维普资讯 http://www.cqvip.com 第２５卷第３期 江 西 科 学 Ｖｏ１．２５ Ｎｏ．３ ２００７年６月 ＪＩＡＮＧＸＩ ＳＣＩＥＮＣＥ Ｊｕｎ．２００７ 文章编号ｉ１００１—３６７９（２００７）０３—０３０２～０３ 基于ＬａｂＶＩＥＷ的物理演示实验 郑 鹤 松 （河海大学理学院，江苏南京２１００９８） 摘要：物理演示实验是完成大学物理课程教学的重要环节。论述了虚拟仪器在大学物理演示实验中的实际应 用。 关键词：ＬａｂＶＩＥＷ；虚拟仪器；物理演示实验；教学 中图分类号：ＴＭ９３５．３７；ＴＰ３９１．９ 文献标识码：Ａ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬａｂＶＩＥＷ ＺＨＥＮＧ Ｈｅ—ｓｏｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｈｏｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９８ ＰＲＣ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｈｙｓｉｃｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｉｓ ａ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｌｉｎｋ ｔｏ ｆｉｎｉｓｈ ｎｏｒｍａｌ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｔｅａｃｈ— ｉｎｇ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｖｉｒｔｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｉｎ ｐｈｙｓｉｃｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＬａｂＶＩＥＷ，Ｖｉｔｒｕａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，Ｐｈｙｓｉｃｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｔｅａｃｈｉｎｇ １ 引言 从硬件上尽可能地为学生创造环境，例如用电子 课件、动画、显微摄像、ＬａｂＶＩＥＷ虚拟仪器－２ 等现 演示实验是物理教学的重要手段，是课堂教 代教学技术来充分表现大与小、远与近、动与静、 学的有机组成部分。物理课堂教学围绕概念、规 快与慢、整体与局部、内部与外部等一系列复杂而 律进行由浅人深、生动形象的教学，使学生在获得 妙趣横生的物理现象和过程，展现物理教育的丰 感性认识的基础上，更好地理解和掌握物理概念 富内涵 ］。虚拟仪器（Ｖｉｔｒｕａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ简称 和规律。皮亚杰认为：“一切有成效的工作必须 ＶＩ）是随着计算机软件技术发展起来的一项新型 以某种兴趣为先决条件。”浓厚的兴趣能激活学 技术，本文试图为将这种技术引人大学物理演示 生的思维，使其迅速进人物理学习情境中。在实 实验作一些探讨。 际教学的时侯，往往希望学生拥有理性兴趣，但学 生更容易持有低水平的感性兴趣。在感性兴趣迅 ２ 虚拟仪器在物理演示实验中的应 速转化为理性兴趣的过程中，演示实验发挥着重 用 要的作用…。 虚拟仪器首先由美国国家仪器（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎ— 在教学活动中，有效地创造高新技术教学环 ｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，简称ＮＩ）公司提出，其标志就是ＮＩ公司 境进行双向教学，可以更加协调地加强教学环境 的虚拟仪器软件ＬａｂＶＩＥＷ（Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｖｉｔｒｕａｌ Ｉｎ— 中的“外部刺激”与作为认识主体学生的理性兴 ｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ一实验室虚拟仪 趣之间的相互作用。这种相互作用的产生与深 器工作平台）的推出。虚拟仪器增强了用户在标 化，显然与“外部刺激”密切相关。因此，首先要 准计算机上配以经济高效的硬件设备就可以构建 收稿日期：２００７—０４—０４；修订日期：２００７—０４—３０ 作者简介：郑鹤松（１９６３一），男，江苏南京人，高级工程师，学士，从事物理实验教学和研究工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期 郑鹤松：基于ＬａｂＶＩＥＷ的物理演示实验 ・３０３・ 自己的仪器系统能力。它由个人计算机、模块化 的功能硬件和用于数据分析、过程通信及图形用 户界面的应用软件有机结合构成，使计算机成为 电路配合计算机完成对数据的采集、处理、传送、 存储、显示和打印等功能，形成既有普通仪器的基 本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的新型 具有各种测量功能的数字化测量平台。虚拟仪器 仪器。虚拟仪器的组成框图如图１所示。 利用软件在屏幕上生成各种仪器面板，通过接口 Ｉ．