基于虚拟仪器的物理实验开发

【摘 要】简要介绍虚拟仪器技术，探讨将虚拟仪器技术运用到物理实验教学中，并设计实验案例。

【关键词】虚拟仪器技术；物理实验

虚拟仪器技术

虚拟仪器技术是指利有高性能的模块化硬件，结合高效灵合的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件支持创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件支持全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。虚拟仪器技术具有性能高、拓展性强、开发时间少，以及出色的集成等优势。

虚拟仪器有三大组成部分：1、高效的软件。软件由两部组成，即应用程序和接口仪器驱动程序。应用程序包含两方面功能的程序，实现虚拟面板的软件程序和定义测试功能的流程图软件程序。接口仪器驱动程序主要完成特定外部硬件设备的扩展、驱动和通信。开发虚拟仪器必须有合适的软件工具，仪器功能的多少是由软件来体现的。目前虚拟开发软件有：Visual C++ ，Visual Basic，LabVIEW等。正确使用软件设计程序，可以创建自已的应用以及人机交互界面。2、模块化的I/O硬件。主要完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换。由于测试测量应用的复杂性，对I/O硬件的性能要求也水涨船高。目前NI公司能提供各种模快化的硬件产品，运用这些硬件结合灵活的开发软件，可以创建完全自定义的测量系统，满足各种特殊的应用要求。3、用于集成的软硬件平台。如：NI公司专门为测试任务设计的PIX硬件平台，是目前测试、测量和自动化应用的标准平台，PIX作为一种专为数集采集与自动化应用定制的模块化仪器平台，配各类I/O硬件和开发软件，便可建立完全自定义的实验方案。

虚拟仪器技术在物理实验中的应用

传统物理实验一般目的是，用实践来验证物理现象和物理定理。在这个过程中学生只是用一般的方法来进行实验。实验手段没有技术含量，最多是实验技巧上的区别。这样的实验只达到了让学生亲自验证物理事实的目的，能否通过别的途径达到能一举多得的目的呢？回答是肯定的。现代科学技术的发展，给物理实验教学带来了新的活力与生机。将虚拟仪器技术用于物理实验教学中是物理课程发展的必然趋势。

虚拟仪器的优势

传统仪器功能单一，价格昂贵。而一台虚拟仪器就能有各种仪器的功能，不仅能节约资金，还可减少使用空间；传统实验仪器容易产生误差，而虚拟仪器可减少误差；传统仪器的维护、维修与性能升级，既费精力又费钱。如果采用虚拟仪器情况将得到大大的改观；采用虚拟仪器可节约仪器的开发周期与开发费用；虚拟仪器可改变目前我国呆板的实验教学，更新教学方法，提高教学质量；有利于建立网上虚拟仪器实验室；虚拟仪器强大的软件功能，学生可自主设计实验仪器和实验方案，为开设设计性、综合性和应用性实验提供了技术支持，为探究性实验教学提供了良好的平台。

虚拟仪器技术应用于物理实验

“虚拟仪器”概念首先是由National Instruments公司提出。是以机算机为基础，用户设计测量仪器，配以相应具有测试功能的硬件作为信号输入和输出接口，进行数集采集、测量与处理，从而完成各种测试功能的一种计算机化仪器系统。其构成如图所示：

下面是虚拟仪器技术应用于物理实验的实例：

单摆测重力加速度

传统单摆实验仪器就是测周期。然而单摆作为物理简谐振动的重要案例，除了让学生学会测周期，还应掌握单摆的运动规律。运用虚拟仪器可很好的测量周期，也可直观的呈现单摆的运动规律。

为了实现实验的预期目标，我们采用pasco传感器及其组件来测量单摆周期，让学生直观地观察到单摆运动的规律。pasco运动传感器（雷达）发射电磁波遇到目标后，将沿着各个方向反射，一部分电磁能量反射回雷达，被雷达天线获取。天线获取的能量形成回波信号，经过放大处理，显示出目标的距离、方向、速度等。单摆来回摆动，其位置时刻在发生改变，因此，利用运动传感器记录单摆摆动的位置随时间的变化。把单摆和运动传感器（雷达），放置在同一直线上。当单摆摆动时，雷达发出雷达波，并被摆球反射，然后被接收，就可以获取到摆球在空间摆动各个时刻的位置。通过位置的变化，可以记录到单摆振动的周期。

实验过程中，让单摆小角度自由摆动，并同时打开运动传感器开关，让数据采集器记录传感器的数字信号，停止数据采集。将数据采集器采集到的位置信号传送到计算机，用pasco软件处理数据，得出如图所示的图像。

进一步，对图像进行数据拟合处理，得出单摆周期T=1.75 s。学生通过直观的简谐振动图像，可以清楚地认识到单摆的运动规律。

应用虚拟仪器技进行物理实验教学，是物理实验教学方法的一种改革，它提供了新的实验手段，能促进物理实验教学的深入开展，提高学生的探究创新能力。当然运用虚拟仪器技术进行物理实验在我国普及程度及为有限。但随着现代教育技术的飞速发展，虚拟仪器技术将会大规模进入物理实验教学中，届时物理实验教学将有“革命”式的改革。物理实验教学将发生质的变化。

参考文献：

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[2]张玉峰，何方，权.虚拟仪器在大学物理实验教学中的应用.濮阳职业技术学院学报.2006年8月.

[3]陈谦敢.虚拟仪器技术在中学物理实验教学中的应用.物理教学探讨.2003年第9期.

[4]赵胜会，刘平等.基于虚拟仪器的计算机控制实验系统.微计算机信息.2006年第7期.