基于flash的物理演示實驗仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

基于flash的物理演示實驗仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

物理和化學(xué)是實驗科學(xué)。物理演示實驗的目的是驗證物理規(guī)律。然而很多學(xué)校由于實驗經(jīng)費不足、儀器缺少或設(shè)備陳舊等客觀條件的限制,導(dǎo)致事實上許多演示實驗的實現(xiàn)存在困難。波動光學(xué)又是整個大學(xué)物理演示實驗中比較難操作和觀察的,因為它對儀器的調(diào)節(jié)要求較高,同時環(huán)境雜散光的干擾也會影響實驗效果。計算機具有強大高速計算功能和圖形圖像處理功能,利用它能精確地實現(xiàn)各種存在實際操作困難的物理演示實驗仿真,大大地提高演示實驗在課堂教學(xué)中的可視性。本文根據(jù)波動光學(xué)的實驗原理,利用Flash動畫制作仿真演示實驗,然后導(dǎo)入Authorware設(shè)計的系統(tǒng)框架中,該虛擬實驗系統(tǒng)特別適合實驗設(shè)備條件較差的學(xué)校在課堂教學(xué)中使用。1仿真準備實驗過程大學(xué)物理仿真演示實驗系統(tǒng)由力熱學(xué)、電磁學(xué)和波動光學(xué)三部分構(gòu)成,其中波動光學(xué)有楊氏雙縫干涉現(xiàn)象、劈尖干涉現(xiàn)象、牛頓環(huán)干涉現(xiàn)象、縫寬可調(diào)單縫衍射、圓孔衍射、兩偏振片演示偏振現(xiàn)象等常用演示實驗。該虛擬實驗系統(tǒng)利用多媒體制作軟件Authorware設(shè)計課件的整體框架,包括其中的實驗原理和基本的交互功能。而內(nèi)核的仿真演示實驗是系統(tǒng)開發(fā)中的主要部分,它使用制作矢量圖動畫的軟件FlashMX來實現(xiàn)。開發(fā)過程首先選取一些缺少儀器的演示實驗或比較抽象在一般物理實驗過程中無法或較難表現(xiàn)的模型,根據(jù)所選定的演示實驗的原理、要求、步驟和計算公式編寫腳本內(nèi)容,把程序要達到目的用文字表述出來。然后搜集和制作編程所需的素材,包括課堂實驗原理的文本文件并錄制WAV聲音文件,背景音樂文件,實驗視頻文件,Flash仿真實驗動畫文件,實驗儀器圖像文件。最后是根據(jù)腳本內(nèi)容編寫Authorware程序,并導(dǎo)入Flash仿真實驗動畫或?qū)嶒炓曨l文件等。2光的波動性質(zhì)波動光學(xué)包括干涉、衍射和偏振內(nèi)容,都是以光的波動性質(zhì)為基礎(chǔ)。下面以單色光照射到直徑大小可調(diào)節(jié)的小圓孔產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象來說明波動光學(xué)仿真演示實驗的制作過程。2.1愛里斑半徑的計算光在傳播過程中能繞過障礙物的邊緣而偏離直線傳播的現(xiàn)象叫光的衍射。當(dāng)光波照射到小圓孔時會產(chǎn)生衍射現(xiàn)象,在觀察屏上看到的衍射圖樣中間是一個較亮的圓斑(稱為愛里斑),愛里斑的光強占整個入射光束總光強的84%,外圍是一組同心的暗環(huán)和明環(huán)。由理論計算可得愛里斑的半徑為R=1.22λdfR=1.22λdf其中R是愛里斑的半徑,λ是單色光的波長,d是小圓孔的直徑,f是透鏡L2的焦距,圖1為計算愛里斑半徑用圖。由計算公式可知,小圓孔的直徑越大,愛里斑的半徑就越小。當(dāng)λ/d?1時,衍射現(xiàn)象可忽略。2.2模擬動畫的制作利用Flash制作大學(xué)物理仿真演示實驗主要有三個方面工作:一是根據(jù)實驗原理、實驗步驟和計算公式將實驗現(xiàn)象腳本內(nèi)容設(shè)計成動畫內(nèi)容,二是把動畫內(nèi)容按一定的程序制成一段仿真動畫,三是通過一定的方式實現(xiàn)對仿真動畫播放的控制,使仿真動畫具有交互性。具體制作過程包括元件庫制作、圖層創(chuàng)建、操作幀編輯和動作添加。