测鲥象 和数据控采制集卡 ］怪 仪 ｛计算器机和虚软拟件 结 ｆ 图１ 虚拟仪器组成框图 在计算机上安装基于ＰＣ总线的数据采集卡ＬａｂＶＩＥＷ前面板用于设置输人数值和观察 （ＤＡＱ产品），再配上相应的ＮＩ公司ＬａｂＶＩＥＷ软 输出量。由于程序前面板是模拟真实仪表的面 件，即构成虚拟仪器，以替代常规的演示实验仪 板，输人量被称为Ｃｏｎｔｒｏｌｓ、输出量被称为Ｉｎｄｉｃａ一 器，如多功能信号发生器、数字存储示波器 】、万ｔｏｔｓ。用户可以从控制工具箱中选用许多图板如 用电表等。数据采集卡应用于数据处理及一般用 旋钮、开关、按键、数字显示、ＬＥＤ显示器、图表 途的设计时，主要采用ＰＣＩ或ＩＳＡ总线。ＰＣＩ总 等。在教学过程中，需要做演示实验时，执行 ・线的优势主要体现在传输速率上，同时对插卡的ＬａｂＶＩＥＷ程序，按一下开关，拨动一下旋钮，就可 芯片速度要求较高。ＰＣＩ一１２００数据采集卡是一 以完全操控整个仪器。通过多媒体教室投影系统 块性价比较好的产品，支持ＤＭＡ方式和双缓冲 显示仪器的调整和操作过程，显示实验的现象和 区模式，保证了实时信号不问断采集与存储。它 结果，大大提高了随堂演示实验的可见度和演示 支持单极和双极性模拟信号输人，信号输人范围 牧米。 分别为一５ Ｖ～＋５ Ｖ和０ Ｖ～１０ Ｖ。提供１６路 单端和８路差动模拟输人通道、２路独立ＤＡ输出 ３ 物理演示实验举例 通道、２４线ＴＴＬ型数字Ｉ／Ｏ、３个１６位定时计数 ＬａｂＶＩＥＷ编程的主要特点就是将虚拟仪器 器等多种功能。这些功能使得不仅可以用该卡设 分解为若干基本功能模块（相当于硬件设计中的 计虚拟示波器，也可以设计虚拟函数发生器或虚 集成电路），模块的引脚代表输人、输出接口。通 拟计数器，做到一卡多用。 过交互式手段，采用图形化框图设计的方法，完成 使用一套虚拟仪器系统，可实现示波器、频谱 虚拟数字示波器李萨如图形分析模块程序设计， 仪、信号发生器、逻辑分析仪、电压表、电流表等多 如图２所示 。 种普通仪器的全部功能。由于数据采集卡提供多 由图２可以看出，ＬａｂＶＩＥＷ程序设计过程与 路单端、差动模拟输人通道和ＤＡ输出通道，因而 人们设计仪器的思维过程十分相近，框图程序实 可以采集多路电压信号，并在屏幕上显示测量结 现了程序代码功能，避免了一般程序设计从框图 果，特别适用于测量多种函数变量的实验。例如 构思到程序表述的繁琐。 同时采集随磁场强度和磁感应强度变化的两路电 虚拟数字示波器李萨如图形前面板窗口如图 压信号，采样数据传递给ＸＹ图形控件，即可显示 ３所示。在周期信号测量中，李萨如图形常被用 “磁滞回线”。演示虚拟示波器，通过显示通道选 来测量信号频率。将己知信号和被测信号分别从 择按键“Ａ”和“Ｂ”，可以任意显示某一通道或两 示波器的两个通道输人，进行ＸＹ轴叠加输出，生 通道输入信号的波形；当两通道都处于选通状态 成李萨如图形。假设己知信号作为ｘ轴通道输 入，被测信号作为Ｙ轴通道输人，作李萨如图线 时，使用ＸＹ模式来显示李萨如图形，测量相位差 的包络矩形，设李萨如图与矩形纵边的切点个数 或频率；当两通道都处于选通状态时，使用Ａ＋Ｂ 为ｎ，与矩形横边的切点个数为ｂ，已知信号的频 和Ａ—Ｂ模式来显示两通道信号代数相加、相减 ＾ 后的波形。 率为 ，被测信号的频率为厂２，则 ： 。 维普资讯 http://www.cqvip.com 江西科学 ２００７年第２５卷 图２李萨如图形框图程序 调节图３窗口下方ｘ轴信号频率调节滑块 幅、采样频率和采样周期，观察ｘ通道或Ｙ通道 和左侧Ｙ轴信号频率调节滑块，用鼠标点击前面 信号的波行变化情况。学生通过大屏幕观察李萨 板窗口的运行按钮，就能清楚地显示李萨如图形 如图形和通道波形，非常清楚。并且，实验方法和 和ｘ、Ｙ轴方向的包络矩形切点数。 实验仪器的调整步骤与传统实验基本相同，学生 看到的是真实的物理现象和实验过程，不会消弱 对学生操作能力和动手能力的培养，演示效果却 更好了。 ４ 结论 、 把虚拟仪器技术引入物理演示实验，是虚拟 仪器技术和计算机多媒体技术结合应用的一种新 尝试，给教学和科研带来了生机。在计算机上创 造一个虚拟实验环境，可较好地解决物理演示实 验教学中存在的矛盾，使物理教学改革迈出可喜 图３ 李萨如图形的前面板窗口 的一步。 如图３所示，当已知信号频率为５，待测信号 频率为４时，包络矩形与李萨如图形在Ｙ方向和 参考文献： ｘ方向的切点数分别为５和４，验证了上述公式。 ［１］ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．Ｖｉｒｔｕａｌ Ｉｎｓｔｕｒｍｅｎｔａ－ 调节窗口右侧已知信号频率微调滑块，可以观察 ｔｉｏｎ ｉｎ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，１９９７． 动态或稳定、整步的李萨如图形。按下暂停按钮， ［２］ 叶瑞英．工科物理教学现代化的探讨与实践［Ｊ］．工 弹出框图程序窗口如图２所示，再用鼠标点击各 科物理，１９９９，９（２）：４３—４５． 功能模块图标，屏幕显示相关信息和图形。例如， ［３］ 梁竹健．努力提高物理演示实验教学水平［Ｊ］．大学 鼠标双击水平信号（ｘ轴）图标和模拟信号（Ｙ 物理，１９９９，１８（６）：３９—４１． 轴）图标，可以设置并显示信号类型，有正弦波信 ［４］ 杨乐平，吕英军．虚拟数字示波器的设计与实现 ［Ｊ］．电子技术应用，２０００，２６（７）：２８—３０． 号、方波信号、三角波信号、锯齿波信号等。通过 ［５］杨乐平，李海涛，赵勇，等．ＬａｂＶＩＥＷ高级程序设 演示说明非正弦波信号无法形成李萨如封闭图 计［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００３． 形。此外，还可以从窗口界面设置信号的频率、振
