大学物理仿真实验教学系统中霍尔效应虚拟实验课件的设计实现

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实验场景设计实现概述
实验过程能被划分成几个相对独立的单元， 它们被设计为
各个虚拟场景。 课件使用三维图像技术实现虚拟场景的图像仿真： 使用三 维图像绘制软件建立各实验单元下的三维场景模型， 包括实验 室、 实验桌、 各种实验仪器、 仪器之间的接线等， 再渲染成一幅 三维立体图片作为虚拟场景的背景图。然后， 使用菜单或在背 景图上设置热点等技术实现场景的简单控制功能。 在实验操作场景中， 课件则根据仪器之间的相互关系及所 有仪器的整体关系， 建立场景的数学模型， 通过事件驱动方式 协调仪器之间的相互作用。
件产生的霍尔电压， 使学生加深对霍尔效应原理的理解， 并掌 握利用霍尔效应测量磁场的方法。 虚拟实验课件霍尔效应包括了对实验目的、霍尔效应原 理、 实验内容、 实验仪器说明等实验相关材料的介绍， 对线路连 接、 不等位电势的测量与消除、 直流情况下的霍尔电压的测试、 交流情况下的霍尔电压测试等实验操作内容的虚拟， 以及辅助 处理实验报告等内容。
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图& 虚活性。
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虚拟仪器设计实现
虚拟仪器对象将各个实验仪器独立出来。 该课件采用数值
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课件的设计实现
实验相关材料是实验的指导， 课件用材料显示模块将它们
仿真与图像仿真技术，虚拟出了每个仪器的内部工作机制、 面 板上的各个操作与响应、 以及对电路中其它仪器的影响。每一 个仪器由仪器图象、 各可操作部件、 各显示部件、 输入、 输出组 成， 它们之间由仪器内部工作原理联系。仪器之间则由实验场 景（ 直流测试场景、 交流测试场景） 相互关联。下面就电位差计 的建模讨论其实现： 图 !（ 是初始状态的电位差计， 其上各个旋钮、 开关都是 )） 子对象， 可以任意调节， 当外界条件发生变化或旋纽、 开关被调 节后，检流计指针会根据其内部公式进行计算并响应变化， 图 即是调节后的状态。 !（ -）
（ 初始状态下的电位差计 )） 图!
（ 调节后的电位差计 -）
（ 图像仿真： 使用三维图像绘制软件绘制出电位差计整 &） 体的三维立体图作为模型的背景图， 绘制出各可操作部分各种 状态下的图像用于对应子对象的建模。 （ 各可操作部件及显示部件建模： !） 对仪器的操作就是改变仪器各可操作部件的状态， 因此可 将各可操作部件抽象成一个类，包括可操作部件总状态数， 当 前状态序数， 各种状态下的图像。 在接受操作时， 可操作部件根 据操作消息改变当前状态序数， 并将当前状态下的图像载入显 示， 以此虚拟可操作部件的操作动作。如步进盘旋纽总状态数 为 &! ， 它在各种状态下的图像如图 # 所示：
结果， 同时， 接线也能加深对原理的了解。 为了培养学生的电路 连接技能， 本课件可让学生任意接线， 具有高度灵活性， 并编制 了回路搜索算法来判断接线正误。 接线操作模拟： 接线场景由所有仪器合理摆放在实验桌上 的图片构成， 其中定义了各仪器的接线柱， 通过编写各接线柱 的鼠标事件以响应学生的鼠标操作， 使用 ’()*+), 的线条动态 绘制技术实现接线的绘制、 擦除， 模拟接线柱间的接线操作， 并 使用邻接矩阵记录接线情况。
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工作原理（ 数值仿真） 用如下过程实现（ “ 后的文字为注释） ： ( (”
1E 倍率开关 $M:BB Z ! 2=:)
检流计读数： Z " 断” 状态 ( ( 倍率开关处于“
使用面向对象方法、事件触发机制完成课件的设计实现， 具有高的交互性。 各种仪器的各种旋钮、 按钮等可操作部分可任 意操作， 实验文字材料可随时调入观察。 实现了良好的可操作性。
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!""#$% 计算机工程与应用
接线正误判断： 常用的接线判断方法是用枚举法列出正确 接线时各接线柱连线情况， 再与学生接线情况比较。由于该实 验有 && 个仪器， 接线柱达 !& 个之多， 接线情况相当复杂， 正确 接线情况也非常之多， 该方法是行不通的。该课件编制了回路 搜索算法， 根据记录的接线情况搜索接线回路， 并与正确回路 比较来判断接线的正误：首先定义各仪器所属的接线柱集合、 接线柱之间在回路中的权值数组以及正确回路所应包含的仪 器集合， 接线完毕后利用图的搜索算法， 根据权值数组中定义 的权值搜索所接线路图中的回路。 该方法大大降低了判断的复
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电位差计步进盘旋钮所有状态下的图像
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接线场景的实现
接线是电学实验中重要的一步， 正确的接线才会有正确的
显示部件亦可抽象成两个类： 表盘指针部件， 数字显示部 件。表盘指针部件包括指针最小角度、 最大角度、 当前角度、 指 针长度， 根据仪器数值仿真计算结果改变当前角度， 并在表盘 上动态透明绘制指针。数字显示部件包括 " 至 . 共 &" 个数字 的图像、 显示位数、 显示值， 根据仪器数值仿真计算结果改变当 前显示值， 并载入所需的数字图像。 数值仿真： 为虚拟仪器内部工作机制， 根据物理规律建 （ #） 立仪器的理论模型、 经验模型或半经验模型。电位差计是利用 其上的检流计指针作为指示调节各旋纽来测量外部电压， 所以 检流计指针会随外部电压、 各旋钮的状态改变而改变， 其内部 计算机工程与应用 !""#$%
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检流计调零 Z OD?)@ （ ’4[O4)C: \ （ P4BJO4)C: ] （ U:8RO:0?B2 ： 旋纽 $M:BB H *" ） \ ） ； 由检流计调零旋纽产生的偏移 ( ( 中间结果： ^:6DP4BJO4)C: ）
1E 扳键开关 $M:BB Z # 2=:)
标准” 状态， 即处于校准工作电流状态 ( ( 扳键开关处于“ （ 检流计读数： ZU:8RO:0?B2HOD?)@ （ *HGD;M?66:)2 ） \P4BJ@1J_ ）
大学物理仿真实验教学系统中霍尔效应 虚拟实验课件的设计实现
谭守标 王晓蒲 霍剑青 （ 中国科学技术大学天文与应用物理系， 合肥 !#""!’ ）
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摘 要 霍尔效应虚拟实验课件采用面向对象技术实现实验场景及仪器的数值建模与图像建模，用逼真的三维图片和
事件驱动方式实现场景和仪器的界面及操作仿真， 实现了可设计性、 操作的任意性和具有真实 感 的 交 互 功 能 ， 使学生能 像操作真实实验一样操作它， 产生浓厚的兴趣， 达到良好的教学效果。 关键词 虚拟实验课件 面向对象建模 仿真 文献标识码 8 中图分类号 9:#;&$;
文章编号 &""!)7##&)（ !""# ） "%)""%!)"#
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课件总体结构