制，便于資源共享。

二、牛頓環仿真實驗設計與實現

在光學測量領域，常常利用牛頓環干涉現象進行各種精密測量，如薄膜厚度、微小角度、曲面的曲率半徑等幾何測量，也應用于檢查光學元件表面的光潔度、平整度、物體的膨脹系數監測等。裝置是由一塊曲率半徑較大的平凸玻璃透鏡，以其凸面放在一塊光學玻璃平板上構成的。平凸透鏡的凸面與玻璃平板之間的空氣層厚度從中心到邊緣逐漸增加，若以平行單色光垂直照射到牛頓環上，則經空氣層上、下表面反射的兩束光存在光程差，它們在平凸透鏡的凸面相遇后，將發生干涉。產生以玻璃接觸點為中心的一系列明暗相間的圓環，稱為牛頓環[2]。觀察到的條紋亮度[3]（如圖）：

通過上式我們可以計算出牛頓環明暗條紋的半徑大小及條紋亮度的空間分布。

本仿真實驗分為四大板塊（如圖1），“實驗操作界面”是本系統的主要組成部分，“實驗背景和原理”介紹牛頓環明暗條紋的產生原理及分布規律，第三板塊為“實驗目的”，為了加深學生對實驗的理解，設置了第四板塊—思考題。“實驗操作界面”，左上區域為儀器擺放及調節界面，左下角為實驗儀器自由選擇區域，中下部設置了實驗操作步驟提示區，點擊“上一步”、“下一步”可查看操作步驟，學生也可以不看提示自行探索；右上角區域是人眼從讀數顯微鏡目鏡中所觀察到的圖像，右下角為測量數據記錄及自動處理區域。首先選擇儀器并擺放于正確位置，打開鈉光燈并預熱一定時間便可開始實驗，鼠標移動到儀器附近的藍色字附近，右邊出現相應的操作提示，方便學生熟悉儀器和自學。首先調節反光鏡，初始狀態我們視野中是黑色的（隨機給出初始狀態），單擊“逆時針轉動反光鏡”，視野中逐漸變亮，當鏡子完全背向我們時，視野中最亮。接下來調節半透半反鏡，直到視野中圖像清晰，為了測量，需要將十字叉絲調至橫平豎直，同時牛頓環移需要移動到視野中央，本仿真實驗中實現了牛頓環儀的移動方向和視野中圖像的移動方向相反，符合顯微鏡成像的規律；這時我們發現視野中圖像仍然不夠清楚，需要調節焦距，為了達到最好的成像效果，還可以繼續微調半反鏡、反光鏡等，通過設置圖像算法，程序能夠對所有操作進行反饋，實現目鏡中圖像的綜合實時變化，具有高度的仿真性。最后，進行數據測量，當轉動速率為x1時，單擊一下，圖像移動千分之一毫米，保持了與真實儀器相同的精度，但是移動太慢，為了兼顧效率，我們設置了x100的速率選擇按鈕，即單擊一下移動十分之一毫米，本仿真系統實現了主尺、鼓輪、圖像三者的同步聯動，而且通過設置速率選擇做到了精度和效率的協調統一。將10環到19環的左右側讀數填入表格，單擊“確定輸入完畢”按鈕，則內置程序可自動將暗環直徑和曲率半徑平均值算出。點擊退出程序，結束仿真實驗（如圖2）。

三、討論總結

從教學模式講，實體實驗與虛擬仿真實驗相結合的教學模式，將改變以教師為中心的傳授式教學模式，加強學生在學習活動中的思考和創新，有利于培養學生掌握現代科學技術的能力和動手能力。本實驗的數據處理非常煩瑣，仿真實驗系統內置數據處理程序，避免了煩瑣的計算，使學生可以專注于物理現象和規律本身；其次，牛頓環實驗儀器調節難度大，不熟練的學生容易將牛頓環儀的玻璃壓碎，且會造成鈉光燈的過度損耗，仿真實驗可以使學生在作實體實驗前熟悉實驗流程及注意事項，既能減少不必要的經費開支，也大幅提高了教學效果，最后，采用虛擬仿真技術，可構成開放性的教學環境，使學生在宿舍、家里都可以進行仿真操作，實現時間和空間的開放性、自主型。本仿真實驗的特色，從具體技術講，界面友好、易于操作、具有較強的交互性、較高的仿真性，實現了儀器調節與圖像質量的同步變化，對于測量即保證了精度又兼顧了效率。

參考文獻：

[1]劉君華.基于LabVIEW的虛擬儀器設計[M].北京：電子工業出版社，2003：30-85.

[2]唐文強，楊端翠，韋名德.基礎物理實驗[M].武漢：武漢大學出版社，2014：150-157.

[3]波恩.光學原理[M].北京：高等教育出版社出版，2002：42-45.