虚拟仿真技术在物理实验中的应用

　第24卷第9期　2005年9月

实验室研究与探索

RESE ARCH AND EXP LORATI ON I N LABORAT ORY

V ol.24N o.9　

Sep.2005　

・计算机技术应用・

虚拟仿真技术在物理实验中的应用

杨宏伟

(南京农业大学物理系,江苏南京210095)

摘　要:介绍了虚拟仿真技术在大学物理实验中的应用,并结合实际情况,介绍了实验室的基本组成和特点,展望了其在不同领域的应用前景,对正在建设或即将建设虚拟实验室的单位具有一定的参考价值。

关键词:虚拟现实;仿真;实验室;物理实验中图分类号:TP391.9文献标识码:B 文章编号:100627167(2005)0920038202

Application of Virtual Simulation Technology in Physics Experiment

Y ANG Hong 2wei

(Dept.of Physics ,Nanjing Agricultural Univ.,Nanjing 210095,China )

Abstract :This artide the application of virtual simulation technology in university physics experiment.C ombined with the practical situation ,it analyzed the basic com ponents and characters of the laboratory ,prospected the application foreground in different fields.The article is useful for building virtual simulation laboratory.K ey w ords :virtual reality ;simulation ;laboratory ;physics experiment

收稿日期:2004212230

基金项目:全国高等学校教学研究中心研究计划立项课题

(BIA0100922D04);南京农业大学重点课程建设资助项目;南京农业大

学SRT 计划资助项目.

作者简介:杨宏伟(1963-),男,河南汝州人,副教授。博士后,系主任,主要研究方向:计算物理学、生物信息学。T el :025*********;E 2mail :

pphd -yanghw @.

1　引　言

物理实验是大多数高校的一门必修课,在培养学生科学实验素质和能力上发挥着重要作用。用实际仪器做物理实验,既可以培养学生的理论分析能力又能锻炼学生实际操作与动手能力,但一般所用的设备和器件多,损坏消耗大。且通用性差,做新的实验,一般都需要新的仪器。鉴于此种状况,我们设计了一个虚拟仿真实验室。

2　虚拟现实和仿真技术及其应用

虚拟现实(Virtual Reality )是把客观上存在的或不存在的东西,运用计算机技术,在用户眼前生成一个虚拟的环境,使人感到像真实存在。它是20世纪90年代逐渐兴起的综合计算机图形学、计算机模拟与仿真、

传感器技术、显示技术等许多计算机技术的基础上发展起来的一种计算机应用新领域,应用范围十分广泛,可用此技术制作动画片、模拟人在太空中的行走等。

仿真(Simulation )技术和模拟技术是虚拟现实的关键技术。虚拟现实的关键是给用户提供一个虚拟的但真实反映操作对象变化的空间与环境,这种空间与环境是建立在模拟与仿真的基础上的。

通过真实的物理仪器,我们可以做许多物理实验,来验证学过的物理理论的正确性,或发现新的物理规律。例如牛顿让太阳光通过三棱镜,发现太阳光是由7种单色光组成的,从而证明太阳光是一种混合光;法

拉第等人观察电与磁的相互转化,从而发现了电磁感应规律,揭示电与磁的关系等等,这些都是真实物理仪器的功劳。

但随着科学技术的不断进步,由于受各种因素和条件的制约,有时不可能用真实的物理仪器多次重复一些现象让人们去观察和研究。或者,有些实验具有一定的危险性,高破坏性等。

例如:日常使用的日光灯的连接方法,由于是220V 电压,对人体有一定的危险,如果让学生自己亲

手安装,会有危险性,这时,就可以在计算机上做这个实验,轻点鼠标,拉动屏幕上的各种原器件,如果位置

摆放正确,线路连对,则在屏幕上出现日光灯发亮的现象,证明实验就成功了,等这个接线熟练后,再亲自动手作真实实验,就会更有把握,安全系数就会提高。又如,物理学中的热学部分,活塞运动时,其内部气体的温度、压强和体积的变化,靠真实实验,不易观察到,且在高温高压时,还有一定的危险性(如,1000个大气压),而采用虚拟现实和仿真技术,在计算机屏幕上来做这个实验,就很方便节约了。

