国家级物理虚拟仿真实验教学中心建设

国家级物理虚拟仿真实验教学
中心建设
张增明
中国科学技术大学
哈尔滨2014.7.28
国家级物理虚拟仿真实验教学中心
教高司函〔2013〕94号
关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心
建设工作的通知
指导思想: 科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展
宗旨: 全面提高高校学生创新精神和实践能
力
核心: 共享优质实验教学资源
重点:建设信息化实验教学资源
建设任务和内容
•虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的教学效果。

•实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。

–高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作，
–高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时，提供可靠、安全和经济的实验项目。

•充分体现虚实结合、相互补充、能实不虚的原则。

•虚拟仿真实验教学资源。

•发挥学校学科专业优势，积极利用企业的开发实力和支持服务能力，充分整合学校信息化实验教学资源，以培养学生综合设计和创新能力为出发点，创造性地建设与应用高水平软件共享虚拟实验、仪器共享虚拟实验和远程控制虚拟实验等教学资源，提高教学能力，拓展实践领域，丰富教学内容，降低成本和风险，开展绿色实验教学。

虚拟仿真实验教学的管理和共享平台。

•建设具有扩展性、兼容性、前瞻性的管理和共享平台，高效管理实验教学资源，实现校内外、本地区及更广范围内的实验教学资源共享，满足多地区、多学校和多学科专业的虚拟仿真实验教学的需求。

探索校企共建共管的新模式和新途径，建立可持续发展的虚拟仿真实验教学服务支撑体系。

虚拟仿真实验教学和管理队伍。

•建设教学、科研、技术人员结合，核心骨干人员相对稳定，结构合理的虚拟仿真实验教学团队，形成一支教育理念先进，学术水平高，教学科研能力强，实践经验丰富，勇于创新的虚拟仿真实验教学和管理队伍。

虚拟仿真实验教学中心的管理体系。

•以虚拟仿真实验教学资源的开放共享和充分使用为目标，系统制定并有效实施保障虚拟仿真实验教学的教师工作绩效考核、经费使用管理、实验教学中心维护与可持续发展等政策措施，建立有利于激励学生学习和提高学生创新能力的教学效果考核、评价和反馈机制。

申报范围
•本次申报单位是普通本科高等学校和军队高等学校，申报对象是国家级或省级实验教学示范中心。

每所学校可申报1个项目。

40项基础物理实验
虚拟仿真实验教学平台
•国家级实验教学示范中心信息化建设，教育部（2006-2007）
•国家级精品课程“大学物理实验”，教育部
（2003-2007）
•以学生为主体、培养学生创新能力物理实验教学方法的研究，省重点（2008-2010）
主要用于：课前预习、课后复习、巩固
迈克耳逊干涉仪
掌握迈克尔逊干涉仪的干涉原理
•观察非定域干涉条纹，干涉条纹的形状、疏密随
光程差的变化情况。

•测量He-Ne激光的波长
•测钠黄光波长及钠黄光双线的波长差，
•调节观察白光干涉条纹，
测定透明薄片的折射率.
破解黑盒子
预防精密部件
损伤
《大学物理实验》国家级精品课程升级为教
育部国家级精品资源共享课程
•2013年6月正式首批上线。

国内高校师生均可直接上网，获取相关资源。

视频课件：85 件；实验讲义：81 项
101个实验视频课件
•面向大面积学生开设计性、研究性实验创造条件
•突破设备、教学时间和师资力量不足的教学瓶颈
•实验中心组织各实验负责教员精心备课，突出实验难点，关键的实验技术和方法
•制作了适合学生课前准备、课后复习的101个实验视频公开课件.
•通过反馈、研讨，对这些视频课件不断进行了优化，紧扣科研前沿，快速将最新的仪器设备、新建的实验内容视频化，充实内容。

分光计的使用和调整
实验目的：
1、学习掌握分光计的调整技术和技巧；
2、学会利用分光计测量三棱镜的顶角和最小偏
向角
思考题：
已调好的望远镜光轴垂直于
主轴，若将平面镜取下
后，再放到载物台上（放
的位置与取下的位置不
同），发现两镜面又不垂
直望远镜光轴了，为什
么？是否望远镜的光轴还
没有调好？
用椭偏仪测薄膜厚度和折射率
实验目的：
1、了解椭圆偏振测量的基本原理，掌握利用椭偏仪测量薄膜厚度和折射率的基本方法。

2、学会组装椭圆偏振仪，熟悉椭圆偏振仪使用。

思考题：
1、怎样获得等幅椭圆偏振光，等幅椭圆偏振光在实验中有什么作用？
2、椭偏仪测量材料的折射率和薄膜厚度时，对样品有什么要求？
3、简述起偏器、检偏器及1/4波片的作用。

4、如何分辨薄膜样品不同界面的反射光点？
激光散斑测量实验
实验目的：
1、让学生初步了解激光散斑的特性；
2、学习有关散斑光强分布和散射体表面位移的实时测量方法：相关函数法；
3、了解激光光束的基本特点以及CCD光电数据采集系统。

思考题：
1、激光散斑测量的光路参数（P1,P2）选择是根据什么？
2、为什么在本实验中散斑的大小用CCD像元，而毛玻璃与CCD表面的距离可以用卷尺（最小刻度为1毫米）？
3、根据自己的理解说明散斑光强的相关函数的物理意义。

