基于LabVIEW的測量介質折射率實驗仿真系統設計

王鈺博 徐湛博 呂瑞哲 徐少川

摘要：文章設置了一個采用LabVIEW技術開發的測量介質折射率實驗仿真系統。該系統打破了常規課程中對時間和空間的束縛，在確定了測試要求的條件下大大降低了測試的難度，不僅能讓試驗進行的更為直接，還能增強學習者對試驗成果的認知。通過實驗，證明了該系統可以應用于實驗教學，具有較好的發展前景。

關鍵詞：LabVIEW；大學物理實驗；虛擬實驗

中圖分類號：中圖分類號

文獻標志碼：A文獻標志碼

0 引言

隨著時代的發展，學生的綜合發展愈發重要。與課本息息相關的實驗活動不僅可以加深學生對課本內容的了解，還提高了學生的實際動手能力，對學生的綜合能力發展有至關重要。對于實驗的理解與操作是當今學生必不可少的學習項目。

近年來，由于虛擬現實技術的快速發展，虛擬實驗室、線上實驗教學已經成為一種新興的教學手段^［1］。虛擬實驗教學，誕生在虛擬現實教學和中國傳統教學活動的深度融合中，它是一種全新的教育實踐教學模式，通過使用虛擬現實體驗所特有的互動性、沉浸感和想象力^［2］，可以指導學習者在計算機上進行實踐作業，并以此訓練其對科學實驗信息的準備、對科學實驗的操作、對科學實驗信息的處理方面的知識與技能。

為此，該項目針對現狀設計了一個基于LabVIEW的虛擬仿真實驗系統，用于處理教學與實踐脫節、實際操作復雜、光學應用試驗儀器相對價格昂貴、試驗結果讀數比較麻煩等一些可能出現的情況，利用這種創新的方式不但能夠使教師比較直接地給學生展示試驗，而且能夠增強學生的學習主動性。

1 實驗舉例分析

利用邁克爾遜干涉儀測量介質折射率實驗是大學物理中的經典實驗。該系統根據“測量介質折射率”實驗原理進行設計，實驗原理，如圖1所示。

其中，M₁，M₂均為一個平面反射鏡。M₁為固定平面鏡，調節其位置時通過導軌進行前后移動；G₁，G₂是厚度和折射率都完全相同的一對平行玻璃板，與M₁，M₂均成45°角；G₁的后表面鍍有半反半透膜A^［3］。

光源S發出的光束透過G₁和G₂后被M₁反射，再透過G₂，經G₂后表面半反半透膜A反射到觀察點E。光束2兩次通過G₁后被M₂反射，再透過G₁到達觀察點E。光束1兩次通過G₂，光束2兩次通過G₁，由于G₁，G₂厚度相同，所以如果想要計算光束1和光束2的光程差，只需計算空氣中的光程差即可。

觀察者從E處向G₁看去，除直接看到M₂外，還會看到M₁經過A的成像M₁′，光束1和光束2就如同是從M₂，M₁′中反射過來，因此邁克爾遜干涉儀中所產生的干涉和M₂～ M₁′間形成的空氣薄膜的干涉等效。

在進行實驗時，實驗者需先打開光源開關，調節旋鈕得到一個易于觀察的干涉圖樣，在光束2內，即在G₁與M₂之間插入一塊折射率為n，厚度為L的待測透明介質P（待測介質與光線傳播方向垂直），最后調出與之前同一位置的干涉圖樣。

設反面鏡M₂移動的距離為d，空氣折射率為n₀，則有以下關系式：

通過兩次試驗后出現白光干涉條紋的讀數差得到d。由于介質厚度L已知，再由已知的空氣折射率n₀代入公式，即可計算出待測透明介質折射率n。該仿真系統根據以上推導思路進行設計。

2 系統結構與開發

2.1 系統結構

該系統由PC端、接口、數據采集卡、圖形采集儀器組成。硬件設備為PC端：僅需計算機即可，該系統兼容臺式計算機、便攜式計算機。串行接口主要起到數據雙向通信的作用。數據采集卡用于捕獲外界的模擬信號并將其數據化導入PC端進行數字處理。圖形采集儀器用于圖像的采集，并將其發送至PC端，PC端與顯示屏連接顯示仿真界面，系統結構如圖2所示。

