(英文翻译)Computer-simulation-and-modeling-in-virtual-physics-experiments.doc

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计算机仿真与建模技术在虚拟物理实验中的应用

1.简介

通常情况下，虚拟仪器被理解为计算机控制真实设备用与数据的采集，分析和介绍。

通过计算机的键盘，鼠标和显示器来控制物理设备，显示物理现象。

VI的定义可扩展为以计算机为基础的虚拟仪器系统（VIS）.

该VIs和VIS对也可以对各式各样以计算机为基础的应用物理现象和测量过程建模或申请模拟实际的设备，仪器及测量系统进行运作。

Vis和VIS的这种特殊性，注定着他们能应用与虚拟物理实验中的建模与仿真。

物理或测量的建模主要有两种方法：

一种方法基于数学建模，第二种方法是基础上测量的。

现象与实际测量系统可一看作一个黑盒子，其中输入与输出的关系，要考虑到其特定的性能说明与校正曲线。

下面是介绍了这两种方法用于先进的物理实验和测量过程的基础上的虚拟仪器模拟物理现象和规律。

2.Vis模型的分析

物理现象和规律可以通过数学方程来分析说明。

本文把普朗克和维恩的位移定律以及电气共振现象作为Vis模型的典型例子，现介绍如下。

普朗克和维恩的位移定律:

黑体辐射场的能量密度取极大值处的波长同热力学温度之间关系的定律。

关系方程如下：

（1）

b=,相对单位；-波长；-普朗克常量；-玻尔兹曼常数；-真空中的光速；-开氏温度。

当给出特定温度峰值波长就可以根据关系式，计算出波长同热力学温度之间关系及维恩的位移定律。

图1VI模型动态展示的普朗克维恩位移定律

运行方程

（1）及关系，如图1所示，动态展示的普朗克维恩位移定律。

电气共振现象：

在并联和串联谐振电路里，电流和电压可以根据频率观测出来。

图2（a）显示的是并联谐振电路的情况，图2（b）中表示一个动态电阻，电阻由电源电阻和导线电阻组成，即=+。

2（a）LC并联电路2（b）等效电路

2（c）模拟电路中电抗和电纳作用于频率相当于为并联电路提供电流源

2（d）在并联谐振电路里作为频率比例函数

并联电路里导纳的绝对值与电流，电压，频率的关系，给出以下方程：

，

其中：

。

图2（c）VI模型表明，在并联电路里，导纳、电抗、电纳在理想电路里是有频率决定的。

模拟共振图图2（d）演示了频率如何影响谐振电路里频率。

同时VI模型演示了仿真阶段之间的电流和电压对频率的作用。

3.Vis的输入/输出黑盒模型

该方法可以在输入/输出黑箱基础上完成对虚拟物理实验的建模。

例子如下文所述：

如图3显示的电气共振实验，此实验是建立在居里温度，热磁效应研究基础之上的。

在上文所述的基础上，电气共振的建模如图3（a），通过使用输入/输出黑盒模型，可以分析和解决电器共振中的问题。

3（a）电气共振

3（b）居里温度对磁性材料的影响

该实验模型建立在真实的实验数据之上，它意味着此软件的基础功能具备收集输出读数（电气信号的振幅），并记录相应的频率。

模拟实验执行时收集信号的振幅-频率数据，作为参考数据。

在分析模型的设计之内，此输入/输出黑盒模型不只考虑了物理定理、现象和有限的物理参数，同时还考虑到测量系统在运作时环境对其测量结果的影响。

这个虚拟实验让用户了解了测量方法和实验功能，并在最后对物理现象加以研究。

虚拟实验的使用说明，不仅指出了实验测量方法，还提供有关实验的全面资料。

例如：

如何切换说明，作出连接，设置正确的参数和运行实验，如何收集和分析数据，并验证所得结果等。

所描述的虚拟实验均设有模拟实验仪器、测量系统、现象、过程等应用。

实验者在处理数据之前，必须作好虚拟实验的准备工作。

必须连接虚拟实验设备，选择合适的虚拟仪器和运行参数，并为实验设置合适的运行条件。

每个步骤都像是在真实地做实验一样。

4.虚拟实验的模拟

虚拟设备也可以成功地应用于模拟装置和控制仪表执行的测量系统。

居里温度决定磁性材料。

图4部分显示的是虚拟测量系统（图3b）用于确定居里温度对磁性材料的影响。

实验设计的部分是变压器内磁性研究，把变压器（传感器）与磁铁的核心部分作为一个样本，变压器主线圈处于激发状态，此时交流电压源（~50Hz,恒幅），诱导电压在二次绕阻的铁磁样本。

在这虚拟实验，用户可以采取措施，使变压器通过改变输出电压可以控制温度的采暖系统。

试样温度的信息包含热电偶所对应的输出电压。

4（a）虚拟实验中传感器居里温度决定磁铁性质

4（b）虚拟实验应用于火灾探测器的热传导的研究

本实验主要目的，通过观察，找出在两个阶段的过度期间电压随温度的波形变化。

在此温度下，即所谓的居里温度点，对应铁磁/顺磁性相变。

能从图3（b）中观察到什么？

金属材料的导热：

图3显示的用户界面是虚拟测量系统，使用埃格斯特朗的方法确定一个金属（铜）杆的导热系数。

不同的材料和特点导致其不同的导热系数。

为举例说明，如图4（b）建立虚拟模型。

3（c）热传导与埃格斯特朗方法

实验建立在埃格斯特朗方法的基础之上，阻尼温度在一棒。

在测量温度变化所产生的反复开关/关闭供暖系统安装在一月底杆。

渗透棒产生的温度波形，在样本的这些变化中，随距离x从热源增大，振幅降低（指数）。

温度T函数所描述的是所有阻尼波形的典型。

通过测量温度波振幅T1和T2在X1和X2之间随距离变化而变化，可以计算出导热系数。

即等价与：

，（3）

其中：

表示物质的密度；-材料的比热；-两端点间随摆动的相位移动。

核物理实验

在日常生活中，核辐射贯穿到理学，工学，医学等分支学科中。

依此观点，在现代社会中核物理实验应该作为教育体系的一个基本组成部分。

到目前为止，大部分工程主要集中在远程教学，在大学校园内，通过互联网与真正的实验室建立链接。

它的目的是在之前真正的核物理实验室里实际测量的成果基础上进行研究工作。

一套虚拟的核实验是专门测试和吸取之前的成果，以此统计核衰变特征和学习穆斯堡尔效应。

5（a）射线的吸收

5（b）核衰变性质的统计

5（c）穆斯堡尔效应

5.结论

建模与仿真为真正的物理规律和现象的测量方法和程序的装置和执行提供了非常重要的工具，所以，虚拟仪器可以被成功使用。

通过虚拟仪器，比较容易建立各种各样计算机为基础的过程建模，建立仿真文书和执行系统测量。

介绍了虚拟实验在教学里测量过程中出色的建模作用。

最近批准提出的一套先进的虚拟物理实验包括一个特定模块的培训，是专门为在职教师的培训，及欧洲苏格拉底-夸美纽斯三年项目：

128989-CP-1-2006-1-RO-COMENIUS-C21,欧洲联盟委员会资助苏格拉底的学校教育：

项目活动发展计划2006年10月-2009月9月通过六次面对面会议和培训模块组成。

为实施在课堂上建立的虚拟应用提供技术和教学内容的支持。

此单元的内容面向于：

基本的虚拟仪器，所涉及虚拟仪器仪表，具体编程语言，基本步骤，发展虚拟仪器和虚拟方法的设计和执行的教学方法和教学策略。