莊瑾 吳先球

摘? ?要：基于LabVIEW軟件并結(jié)合DAQ采集板卡、繼電器模塊、硬件電路和USB攝像頭，搭建自感現(xiàn)象遠(yuǎn)程演示實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、儀器控制、實(shí)時(shí)監(jiān)控三大功能。該裝置能夠?qū)崟r(shí)采集自感過(guò)程中的電流變化曲線，做到半定量分析，可改善傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的局限;遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)有利于提高教師的備課效率，同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)起到一定的推動(dòng)作用;實(shí)時(shí)監(jiān)控功能使得該平臺(tái)相較于純虛擬的仿真實(shí)驗(yàn)更具真實(shí)性和體驗(yàn)感。

關(guān)鍵詞：LabVIEW;NI-myDAQ;自感現(xiàn)象;遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2021）3-0046-3

1? ? 引? 言

自感現(xiàn)象是高中物理電磁學(xué)模塊的重要內(nèi)容，本堂課的重點(diǎn)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生了解自感現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，難點(diǎn)在于理解自感電動(dòng)勢(shì)在電流變化時(shí)所起的作用以及斷電高壓產(chǎn)生的原因[1]。傳統(tǒng)的自感現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)是利用燈泡通斷電時(shí)的表現(xiàn)來(lái)進(jìn)行演示的[2]，這種實(shí)驗(yàn)裝置存在如下局限：用兩個(gè)燈泡發(fā)光的快慢來(lái)驗(yàn)證通電自感往往現(xiàn)象不夠明顯，學(xué)生容易對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論產(chǎn)生質(zhì)疑;無(wú)法體現(xiàn)斷電瞬間形成的自感電流究竟有多大，而相關(guān)的定量分析要進(jìn)入高校后才會(huì)學(xué)習(xí)，因此教師在高中課堂上對(duì)斷電瞬間并聯(lián)燈泡閃亮原因的解釋，說(shuō)服力欠佳。為此，本文基于LabVIEW結(jié)合數(shù)據(jù)采集、互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程通信的技術(shù)背景，搭建自感現(xiàn)象遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，改善傳統(tǒng)裝置存在的局限，幫助學(xué)生理解本節(jié)課的重點(diǎn)和難點(diǎn)，同時(shí)提高教師的備課效率。

2? ? 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1? ? 實(shí)驗(yàn)原理

自感現(xiàn)象遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包含三大模塊：遠(yuǎn)程采集、遠(yuǎn)程控制以及遠(yuǎn)程監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)裝置原理圖如圖1所示，用戶通過(guò)客戶端計(jì)算機(jī)經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)通信訪問(wèn)服務(wù)器，利用外部數(shù)據(jù)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操控、數(shù)據(jù)的采集和傳輸，同時(shí)通過(guò)攝像頭捕獲現(xiàn)場(chǎng)畫(huà)面，使得用戶在客戶端可以實(shí)時(shí)觀測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

2.2? ? 服務(wù)端設(shè)計(jì)

服務(wù)端即放置實(shí)驗(yàn)裝置的一端，包含采集、控制、監(jiān)控三大模塊，通過(guò)LabVIEW的程序編寫(xiě)并結(jié)合數(shù)據(jù)采集板卡和其他硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)。采集模塊，利用NI-myDAQ內(nèi)部自帶的電壓傳感器對(duì)燈泡兩端電壓進(jìn)行采集，編寫(xiě)程序使得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以曲線形式呈現(xiàn);控制模塊，利用繼電器模塊替代原有的干路開(kāi)關(guān)接入到電路中，利用DAQ的數(shù)字輸出功能操控繼電器的通斷;監(jiān)控模塊，在服務(wù)端計(jì)算機(jī)中接入U(xiǎn)SB攝像頭，通過(guò)LabVIEW的IMAQ-VISION函數(shù)采集實(shí)時(shí)捕獲畫(huà)面[3]。

2.3? ? 遠(yuǎn)程通信的實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)需要利用互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)助完成。在LabVIEW軟件中利用TCP/IP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，需分別編寫(xiě)客戶端和服務(wù)器的程序。在服務(wù)器將讀取到的電壓、拍攝數(shù)據(jù)寫(xiě)入TCP傳輸協(xié)議中，經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)通信后在客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和顯示，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能;在客戶端界面設(shè)置開(kāi)關(guān)按鈕，并將指令寫(xiě)入TCP協(xié)議，在服務(wù)器中讀取數(shù)據(jù)并通過(guò)DAQ數(shù)字輸出到繼電器中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能[4，5]。

3? ? 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

3.1? ? 實(shí)驗(yàn)操作

在客戶端中輸入服務(wù)器地址和端口，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器和客戶端之間的通信。點(diǎn)擊“開(kāi)始采集”按鈕，在電壓變化曲線框中可看到實(shí)時(shí)的電壓數(shù)據(jù)曲線，教師指導(dǎo)學(xué)生操控界面上的開(kāi)關(guān)按鈕進(jìn)行電路通斷控制，同時(shí)觀察現(xiàn)場(chǎng)燈泡和二極管的亮滅情況和電壓采集曲線。

