DOI:10.14139/j.cnki.cn22-1228.2011.06.015 第２４卷 第６期 ２０１１年１２月 大 学 物 理 实 验 ＰＨＹＳＩＣＡＬ　ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴ　ＯＦ　ＣＯＬＬＥＧＥ　 Ｖｏｌ．２４Ｎｏ．６ Ｄｅｃ．２０１１ 文章编号：１００７－２９３４（２０１１）０６－００８１－０５ 基于ＬａｂＶＩＥＷ 的大学物理虚拟实验设计 ———以“单臂电桥法测电阻”为例 刘　科，周晓林，万德志，李　玲 （四川师范大学，四川 成都　６１００６６） 摘 要：单臂电桥法测电阻实验是理工科大学物理基 础 实 验 之 一，在 实 验 教 学 中 占 有 重 要 的 地 位。 基于虚拟仪器开发平台（ＬａｂＶＩＥＷ），制 作 了 单 臂 电 桥 法 测 电 阻 实 验 并 投 入 实 验 教 学，取 得 良 好 的 实 验 效果。 关 键 词：虚拟实验；ＬａｂＶＩＥＷ 中图分类号：ＴＰ３９１．９ 文献标志码：Ａ １　虚拟实验设计思路 １．１　ＬａｂＶＩＥＷ 的虚拟仪器开发平台 ＬａｂＶＩＥＷ（ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｅｎ－ ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ）实 验 室 虚 拟 仪 器 开 发 平 台 是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化 编程语言。 在ｌａｂｖｉｅｗ 中，用 户 界 面 被 称 为 前 面 板，与前面板对应的是程序框图面板，前面板上的 每一个空间都对 应 于 程 序 框 图 中 的 一 个 对 象，可 以在程序框图中，使 用 图 标 和 连 线 通 过 编 程 的 方 式对前面板上的对象进行控制。 Ｌａｂｖｉｅｗ 程 序 被 称 为 ＶＩ（ｖｉｒｔｕａｌ　ｉｎｓｔｒｕ－ ｍｅｎｔ），即 虚 拟 仪 器。Ｌａｂｖｉｅｗ 的 核 心 概 念 就 是 “软件即是仪器”，即虚拟仪器的概念。 １．２　单臂电桥法电阻的实验原理 直流单臂 电 桥 的 电 路 如 图 １ 所 示，被 测 电 阻 Ｒｘ 和标准电阻Ｒｏ，Ｒ１，Ｒ２ 构成电桥的四个臂。 在ＣＤ端加上直流电压，ＡＢ间串接检流计 Ｇ， 用来检测 其 间 有 无 电 流 （即 Ａ、Ｂ 两 点 有 无 电 势 差）。“桥”指 ＡＢ 这段线路，它的作用是将 Ａ、Ｂ 两 点的电势直接进行比较，以确定电桥的平衡状态。 图１　 单臂电桥法实验原理图 的电阻值，可以 使 Ａ、Ｂ 两 点 的 电 位 相 等，检 流 计 中无电流通过，即Ｉｇ＝ ０，称电桥 达 到 了 平 衡。这 时，电桥四个臂上电阻的关系为： Ｒｘ Ｒ０ ＝ Ｒ１ Ｒ２ 或Ｒｘ ＝ Ｒ１ Ｒ２ ·Ｒ０ ＝ｋＲ０， （１） 上式称为电桥平 衡 条 件。其 中，ｋ＝ Ｒ１ Ｒ２ 称 为 比 率 臂倍率，Ｒ０ 称为比较臂，Ｒｘ 称 为 测 量 臂。若 Ｒ０ 的 阻值和倍率 已知，即可由上式求出Ｒｘ。 调节电桥平衡方法有两种：一种是保持Ｒ０ 不 变，调 节 Ｒ１ Ｒ２ 的 比 值；另 一 种 是 保 持 Ｒ１ Ｒ２ 的 比 值 不 当电源接通后，电路中将有电流通过，并分别 变，调节电阻Ｒ０。本实验采用 后 一种 方 法，即保 持 在各 桥 臂 的 电 阻 上 产 生 电 压 降。在 一 般 情 况 下， Ａ、Ｂ 两点间 将 有 电 位 差，因 而，有 电 流Ｉｇ 通 过 检 流计，使检 流 计 指 针 偏 转。适 当 调 节 Ｒ１、Ｒ２ 或 Ｒ０ 收稿日期：２０１１－０９－１３ Ｒ１ Ｒ２ 不变。 １．３　设计思路 （１）在ｌａｂｖｉｅｗ 中 提 供 了 一 种 自 定 义 控 件 的 

