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基于虚拟现实技术的牛顿环实验设计
2012年4月13日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:撒凤杰,  蔡建乐,  张飞刚
    单位:杭州师范大学理学院

    摘 要:以大学物理中的牛顿环实验为例,开发了以3DS max、Cult3D、JavaScrip t和Flash为核心设计技术的大学物理虚拟实验,弥补了传统实验中的缺陷。介绍了虚拟牛顿环实验的开发流程、实现内容及操作方法等,对大学物理实验内容和虚拟技术之间的有效交融进行了研究。通过与传统实验结果的对比,彰显了虚拟技术在现实中应用的优越性。

    1 引 言

    在科研和生产实践中,常常利用牛顿环干涉做各种精密测量,如薄膜厚度、微小角度、曲面的曲率半径等几何测量,也普遍应用于检查光学元件表面的光洁度、平整度、球面度和加工精度,还可以用来测定单色光的波长,检测物体的膨胀系数等。牛顿环实验为这些应用提供了理论基础,同时也是理工科学生必修的基本实验。

    长期以来,由于传统牛顿环实验是通过移动读数显微镜的测微鼓轮,测量多级干涉圆环直径,再根据有关公式测出待测平凸透镜的曲率半径或入射光波长来实现的。因此,在实验过程中总是面临着诸多困难,给教师和学生带来不便:

    ① 因读数显微镜的视场范围很小,测量时必须将眼睛紧贴目镜,而且为了提高实验的精确度,需要测量多个圆环的直径,实验过程中,经常因为视觉疲劳易引起环数记错;

    ② 在显微镜内部,通过蜗轮与蜗杆相互啮合推动标尺前进,调节读数显微镜的测微鼓轮时,一旦稍有不慎,向着与原来相反的方向转动鼓轮,将给蜗轮带来一段空程,即造成实验中的“回程差”;

    ③ 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。随着信息技术日新月异的发展,计算机虚拟技术逐渐走进教育领域,尤其是三维虚拟技术在教学中的应用,深受学生欢迎[1] 。鉴于牛顿环实验中长期存在的诸多问题[2, 3] ,本文采用二维与三维相结合技术对传统牛顿环实验进行改进。

    2 实验原理

    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(平晶)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。

    设透镜的曲率半径为R, 第M 级暗纹的半径为rm ,该环纹处对应的空气膜(折射率为n)厚度为em ,如图1所示。则根据干涉条件及图示几何关系, 并略去高阶小量,即可得出环纹半径与牛顿环曲率半径之间的关系:

基于虚拟现实技术的牛顿环实验设计

基于虚拟现实技术的牛顿环实验设计
图1 牛顿环实验原理图

    但是,因为玻璃的弹性形变以及接触处不会绝对干净,所以接触处不可能是一个几何点,环心的干涉结果是一个较大的暗斑,暗斑中可能包括若干个圆环(设为m0 个) ,以至很难确定条纹级数以及牛顿环的中心位置。因此,难以精确测定圆环半径,所以用上式会增大实验误差,为了尽量减小误差,上式可变为

基于虚拟现实技术的牛顿环实验设计

    式中,Dm、Dn 分别是第m +m0 级与第n + n0 级暗环直径。

    可知,只要测出Dm 、Dn 的值,就能算出R 或λ。这样就可避免实验中条纹级数难于确定的困难,利用后一计算式还可克服确定条纹中心位置的困难[4] 。

    3 虚拟现实技术及虚拟实验

    3.1 虚拟现实技术

    虚拟现实是一门综合技术,它以计算机技术为主,综合利用计算机三维图形技术、模拟技术、传感技术、人机界面技术、显示技术、伺服技术等,生成一个逼真的三维视觉、触觉以及嗅觉等感觉世界,让用户可以从自己的视点出发,利用自身的功能和一些设备,以自然的方式与虚拟环境中的客体进行体验和人机交互。虚拟现实技术主要有三大特征:即沉浸感、交互性和自主性。浸沉感指人浸沉在虚拟环境中,具有和在真实环境中一样的感觉;交互性指在虚拟环境中体验者不是被动地感受,而是可以通过自己的动作改变感受的内容;自主性指虚拟的环境中的物体依据各自的模型和规则按照操作者的要求进行自主运动的程度。

    虚拟现实系统按其功能高低大体可分为:

    ① 桌面虚拟现实系统(也称窗口中的VR) ;

    ② 沉浸虚拟现实系统;

    ③ 分布式虚拟现实系统;

    ④增强现实系统(又称混合现实系统) 。

    桌面虚拟现实系统利用个人计算机和低级工作站进行仿真,通过鼠标、键盘等廉价输入设备实现与VR世界的充分交互,因为该系统价格低廉,而且易于实现,因此广泛应用于教育领域[5] 。

    3.2 基于虚拟现实技术牛顿环实验的开发

    目前,市面上制作虚拟实验的软件很多[6, 9] ,本文鉴于牛顿环实验中长期存在的问题及该实验的特点,采用二维虚拟软件Flash设计实验原理、实验步骤、显微镜中的画面等平面动态效果; 以三维虚拟软件Cult3D为核心设计实验过程的3D场景;再通过JavaScrip t脚本将两者进行无缝连接,即利用Flash 中的“GetURL”接口触发Cult3D 对象内建立的目标事件,利用Cult3D中的“LoadURL”行为触发Flash跳转到指定的帧。从而实现以3DS max、Cult3D、JavaScrip t和Flash为技术依托的虚拟实验。详细开发流程如图2所示。

