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基于LabVIEW的牛顿环虚拟仿真实验设计
作者：陈建勇
来源：《教育教学论坛》2017年第34期
摘要：本虚拟仿真实验可实现反光镜、牛顿环位置、半反镜、焦距、目镜十字叉丝、测微鼓轮等的独立调节，而且牛顿环图像部分可以实现位置、亮度、对比度、清晰度的同步变化。此外，读数显微镜的微调精度和真实仪器相同，设置速度选择按钮来提高测量效率，凸显了虚拟仿真的特色和优势，在教学中获得了积极的效果。 关键词：牛顿环；虚拟仿真实验；LabVIEW
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）34-0279-02 一、引言
牛顿环实验难度大，在实验教学过程中发现诸多困难，如读数显微镜的视场范围很小，需要测量多个圆环的直径，容易因为视觉疲劳导致环数记错，从而致使整个实验需从头开始；在实验过程中桌面晃动，或不小心碰了仪器等都会给实验造成较大的误差。另外学生不会调节的时候，容易将牛顿环仪压碎，从而损坏实验设备。虚拟仪器是在以计算机为核心的硬件平台上，利用软件在屏幕上生成各种仪器面板，通过接口电路配合计算机完成对数据的采集、计算、传送、存储及显示，由软件取代传统仪器的硬件来完成仪器的功能。虚拟仪器是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术，是计算机硬件资源、仪器与测控系统和虚拟仪器软件资源三者的有效结合[1]。目前在这一领域内，使用较为广泛的是LabVIEW软件，编程界面图形化，是一个面向最终用户的高效工具。应用LabVIEW，设计者可以创建跟传统仪器类似的采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能的系统，并能脱离LabVIEW开发环境运行。虚拟仿真实验可以克服实验室仪器品种、规格和数量不足、仪器易损坏的困难，可提高实验安全性和仪器使用率；将虚拟仿真实验运用于物理实验教学，将改变以教师为中心的传授式教学模式；虚拟仿真实验有利于提高实验效率与效果；应用虚拟仿真实验，可以丰富教学内容，突破时空限制，便于资源共享。 二、牛顿环仿真实验设计与实现
在光学测量领域，常常利用牛顿环干涉现象进行各种精密测量，如薄膜厚度、微小角度、曲面的曲率半径等几何测量，也应用于检查光学元件表面的光洁度、平整度、物体的膨胀系数监测等。装置是由一块曲率半径较大的平凸玻璃透镜，以其凸面放在一块光学玻璃平板上构成的。平凸透镜的凸面与玻璃平板之间的空气层厚度从中心到边缘逐渐增加，若以平行单色光垂直照射到牛顿环上，则经空气层上、下表面反射的两束光存在光程差，它们在平凸透镜的凸面相遇后，将发生干涉。产生以玻璃接触点为中心的一系列明暗相间的圆环，称为牛顿环[2]。观察到的条纹亮度[3]（如图）：
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通过上式我们可以计算出牛顿环明暗条纹的半径大小及条纹亮度的空间分布。
本仿真实验分为四大板块（如图1），“实验操作界面”是本系统的主要组成部分，“实验背景和原理”介绍牛顿环明暗条纹的产生原理及分布规律，第三板块为“实验目的”，为了加深学生对实验的理解，设置了第四板块—思考题。“实验操作界面”，左上区域为仪器摆放及调节界面，左下角为实验仪器自由选择区域，中下部设置了实验操作步骤提示区，点击“上一步”、“下一步”可查看操作步骤，学生也可以不看提示自行探索；右上角区域是人眼从读数显微镜目镜中所观察到的图像，右下角为测量数据记录及自动处理区域。首先选择仪器并摆放于正确位置，打开钠光灯并预热一定时间便可开始实验，鼠标移动到仪器附近的蓝色字附近，右边出现相应的操作提示，方便学生熟悉仪器和自学。首先调节反光镜，初始状态我们视野中是黑色的（随机给出初始状态），单击“逆时针转动反光镜”，视野中逐渐变亮，当镜子完全背向我们时，视野中最亮。接下来调节半透半反镜，直到视野中图像清晰，为了测量，需要将十字叉丝调至横平竖直，同时牛顿环移需要移动到视野中央，本仿真实验中实现了牛顿环仪的移动方向和视野中图像的移动方向相反，符合显微镜成像的规律；这时我们发现视野中图像仍然不够清楚，需要调节焦距，为了达到最好的成像效果，还可以继续微调半反镜、反光镜等，通过设置图像算法，程序能够对所有操作进行反馈，实现目镜中图像的综合实时变化，具有高度的仿真性。最后，进行数据测量，当转动速率为x1时，单击一下，图像移动千分之一毫米，保持了与真实仪器相同的精度，但是移动太慢，为了兼顾效率，我们设置了x100的速率选择按钮，即单击一下移动十分之一毫米，本仿真系统实现了主尺、鼓轮、图像三者的同步联动，而且通过设置速率选择做到了精度和效率的协调统一。将10环到19环的左右侧读数填入表格，单击“确定输入完毕”按钮，则内置程序可自动将暗环直径和曲率半径平均值算出。点击退出程序，结束仿真实验（如图2）。 三、讨论总结
从教学模式讲，实体实验与虚拟仿真实验相结合的教学模式，将改变以教师为中心的传授式教学模式，加强学生在学习活动中的思考和创新，有利于培养学生掌握现代科学技术的能力和动手能力。本实验的数据处理非常烦琐，仿真实验系统内置数据处理程序，避免了烦琐的计算，使学生可以专注于物理现象和规律本身；其次，牛顿环实验仪器调节难度大，不熟练的学生容易将牛顿环仪的玻璃压碎，且会造成钠光灯的过度损耗，仿真实验可以使学生在作实体实验前熟悉实验流程及注意事项，既能减少不必要的经费开支，也大幅提高了教学效果，最后，采用虚拟仿真技术，可构成开放性的教学环境，使学生在宿舍、家里都可以进行仿真操作，实现时间和空间的开放性、自主型。本仿真实验的特色，从具体技术讲，界面友好、易于操作、具有较强的交互性、较高的仿真性，实现了仪器调节与图像质量的同步变化，对于测量即保证了精度又兼顾了效率。 参考文献：
[1]刘君华.基于LabVIEW的虚拟仪器设计[M].北京：电子工业出版社，2003：30-85.
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[2]唐文强，杨端翠，韦名德.基础物理实验[M].武汉：武汉大学出版社，2014：150-157. [3]波恩.光学原理[M].北京：高等教育出版社出版，2002：42-45.
基于LabVIEW的牛顿环虚拟仿真实验设计
