基于html5的跨平臺光速測定實驗仿真平臺*

冉俊霞

(河北大學物理科學與技術學院 河北 保定 071002)

張少朋

(河北大學體育教學部 河北 保定 071002)

葛大勇 宮紅欣

(河北大學物理科學與技術學院 河北 保定 071002)

1 引言

光速的測定在光學的發展史上具有非常特殊而重要的意義[1].它不僅推動了光學實驗，也打破了光速無限的傳統觀念；在物理學理論研究的發展過程中，它不僅為粒子說和波動說的爭論提供了判定依據，而且最終推動了愛因斯坦相對論理論的發展.在實驗室中，由于受場地和空間的限制，最為常用的測定光速的方法是光拍頻法.而光拍頻法是一個比較抽象的概念，為了更好地理解光拍頻法測量光速的原理，本實驗平臺分為實驗背景、實驗原理、實驗儀器、實驗操作、問題討論及應用提高幾部分.

隨著互聯網和移動設備的廣泛使用，學生在不同的設備上進行在線預習、復習，甚至進行在線仿真實驗逐漸被提到國家教改層面上來.因此，跨平臺的實驗仿真成為適應未來發展的新趨勢.

本文以HBuilder為開發平臺，以flash,3DMAX作為輔助工具，制作了基于Html5的跨平臺光速測量虛擬仿真平臺.Html5最顯著的優勢在于其跨平臺性，用Html5搭建的站點與應用可以兼容PC端與移動端、Windows與Linux、安卓與IOS[2,3].它可以輕易地移植到各種不同的開放平臺、應用平臺上，打破各自為政的局面.本文利用Html5的這種特性，結合SVG矢量圖技術，對光速測定實驗進行了整體設計.平臺包括如圖1 所示幾個部分.

圖1 實驗框圖

實驗背景主要介紹了實驗目的和光速測定實驗的歷史，相對簡單，在本文中不作詳細介紹，下面重點介紹其他幾個部分.

2 實驗儀器

實驗中用到的儀器通常情況下是不能讓學生進行拆卸的，因此，學生很難了解其內部構造，在本文儀器介紹部分將實驗中用到的儀器部件利用3DMAX軟件制作成三維動畫的形式立體展現，并將實驗中不能拆開的儀器部件通過電腦動畫動態地拆分展示其內部構造，使學生更加清楚儀器的整體和內部構造，并在頭腦中形成立體印象，這部分內容使實驗中的不可見變為可見.如圖2所示，實驗中用到的儀器整體以三維動畫形式呈現在眼前，如電路控制箱、頻率計、示波器、光速測量儀等，其中光速測量儀的具體組成的各部分：激光器、聲光器件、斬光器、各種全反鏡和半透半反鏡、棱鏡小車及光電接收盒等可通過動畫的形式展現其內部細節，如圖3所示，斬光器的內部結構可通過動畫拆分展示，使學生對其內部構造有一個清楚的印象，這在真實實驗中是做不到的.

圖2 儀器介紹

圖3 斬光器的構造

3 實驗原理

光拍頻的原理抽象，復雜難懂，學生在實驗過程中對原理理解不透、似懂非懂.因此本平臺的實驗原理部分，將其分為基本概念、光拍頻波、光速測量3個部分，分別用文字、動態曲線、動畫展示實驗原理及測量過程中的重點及難點，比如，光拍頻的形成是光速測量實驗中非常重要又抽象的概念，學生理解起來非常困難，而本文利用動畫將不可見變為可見，將合成的拍頻波以動畫方式展現出來，讓學生一目了然地看到光拍頻波，如圖4所示.通過這種方式，使學生對光拍頻等類似抽象的概念更加深入理解.

圖4 實驗原理

4 實驗操作

“實驗操作”是本平臺的一個亮點內容，通過我們精心設計，使學生對實驗步驟更加清晰，這部分分為實驗調節和實驗測量兩部分.因為光速測定實驗操作的重點是調節光路，然后再進行數據測量并計算.利用本平臺，學生可以按照實際操作步驟在移動終端或者電腦上進行虛擬實驗，就像真正的做實驗一樣，進行儀器的連線，光學器件的調節，與真實做實驗時一樣，每個環節、步驟也都可以像真正做實驗一樣調節，如圖5所示.使學生在電腦上、手機上就能有身臨其境的感覺，達到智能化效果.

圖5 實驗操作

在本環節為了使學生對操作步驟掌握清楚，整個實驗步驟清晰地列在右方，如圖5所示，這樣使復雜的實驗操作變為簡單.如果學生在平臺中熟悉了實驗步驟，真正做實驗時就可以得心應手，盡快進入狀態.并且還可以保護儀器免受誤操作的危害.

在仿真實驗中，還可以像真實實驗一樣移動棱鏡小車，進行數據采集，如圖6所示.讀取數據完畢后可對數據進行下一步的處理.

圖6 數據采集

5 應用提高

“應用提高”部分也是本平臺的一大特色.在這部分，通過動畫展示了利用光速測量的歷史進程，如圖7所示.

圖7 應用提高

通過不同的圖片和動畫展示了光速測量的各種方法和應用，例如，該模塊中介紹了旋轉齒輪法、旋轉鏡法等測量光速的方法以及量子通信的應用.通過這個模塊可以讓學生對光速測量的方法和應用有一個整體的認識.

6 結束語

本平臺操作簡單，可根據菜單選擇每個實驗項目，還可通過每個界面的順序菜單按鈕依次進行操作.實驗操作中每一步都有提示，方便學生和教師進行操作.

本平臺采用Html5語言編程制作，結合javascript制作交互式動畫，其交互性強、具有跨平臺使用等優點.由于在Html5中使用了SVG矢量圖技術，整個平臺畫面清新典雅，放大后不會失真.由于本軟件的跨平臺性，學生可通過手機、iPad或平板、電腦使用本平臺，教師可以更加快速、方便地指導學生.學生也可通過本平臺進行預習、自學.

本仿真平臺已獲河北省教育廳舉辦的課件大賽一等獎.