基于虚拟现实技术的牛顿环实验设计
图2 虚拟仪器开发流程图

    利用该技术设计完成的虚拟实验,可以嵌入Word文档、PPT及Authorware课件,也可以通过Dremweaver等网页制作软件发布在网页中,用户可以不受时间空间限制的感知实验仪器、模拟实验过程,甚至可以对实验仪器任意的拆卸和重组,实现真正意义的开放性实验室。此外,该技术还可以用来开发化学、生物、医学等一系列虚拟实验。

    3.3 基于虚拟技术牛顿环实验的操作

    基于虚拟技术的牛顿环实验操作界面如图3 所示。

基于虚拟现实技术的牛顿环实验设计
图3 虚拟实验操作界面

    用户可以通过界面上相应的按钮了解实验原理、实验仪器、实验步骤等,在虚拟实验按钮下可以模拟整个实验的动态过程。虚拟实验仪器及虚拟实验过程操作方法如表1所示。

表1 虚拟仪器及虚拟实验操作基于虚拟现实技术的牛顿环实验设计

    用户了解实验原理、实验仪器、实验步骤后,便可以点击“虚拟实验”按钮开始模拟整个实验过程。首先将虚拟仪器调整到便于读数的角度,测量并记录牛顿环直径;根据实验原理中的公式计算牛顿环的曲率半径或光的波长。最后完成实验,退出系统。

    4 虚拟实验的优越性

    4.1 优越于传统实验

    虚拟技术可以通过模型的建立以及交互的设置使学生参观或亲临一些不可接近的空间。比如核反应堆、爆炸等危险实验,长期以来都是通过录像或图片的方式展现给学生,但只能使学生获得视觉上的满足;对于一些理想实验,比如理想的绝对光滑、暗室条件以及温度条件等,真实实验很难达到理想条件,导致难以得到理想的实验结果;还有诸如医学领域的一些解剖实验,实验中的一个小失误可能会导致难以挽回的错误。

    通过多媒体技术与现实技术相结合,生成一种逼真的模拟在自然环境中的视觉、听觉、触觉和运动等行为一体化的虚拟环境,使人们以自然的方式与虚拟环境中的客体进行体验和人机交互。使用户即可以亲身体验,又可以反复操练。但在此必须指出,虚拟实验也不能完全替代真实实验,就理想实验而言,如果用虚拟实验完全替代,学生将逐渐淡化“理想化”这一重要的科学思想。

    4.2 优越于以往虚拟技术

    以往的虚拟技术都局限于二维或是二维模拟出的三维效果,凭借一些华丽的图片和程序化的动画冲击学习者的视觉,但学习者难以沉浸于其中,更无法发挥其想像能力,在某种程度上也削弱了学生的动手能力。随着三维技术的出现和快速发展,虚拟技术取得了长足进展,尤其是通过3DS max和Cult3D 的完美结合,开发出形象更逼真、更灵活的三维虚拟仪器,赋予虚拟实验以沉浸性、交互性及思想性,克服了二维平面模型只注重结果展示的弊端。然而,单纯的三维虚拟环境也不可避免的存在自身缺陷,诸如显微镜里的画面等都难以通过三维技术展现出来。因此,二维虚拟技术与三维虚拟技术的整合成为解决实验课桎梏的有效途径。通过两者的有效整合,利用图、文并茂的界面将学习者带入具有声、像、动态功能的三维空间环境,彻底打破了以往的禁锢,解决了传统物理实验课中存在的高耗低效问题,实现了真正的资源共享[10] 。

    5 结 语

    目前,三维虚拟技术在我国仍处于起步阶段,二维与三维结合更是凤毛麟角。但不可否认,这将成为解决实验课桎梏的最有效途径,利用这一技术开发的虚拟实验必将大大地节约成本,提高效率,为各级各类用户提供一个现代化的物理实验技术支撑平台,填补高级物理实验手段方面的空白。

    参考文献( References) :

    [1]  王银峰,陶纯匡,汪 涛,等.大学物理实验[M].北京:机械工业出版社, 2005.9.

    [2]  刘才明,徐毓敏.对牛顿环干涉实验中若干问题的研究[J].实验技术与管理, 2003 (6) : 13214.

    [3]  唐 勤.对牛顿环实验教学的思考与探索[J].实验技术与管理, 2007 (3) : 35236.

    [4]  程守洙,江之永.《普通物理学》第三册[M].5 版.北京:高等教育出版社, 1999: 1852198.

    [5]  周钱祥,姜柿忠,姜国华.虚拟现实技术的研究现状与进展[J] ,计算机仿真, 2003, 7 (7) : 124.

    [6]  于洪涛,杨 雪,黄海林.Cult3D技术在物理网络虚拟实验中的应用研究[J].实验技术与管理, 2007, 4 (4) : 85287.

    [7]  http://www.divcss.org/Media/MAX/b/200610/34953_7.html 3dsmax,时尚三维虚拟跑车大制作[OL].

    [8]  张 建.大学物理虚拟仿真实验室的研究与开发[D].吉林:吉林大学, 2007.

    [9]  杨 雪,王荣芝,李 爽.Cult3D技术在网络虚拟实验开发中的应用研究[J].实验技术与管理, 2007 (1) : 83286.

    [10]  张飞刚,蔡建乐.三维虚拟仪器的制作及其应用研究[J].实验技术与管理, 2007 (7) : 48250.

标签:牛顿物理教育Cult3D
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