大学物理仿真实验

虚拟仿真系统实验

虚拟实验技术起源于20世纪末，是依托“虚拟现实”（Virtual Reality，英文缩写VR）技术而产生和发展的一种实验模式。国内外一些远程教育机构曾采用过各种方法来解决实验的近距离性与教学手段的远距离性的矛盾。在当时使用的各种方法中，有的仅适合少数简单实验，有的由于与理论教学不相衔接而导致效果不佳。直至20世纪90年代，计算机硬件和虚拟实验技术的迅速发展才给远程实验教学带来了希望。

虚拟实验技术是利用软件和硬件的结合，取代传统的常规实验仪器设备，在计算机或计算机网络上进行模拟、仿真各种实验的技术。利用现代计算机和高速网络，物理实验可以实现虚拟化和远程化，从根本上解决现有的实验教学与远程教育模式不相适应的状况。本实验主要介绍由中国科技大学开发的《大学物理仿真实验2.0》系统的使用。

[实验目的]

1. 掌握大学物理仿真实验系统的操作和使用；

2. 了解大学物理分布式远程虚拟仿真实验教学系统所能实现的功能；

3. 在大学物理仿真实验系统中进行仿真实验。

[实验仪器]

1.计算机；

2. 大学物理仿真实验系统。

[实验原理]

虚拟实验系统由计算机（或计算机网络）、实验设备模块和实验软件三部分组成。为了能够保证实验软件的运行速度，运行虚拟实验系统的计算机对cpu处理器和内存有一定的要求。当在本地计算机上进行实验时，还要求配备有外部存储设备，例如硬盘等。

实验设备模块的功能主要靠软件来实现。通过编写程序，可以在计算机上实现多种仪器，例如示波器、信号发生器、数字万用表等，或是直接显示信号的强度、频率、波形等性质，并利用鼠标键盘等输入设备对仪器进行操作和调节。计算机上软件形式的虚拟设备具有很大的灵活性，实验者可以根据自己的需要进行设计、定义和扩充，使得这些虚拟设备更符合实际测量精度需要。利用各种虚拟仿真实验软件，不但能很好的完成传统实验室的工作，还可以实现一些在传统实验室中无法完成的事情。实验仿真软件是一个实验平台，它可以把要研究的对象用多媒体手段表现出来。

[实验内容与步骤]

1. 运行计算机桌面的“大学物理仿真实验”快捷方式图标，将弹出用户登录对话框，如图 1-1-1所示。

在此登录界面，学生可输入自己的姓名、密码、以及服务器IP地址和端口（服务器地址、端口请向教师获取）等参数，点击“确定”按钮后即可登录。如需要修改默认的服务器地址和端口，可以单击“修改服务器信息”选项，再填入正确的服务器地址和端口。若钩选了“修改密码”选项，那么用户在登录后可以对密码进行修改。

若选择了“修改密码”选项，则在登录后，出现对话框如图 1-1-2：

用户可以修改密码，单击“确定”按钮确认密码修改，单击“取消”按钮取消密码修改；

2. 若成功登录，计算机将播放“大学物理仿真实验”软件的介绍影像。影像结束后，出现“大学物理仿真实验”的界面（以下简称“主菜单”）如图 1-1-3所示，

其中，“提交实验报告”选项是“实验报告处理系统”的选择菜单。

在成功登录大学物理仿真实验界面后，用户可以断开网络连接，在本地做仿真实验。

3. 用户单击实验的名称可以做相应的实验。

4. 实验结束后可以单击“提交实验报告”，运行实验报告处理系统以获取、书写、发送实验报告。

（1）单击“新建”按钮或者在主菜单上选择“文件→新建”，用户可以新建一个实验报告（注：新建实验报告后，请手动进行页面设置，以适合您打印和显示）。

（2）单击“获取报告”按钮或者在主菜单上选择“网络→获取报告”，弹出选择实验的对话框（在该对话框中，只能选择可以递交实验报告的实验），见图 1-1-4所示。

（3）若成功的接收并打开实验报告，在主菜单上选择“文件→编辑”或者单击工具栏中的编辑按钮，对实验报告进行书写、修改（与通常的Windows记事本用法相同）。编辑结束，用户可以利用Windows记事本的功能直接存储副本在本地硬盘上，也可以直接退出Windows记事本，本系统也给您提供了完善的文件管理功能。