4、毛玻璃上高斯光斑半径W=2.5 mm，想使表征激光散斑大小的参数S在CCD接收面上为50个像元，毛玻璃距CCD接收面的距离P2为多少？
硬件重构的虚拟核物理系列实验
设计可重构的教学平台，通过硬件重构和软件配置，产生虚拟放射源。

可完成a粒子、b射线、g射线等相关的高危核物理实验教学。

其实验效果不仅达到传统的以NIM系列核仪器构成的上述实验外，还引入了当今核与粒子物理实验的可重构理念和技术，学生可以现场重构实验系统，自主设计实验,研究a粒子、b射线、g射线与物质相互作用原理,并掌握相关的核技术和核应用知识。

虚拟仿真物理实验平台


虚拟仪器插件


虚拟示波器


计算机多道


虚拟核物理实验项目
• • • • a粒子的能量损失实验； b射线的吸收实验 g射线的吸收实验 X射线的吸收和特征谱 • NaI（TL）闪烁谱仪 • • • • 长塑料闪烁体计数器 半导体a探测器 Si(Li)X射线谱仪 Ge(Li)g射线谱仪
• 电流电离室实验 • BF3正比计数器实验 • G-M计数器的性能测量 • 多丝正比室实验 • 漂移室实验
• 闪烁体荧光时间特性的 观测与分析实验 • 低能X射线谱仪 • 放射性核素半衰期测量


æ 1 ö æ zZ e 2 ö dW n =ç n N t ÷ ç ÷ 4 p e 4 E è ø sin 4 q 0 ø è 2 æ ze =ç ç 32 p e 0 è
2
2
2
ö æ Zf ö2 nN t ÷ ÷ ÷ ç E è ø L 2 × sin 4 q ø 2 n0 æ f ö ç ÷ è E L ø sin 4 q 2
6000 5000
2
2
= 1 .9 1 3 ´ 1 0 - 2 9
Theoretical Experimental
4000
Count @100s
3000
2000
1000
0 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
Scattering angle /deg
卢瑟福散射实验


7/2+
137 55
Cs
30.17a 11/22.55min
0.51 94.6% 1.17 5.4%
3/2+
0.662 g85.0% e9.6%
137 56
Ba
Eg = 0.662 MeV Eg E = = 0.478 MeV 康普顿边界： c m0 c 2 1+ 2 Eg 反散射峰： Eb = 1 - Ec = 0.184 MeV
光电峰：
g能谱仪
g能谱实验


相对论效应实验
Ek =
( pc )
2
2 m0c 2
Ek =
( pc )
2
2 4 + m0 c - m0c 2
速度(/c)
0.00 0.36
0.62
0.76
0.84
0.89
0.92
0.94
0.95
0.96
0.97


宇宙线物理(Cosmic Ray Physics) 教学实验的介绍


宇宙线物理(CRP)实验的意义
大气中宇宙线的来源和成分：
– 地球大气中的宇宙线来源于太空中的高能 粒子和大气顶层分子中的原子核碰撞发生 核反应所产生的次级粒子。

这些高能粒子 的主要成分是质子，它们对地球的碰撞是 各向同性的。

人们对这些高能粒子的来源 和加速原理尚没有一个完全的认识。

– 这些核反应所产生的第一级次级粒子主要 是π介子。

它们衰变为μ轻子（又称 muon或μ子）和中微子。

– 由于相对论效应这些只有2.2微秒平均衰 变寿命的μ子在接近光速的飞行中能穿过 十几公里的大气层到达海平面。

除去中微 子，在海平面的宇宙线粒子95%是μ子， 其余是光子和电子。

它们在海平面的通量 大约为 0.8粒子／cm2／分钟。

– μ子带电，穿透力强，易于测量。

图示大气中宇宙线的形成.
图来 源:/quantum_diaries_survi
vor/highestenergy_cosmic_rays_auger 。

宇宙线物理(CRP)实验的意义
在对μ子的测量中学生能接触到的概念和技能：
– – – – – – – – – 粒子通量 粒子的平均寿命及其测量 带负电的μ子被原子核的俘获 随机事例和其统计涨落，统计误差 物理本底，测量和排除 信号与噪声事例的鉴别 实验数据的获取，处理和理论的假设检验 爱因斯坦的狭义相对论 GPS定时和宇宙线簇射的符合测量
涵盖了核及粒子物理中许多重要的概念和技能，能为学 生提供从基础实验到研究型实验的多层次训练机会。

测宇宙射线中m子寿命实验原理


宇宙线物理(CRP)实验的设备
上、下探测器及其支架。

该支架可使此二 探测器相对于垂直线0，±15和±30度角。

读出电子学前面版


m子寿命谱仪


m子寿命谱




极端条件超高压物理实验 超高压装置及光谱测量系统 DAC
Sample
Ruby


p 压致相变
H2O
冰(Ⅶ) 冰(Ⅵ) 水 冰(Ⅵ)
加 压
降 压
压
降
加 压


p 压致相变
Eu(DBM)3
加压
高压Ⅱ相 高压Ⅰ相
常压相


高压荧光
MnS/ZnS 核壳量子点
TEM
Ruby
HRTEM

。