2.2.1基于不同光柵組件的“基于”圖形繪制1)在FlashMX中新建一個動畫文件,設(shè)置場景背景黑色,其他默認。2)選擇[Insert/NewSymbol]新建一個圖形符號“透鏡”組件。使用橢圓工具在[ColorMixer]面板中調(diào)色后繪制一透鏡圖形。用類似方法制作“光源”、“蒙板”、“光屏”、“圓孔”等組件。3)新建一個按鈕“開始”組件然后導(dǎo)入一張按鈕圖片,在按鈕的[UP]、[Over]、[Down]、[Hit]幀中分別以不同顏色填充,使演示中點擊時按鈕產(chǎn)生被按動的效果。4)新建“實驗圖像”組件,選取圓形工具,將其填充色去掉,然后根據(jù)衍射計算公式在該界面的第一幀繪制多個同心圓。2.2.2創(chuàng)建儀器名稱標(biāo)1)單擊Scene1,創(chuàng)建“物圖”層,從組件庫中把“透鏡”、“蒙板”、“光源”、“光屏”、“圓孔”拖出并擺好。2)創(chuàng)建“字”圖層并將各儀器名稱標(biāo)上。3)創(chuàng)建“光線”圖層。使用直線工具從光源S出發(fā)繪制光路圖。4)在“光線”層上創(chuàng)建“蒙板層”圖層,從組件庫中將“蒙板”拖出,其右端緊挨“光源”放置。在蒙板層上創(chuàng)建“圖像”圖層。5)在“圖像”層上創(chuàng)建“控制”圖層,從符號庫中將四個按鈕拖放到界面中并調(diào)整其大小。選取文本工具分別在按鈕上輸入控制名稱“播放1”、“停止”、“繼續(xù)”、“播放2”。6)最后新建一圖層用于一些必要的說明。2.2.3生成mask1)在“蒙板層”層第50幀插入一個關(guān)鍵幀,將“蒙板層”中蒙板符號向右平移直至將光線全部覆蓋為止,然后在該層第1幀[Properties]面板上設(shè)置Tween選項為motion,創(chuàng)建第1幀到50幀的動畫。2)分別在“物圖”、“字”、“光線”層的第50幀插入一關(guān)鍵幀。3)在“蒙板層”層單擊鼠標(biāo)右鍵并選擇菜單中的“Mask”,將光線所在層設(shè)置在蒙板層的“遮罩層”。4)在“圖像”層第50幀插入一個關(guān)鍵幀。將“實驗圖像”組件拖出放置在光屏右側(cè)。在“圖像”Properties面板的Color中選Alpha,將其值置為30%。然后在該層第65幀插入一個關(guān)鍵幀,將該幀圖像的Alpha值置為100%。最后在第50幀單擊鼠標(biāo)右鍵選Creatmotiontween,創(chuàng)建50到65幀的動畫。5)在“圖像”層第61幀插入一個關(guān)鍵幀,將“實驗圖像”組件拖入,然后分別在第90幀和第100幀插入一個關(guān)鍵幀,單擊第90幀,將圖像變?yōu)橐粋€小圓點并設(shè)為圖形符號,同樣方法在第100幀根據(jù)愛里斑半徑與小圓孔直徑的公式,繪制一個稍大一點的圓點,以展現(xiàn)圓孔直徑增大時圖像的變化。最后在第100幀添加一個[stop()]函數(shù),讓影片到此停下。2.2.4添加動作1單擊“1”按鈕，在[操作]界面中選擇專家模式，并添加按鈕的腳本代碼on(release){gotoAndPlay(1);}2小圓孔的衍射仿真實驗“停止”按鈕:on(release){k=root.currentframe;gotoAndStop(k);}“繼續(xù)”按鈕:on(release){k=root.currentframe;gotoAndPlay(k);}“播放2”按扭:on(release){gotoAndPlay(61);}按“Ctrl+Enter”鍵調(diào)試演示動畫以達到最佳效果后將影片發(fā)布。到此圓孔衍射仿真實驗制作完成。圖2是“播放1”按鈕后虛擬單色光照射在一個小圓孔產(chǎn)生的衍射條紋,中間愛里斑的光強占整個入射光束總光強的84%,所以較明亮。點擊“播放2”按鈕,隨著小圓孔的直徑不斷增大,愛里斑的半徑不斷變小。最后當(dāng)λ/d?1時,聚焦成一個點,衍射現(xiàn)象消失。2.3其他虛擬實驗圖3為劈尖干涉現(xiàn)象虛擬實驗,圖4為楊氏雙縫干涉現(xiàn)象虛擬實驗。3開發(fā)仿真演練實驗系統(tǒng)針對缺少