另外為了方便平臺的使用,提供網頁版平臺,利用 webGL 技術將項目部署至網頁,學生只需在瀏覽器打開網頁即可在線進行實驗操作,無需下載任何軟件。
3 仿真實驗流程
該平臺主要支持 3 個實驗:反射式全息照相、二次曝光法測定鋁板的彈性模量、透射式全息照相[3]。
以二次曝光法測定鋁板的彈性模量實驗為例,進行一次完整的虛擬仿真實驗。
對于場景中的所有儀器設置均與實驗室中一致[3],在該實驗中使用不到的儀器只需將其擺放在旁邊。
首先進行光路調節,如圖 10 所示。利用鼠標可以調整平面反射鏡的位置、高低、俯仰等角度,同理也可調整擴束鏡的位置與角度,將激光通過擴束鏡形成的光斑略比干板小一些,同時保證鋁板與激光大致垂直。
調節完成后,將激光先擋住,前往干板盒取一塊干板,并將干板放上,之后掛上一個砝碼,如圖 11 所示。
讓激光形成的光斑照在干板上,進行第一次曝光,時間為 25 秒(圖 12)。
之后將激光擋住,掛上第二個砝碼,待穩定后再將擋光板移開,進行第二次曝光,時間為 35 秒(圖 13)。
曝光完成后,進行干板的處理:將曝光后的干板用鼠標點擊,放在純凈水中浸泡 30 秒取出,濾盡水;將干板依次放入 40%、60%、80%濃度的異丙醇溶液中各脫水 30 秒后取出;最后將干板放入 100%濃度的異丙醇中脫水,直至干板呈現紅色或黃綠色為止(圖 14)。
最終即可得到實驗結果,如圖 15 所示,可使用直尺測量條紋間距,并利用一元線性回歸法得到鋁板的彈性模量。反射式全息圖在記錄時用波長為 632.8nm 的激光,可以預期,用白光再現,像也應是紅的,但實際上,看到的再現像往往是綠色的,其原因是底板在沖洗過程中,乳膠發生收縮,使干涉層間距變小[3]。
對于其他兩個實驗也可以經過類似操作,下面給出調整光路后的示意圖如圖 16、圖 17 所示。
4 實驗結果與討論
對于二次曝光法測定鋁板的彈性模量實驗,原始數據見表 1 所示。
由《基礎物理實驗》課本中兩次曝光法測定金屬板的彈性模量中可知[2]
在本實驗中,α ≈ 0,β ≈ 0,因此我們的式(13)可化簡為
令 y = l 2(3L - l ),x = k,設直線方程 y = ax + b,則
,得到如表 2 所示線性回歸數據表。
線性回歸得到
a = 7275.061×10-9 m
b = 6160.821×10-9 m
r = 0.9994
在實驗中 L= 50mm,b = 30mm,h = 0.6mm,λ = 632.8nm,代入式(14)得
鋁板彈性模量公認值為 E′ = 72GPa
故相對誤差為
因此,便完成了二次曝光法對鋁板的彈性模量的測定。其他兩個實驗也與該實驗類似,按照光路圖擺放調整好儀器后進行曝光處理,最后對干板進行沖洗處理,即可得到相應實驗結果。
下面進行虛擬實驗與真實實驗的結果對比,如圖 18 至圖 20 所示。