（4）单击工具栏中的保存按钮或者在主菜单上选择“文件→存盘”，将弹出存储实验报告的对话框，缺省的文件是以实验名称命名的，用户也可以修改文件名称和所在目录进行存储。如果用户选择的文件名已经存在，将提示用户是否覆盖原来的文件。（注：本功能用户修改实验报告后有效）。

（5）单击工具栏中的提交按钮或者在主菜单上选择“网络→递交报告”将把现在正在处理的实验报告上交到教学管理服务器上。

（6）单击工具栏中的退出按钮或者在主菜单上选择“文件→退出”，将关闭本系统，且返回到“大学物理仿真实验”主菜单；如果用户当前打开的实验报告被改动而没有存储，将提醒用户存储。

5. 单击主菜单的“退出”，退出“大学物理仿真实验”。

[实验报告要求]

1. 实验报告可以直接在大学物理仿真实验系统中提交，或是稍后以书面形式上交。当在仿真实验系统中提交时，注意应当在实验报告的开头处标明实验者的班级、学号、姓名。

实验报告中应包含所进行的仿真实验项目的实验原理、所进行的操作内容和步骤、以及所测量到的实验结果。在实验报告的最后一部分应对实验结果进行简单分析。

2. 对仿真实验软件的应用前景进行分析或谈谈自己的实验体会与收获。

[思考题]

1.与常规实验相比，仿真实验有何优点？有何缺点？

2. 如果你学习的是计算机相关专业的话，那么通过本实验的学习，对你今后的专业学习有何启发？

[参考资料]

1. 周雪松,丰美丽等.虚拟实验技术的研究现状及发展趋势[J].自动化仪表,2008,29(4);

2. 王明东,赵维明等.近代物理虚拟实验的研究与实践[J].实验室研究与探索,2009,28(12);

3. 杨伟斌,张红.虚拟仪器在普通物理实验中的应用[J].物理与工程,2009,19(3);

拓展知识－大学物理仿真实验系统介绍

广西工学院现采用仿真实验教学软件是由中国科技大学开发的《大学物理仿真实验2.0》系统。该系统通过计算机把实验设备、实验内容和实验操作有机的融合在一起。与传统仿真实验平台相比，该系统在仪器的仿真操作、图形化的人机界面等方面均取得了重大突破。

本仿真实验系统可以增进实验者对物理实验思想方法的理解，对培养实验技能、深化物理理论知识有着很大帮助。它具有如下几个特点：

1. 在实验环境模拟方面进行强化。实验者能通过仿真实验软件对实验的整体环境、仪器结构建立起直观认识。仿真界面中的仪器关键部位可以进行拆卸操作，从而让实验者了解仪器的内部构成，加强对实验方法的理解；

2. 采用模块化仪器结构。模块化仪器可以让实验者对提供的仪器进行选择和组合，培养学生的设计思考能力和分析能力；

3. 模拟了完整的实验过程。实验者必须在理解的基础上才能实现正确的操作，避免了实验中的盲目操作和“走过场”现象的发生；

4. 实验中的帮助页面可以随时让学生对实验背景和应用等方面进行了解。

本《大学物理仿真实验2.0》系统中包含了多个实验内容，具体列表如下：

电子自旋共振实验；分光计实验；弗兰克-赫兹实验；法布里-珀罗标准具实验；能谱实验；光电效应测普朗克常数实验；G-M计数

管和核衰变统计规律；检流计的特性实验；凯特摆测重力加速度实验；薄透镜成像规律研究实验；低真空实验；螺线管磁场的测量与研究实验；核磁共振实验；偏振光的研究实验；阿贝比长仪及氢氘光谱测量；平面光栅摄谱仪及氢氘光谱拍摄；热敏电阻温度特性实验；示波器实验；油滴法测电子电荷实验；塞曼效应实验。

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