2.2 軟件開發

該軟件以LabVIEW為開發平臺，LabVIEW所使用的圖形化編程語言—G語言，具有豐富的函數庫^［4］。該軟件以圖標形式表示函數，并通過直線連接來描述信息的傳播方向。與其它開發平臺相比，LabVIEW具有使用環境更普遍、更易于上手、更容易編程的特性^［5］，圖3為測量介質折射率的調節狀態程序框圖。圖4為測量介質折射率的選擇不同介質程序框圖。

由圖3和圖4可看出由LabVIEW設計出的界面簡潔、直觀，即使后期發現系統存在缺陷，可以做到有針對性的修改。

在軟件開發中，該系統同時考慮到了學生對于實驗儀器、實驗概念的理解，對于基本的光路圖是否有所了解，因此系統在實驗之前設置了干涉原理、實驗儀器介紹等多個頁面，以便于學生對實驗的理解。

3 虛擬仿真實驗過程實現

3.1 仿真流程

仿真流程如圖5所示。

進行仿真實驗時，實驗者首先打開光源開關，調節旋鈕得到一個易于觀察的干涉圖樣。調節完成后，實驗者記錄此時的初始數據M₁的距離d₁，之后選擇不同的介質（玻璃、水、空氣）插入到M₁與G₁之間得到改變后的干涉圖樣。完成以上步驟后再重新調節旋鈕，直到中心條紋重新移至視場中的同一位置，隨后記錄改變后的M₁位置d₂，得到Δd，計算折射率n。其次，實驗者將得到的數據進行誤差分析。最后，結束實驗，實驗者通過點擊按鈕返回主頁面。

3.2 實驗記錄過程

學生在進行實驗前需要對參數進行設置，為了能夠簡潔、直觀的介紹數據處理過程，現將介質厚度L設置為1 cm，M₂移動時d的范圍分別為9～10 mm；18～19 mm。

計算公式：

實驗數據記錄如表1所示。

數據計算：

同理可得：

n₂=1.468.44（5）

n₃=1.498 69（6）

平均折射率為：

最后得到玻璃折射率n=1.5。

計算實驗值與標準值的百分誤差：

綜合以上數據可知，誤差在允許范圍之內，數據有效，證明該系統可以完成本實驗的教學任務，圖6為“測量介質折射率”未設置參數界面，圖7為“測量介質折射率”實驗結果圖。

4 結語

該系統是基于LabVIEW平臺對“測量介質折射率”實驗進行設計的物理實驗教學系統，其中包含了多個教學模塊：儀器介紹、實驗原理視頻介紹等。

在教師教學方面，教師能夠運用該系統清晰明了地將每一步呈現在學生的面前，即使課堂上學生沒有理解，也可通過觀看講解視頻進行實驗的學習。

在學生學習方面，打破了以往必須去實驗室進行實驗的模式，利用該系統，學生可以隨時隨地聯網與老師進行互動學習，提高了學習的靈活性，新穎的教學模式也能夠引起學生對于物理實驗的興趣，提高了學生學習的積極性。

對于實驗器材方面，避免了光學器材易損壞、價格昂貴的弊端。總而言之，經過實驗，該系統可以完美配合學生的教學工作，具有較好的發展前景，可應用于各大高校。

參考文獻

［1］李耀麟，張呂彥.虛擬實驗的研究現狀及其發展前景［J］.隴東學院學報，2009（2）：118-121.

［2］彭麗宇.促進深度學習的虛擬實驗教學改革［J］.西南師范大學學報（自然科學版），2023（1）：102-107.

［3］孫宇航.用邁克爾遜干涉儀測定透明介質的折射率［J］.西安郵電學院學報，2009（1）：157-158，161.

［4］邢玲玲.基于LabVIEW的自動控制原理虛擬實驗系統［J］.電子測試，2020（15）：32-34.

［5］趙世清.多功能皮革性能指標檢測虛擬儀器開發［D］.西安：陜西科技大學，2012.

（編輯 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