3　实验室的软硬件组成

在学校的支持下,购置了一批奔腾I V2.8GH z配置的计算机,布置了校园网线,连接了打印机等输入输出设备。用先进计算机组成的虚拟现实仿真实验室,可以做许多教学和开发工作。

软件方面,主要采取了以下措施来装备实验室。

(1)利用仪器公司赠送的软件。现在,开发教学仪器的厂家很多,各有自己的特色,其宣传材料已由原来的纸质发展到现在的光盘。为了展示该公司的形象,有时会赠送一些相关的物理虚拟实验光盘,这时候就可以利用起来。如:南京协力技术研究所开发的“磁控条件实验软件”和“金属电子逸出功实验软件”等,应用起来就很方便。

(2)网上资源。许多高校的教师在业余时间开发了部分虚拟实验软件,都挂在网上,有些也做得非常成功,这部分也是很宝贵的资源,可以有指导性的让学生利用。另外,专业做虚拟实验软件的公司也建设有自己的网站,可以登录,有些演示实验也是可以利用的。

(3)购买商业软件。根据财力先选购价格低的,可在此基础上开发,或在财力许可时,购买价格较高性能较好的软件。

(4)交流软件。利用学术交流会,学校间的相互交流,也可获得部分很有价值的软件。

(5)自主开发软件。在课余时间里,组织本科生,成立开发小组,自主开发一些简单的物理实验软件,如:“日光灯的连接方法”等。一方面丰富了学生的课外活动,另一方面,提高了学生解决实际问题的能力,在工作中学习,同时也为教师上课解决了一些问题。

4　实验室的主要作用

(1)物理实验的预习和复习。将实验的仿真仪器等资料挂在局域网上,可以让学生随时进行相关的预习和复习,加深学生对实验的印象,有利于实际实验的顺利进行。

(2)设计开发新型实验。设计开发新型实验一般需要一些新的仪器设备,但如果利用虚拟的方法来设计,则其投资就大大降低了,只要设计好虚拟的物理仪器,就可以用鼠标拉动,应用起来十分方便;当然,前期开发也需要一定的精力和投入,但开发成功之后,其维护成本就很低廉了。

(3)可做危险性实验。真实实验中,有些是十分危险的,如高温高压实验,强放射性实验等,用虚拟的方式在计算机上做就安全多了,不用担心会出现伤亡事故,减少不必要的损失和麻烦。

(4)仪器价格高昂的实验。在财力有限的情况下,用虚拟手段做此类实验是很好的,如物理学中的原子弹爆炸实验,星球碰撞,车辆撞击实验等,只要正确设计参数,就可以再现实验结果,不必担心投资不起。

(5)周期漫长的实验。农业科学、生命科学中,有些实验的周期很长,如繁殖育种,微量元素对生物体的作用,植物生长等,实际观测需要很长时间,这时候就可以在计算机上虚拟仿真,观测其变化规律,从而推断其结果。

当然,虚拟仿真技术的应用范围远不只这些,在现实生活中,随时都可以感受到虚拟技术的应用。其前景非常诱人。

5　结　语

上述软件基本上可以满足教学要求,也各有特点与不足,如:商业软件较完善,但可修改性差,且有多种限制,只能按厂家的要求来做,一般价格都很高;自主开发或交流的软件,可修改性好,但需投入大量的精力去做;网上资源丰富,但有时受到网络速度的限制,有时可能很慢。而赠送的软件一般数量上很有限。

将这几类软件结合起来应用,并结合实际情况,认真动手开发一些具有自身特色的软件,可以达到一定的效果,且能很好地节约资源。

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