操作界面上有“暫停采集”按鈕，可通過(guò)它隨時(shí)暫停采集電壓數(shù)據(jù)，方便用戶觀察曲線，當(dāng)再次按下“開(kāi)始采集”按鈕即可繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有利于教師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)。除此之外，還有“電壓放大”功能，用戶可根據(jù)自己想要的觀察效果調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)，便于觀察小電壓數(shù)據(jù)變化的曲線。

3.2? ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文所搭建的平臺(tái)最大優(yōu)勢(shì)在于對(duì)電壓的實(shí)時(shí)采集和半定量分析的實(shí)現(xiàn)，可解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無(wú)法解釋的疑惑。

（1）定性分析

通過(guò)操控“開(kāi)關(guān)”按鈕，實(shí)驗(yàn)者可以通過(guò)監(jiān)控視頻看到燈泡和發(fā)光二極管的亮滅，通電瞬間兩個(gè)燈泡先后達(dá)到最亮程度，斷電瞬間反向二極管發(fā)光，符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期結(jié)果。

電壓的實(shí)時(shí)采集幫助學(xué)生直觀地理解自感電動(dòng)勢(shì)的作用。如圖2在客戶端界面左端，可以觀察到通電瞬間兩個(gè)燈泡電壓增長(zhǎng)的趨勢(shì)明顯不同，說(shuō)明線圈所在支路電流增長(zhǎng)較慢，而斷電瞬間與線圈并聯(lián)的支路產(chǎn)生的反向電壓也非常明顯，學(xué)生可以快速地驗(yàn)證自感現(xiàn)象，同時(shí)直觀地看到自感電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流的阻礙作用。

（2）半定量分析

通過(guò)半定量分析有利于學(xué)生理解斷電瞬間與線圈并聯(lián)的燈泡閃亮的原因及條件。教師通過(guò)在與線圈并聯(lián)的支路中依次串入阻值不同的電阻，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生驗(yàn)證在該電路中斷電瞬間形成的自感電流等于通電時(shí)線圈支路的穩(wěn)定電流，因此斷電瞬間燈泡閃亮的原因及條件是線圈所在支路的阻值遠(yuǎn)小于其并聯(lián)支路阻值。該結(jié)論在大學(xué)的電工學(xué)課程中可通過(guò)電感斷電豫馳時(shí)間的表達(dá)式結(jié)合自感電動(dòng)勢(shì)公式推導(dǎo)得出，但在高中階段不要求學(xué)生了解此知識(shí)，因此若能讓學(xué)生直觀地看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，便可在不超綱的前提下幫助學(xué)生理解燈泡閃爍的原因。

如圖3是筆者進(jìn)行的某次半定量實(shí)驗(yàn)所采集到的電壓圖像，為了避免燈泡發(fā)光導(dǎo)致的阻值變化影響，首先將兩個(gè)燈泡替換成了兩個(gè)等值電阻，電阻的等值是為了可以將電壓大小關(guān)系直接理解為電流大小關(guān)系。而后將與線圈并聯(lián)支路中的滑動(dòng)變阻器替換為1 kΩ的大電阻，進(jìn)行通斷電后可觀察到斷電瞬間反向電壓大小與線圈所在支路電阻的穩(wěn)定電壓值相當(dāng)，推導(dǎo)可得斷電瞬間自感電流等于線圈支路通電時(shí)的穩(wěn)定電流，這個(gè)結(jié)果也側(cè)面印證了自感電動(dòng)勢(shì)對(duì)線圈電流起到的作用是阻礙而非阻止。

4? ? 結(jié)? 語(yǔ)

本文介紹了基于LabVIEW的自感現(xiàn)象遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，該平臺(tái)具有操作簡(jiǎn)便、現(xiàn)象直觀、體驗(yàn)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)可以輔助網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，平臺(tái)能夠基本實(shí)現(xiàn)本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)，同時(shí)可充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。但其仍有需要改進(jìn)之處——比如遠(yuǎn)程操控不僅僅只局限于開(kāi)關(guān)，電路中的滑動(dòng)變阻器亦可利用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，使得該裝置的客戶端更具主動(dòng)性。在信息技術(shù)發(fā)展迅速的時(shí)代，信息化教學(xué)被大力推廣，虛擬儀器技術(shù)是非常適用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一門(mén)技術(shù)，而在應(yīng)用信息化教學(xué)時(shí)，一定要從教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)重難點(diǎn)出發(fā)，并結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)中的優(yōu)點(diǎn)去設(shè)計(jì)，更科學(xué)、合理地提高教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

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（欄目編輯? ? 王柏廬）