２８ 基于 ＬａｂＶＩＥＷ 的大学物理虚拟实验设计 技术，自 定 义 控 件 是 通 过 对ｌａｂｖｉｅｗ 提 供 的 基 础 控件的显示图片，颜色，大小及各元素的相对位置 在物理实验中，电表是经常使用的实验仪器， 我们知道像电表 这 类 仪 器 功 能 比 较 复 杂，这 个 时 的更改来实现的。通过自定义控件可以让界面更 候，单纯利用自定 义 控 件 就 不 能 制 作 出 我 们 想 要 加的形象逼真，譬 如 可 以 将 一 个 数 值 控 件 改 装 成 一个滑线变阻器。 （２）在ｌａｂｖｉｅｗ　８．５ 后 的 版 本 中 提 供 了 一 种 ｘｃｏｎｔｒｏｌ技术，该 技 术 不 但 能 够 自 能 够 自 定 义 控 件的外观，还能够自定义控件的功能。譬如，实验 中的电流计和电阻箱程序就可以通过ｘｃｏｎｔｒｏｌ控 件技术做成一个 ｘｃｏｎｔｒｏｌ。 （３）ｌａｂｖｉｅｗ 有 着 非 常 强 大 的 计 算 能 力。 在 的实 验 仪 器 的 功 能，我 们 可 以 考 虑ｌａｂｖｉｅｗ 中 的 ｘｃｏｎｔｒｏｌ技术，这 种 技 术 不 但 能 够 自 定 义 所 需 仪 器的界面外 观，还 可 以 自 定 义 仪 器 的 行 为。 下 面 以一个简单的指针 式 电 流 计 （该 电 流 表 有 三 个 接 线端一个负 极，一 个 接 线 端 接 到 量 程 为 ５００ｕＡ ～５００ｕＡ，另 外 一 个 量 程 为 （ ５００ｎＡ～５００ｎＡ） 为例 来 介 绍 一 下 ｘ　ｃｏｎｔｒｏｌ的 制 作 方 法。 接 线 柱 可以用布尔开关 来 表 示，指 针 显 示 电 流 大 小 可 以 该实验中各支路的电流可以直接通过矩阵求解基 用数值控件中的仪表控件来表示。 尔霍夫方程组。 ａ．前面板的制作 基于此，我 们 利 用 ＬａｂＶＩＥＷ 设 计 制 作 了 单 臂电桥法测电阻虚拟实验，直观生动，效果良好。 ２　虚拟实验的程序设计及应用 ２．１　设计步骤 ２．１．１　自定义电池和电阻 在前面板上放 置 一 个 水 平 指 针 滑 动 杆，右 键 在本例 中 电 流 表 实 际 上 是 一 个 数 值 显 示 控 件，所 以 该 控 件 的 ｄａｔａ．ｃｔｌ文 件 中 放 置 一 个 数 字 控件（这里不需 管 它，因 为ｌａｂｖｉｅｗ 的 ｄａｔａ．ｃｔｌ文 件中默认的数据类型就是数值型），在这里主要是 对外观文件进行编辑。打开ｆａａｄｅ．ｖｉ文 件，首先 把制作好的三个表示接线柱的布尔开关和一个仪 表控件放到前面板上，见图 ４，为 了 使 电 流 表 看 起 来更真实，可以将 放 置 一 个 表 示 电 流 表 的 图 片 作 单击该控件，选 择 高 级／自 定 义，则 可 以 自 定 义 该 为背景，然后将一 些 与 电 流 表 不 需 要 的 部 分 透 明 控件了。切换至 编 辑 模 式 后 选 择 鼠 标 右 键 单 击， 化处理，最终结果如图５。 在弹出的右键菜 单 中 选 择 从 文 件 导 入 项，将 事 先 准备好的滑线变 阻 器 滑 标 图 片 导 入 进 来，同 样 的 方法导入减少像素，增加像素及衬底部分的图片， 然后将一些不需 要 显 示 的 部 件 透 明 化，同 样 的 方 法可制作出 电 阻 的 自 定 义 控 件，最 终 效 果 见 图 ２ 和图３。 图４　电流计前面板整理前 图２　滑线变阻器 图３　电阻 ２．１．２　利用 ｘｃｏｎｔｒｏｌ技术制作电流计和电阻箱 （１）电流计的制作 图５　电流计前面板整理后 ｂ．程序框图的编辑 在该 ｘｃｏｎｔｒｏｌ中，实 际 上 要 处 理 的 有 两 种 事 件，一种是用户事件，当用户用鼠标点击那三个接 

基于 ＬａｂＶＩＥＷ 的大学物理虚拟实验设计 ３８ 线柱时，更新ｘｃｏｎｔｒｏｌ的外观，另一种需要处理的 事件是当输入数 据 到 该 ｘｏｃｎｔｒｏｌ的 实 例 时 （即 数 据更改事 件 ），更 新 该 ｘｃｏｎｔｒｏｌ上 的 控 件 显 示 状 态。其中数据更改的代码见图６。 用户单击接线柱按钮事件代码见图７。 图６　电流计数据更改代码 图７　用户事件鼠标释放代码 当旋转旋钮开关时，改变电阻箱的数据，同时 更新 电 阻 箱 的 界 面，所 以 电 阻 箱 的 ｘｃｏｎｔｒｏｌ只 需 要处理用户事件即可，代码见图９。 　　（２）电阻箱的制作 ａ．电阻箱的前面板制作 电阻箱的旋钮可以用旋 钮控件和图片枚举控 件两个控件一起来表示，先将准备好的表示电阻箱 十个指示状态的图片放到图片枚举中，然后将旋钮 控件与图 片 枚 举 控 件 放 到 一 起，将 旋 钮 透 明 化 处 理，在程序框图中把旋钮的值赋给图片枚举控件显 示，实际上我们调节的是旋钮 的数值，但 是我们看 到的确实旋钮图片在旋转。前面板见图８。 图９　用户事件旋钮只改变代码 ２．１．３　单臂电桥测电阻的主程序设计 （１）前面板的设计 图８　电阻箱整理后前面板 ｂ．电阻箱的程序框图设计 

４８ 基于 ＬａｂＶＩＥＷ 的大学物理虚拟实验设计 命名为“单 臂 电 桥 法 测 电 阻．Ｖｉ”，在 前 面 板 上 放 置一个选项卡控件，将前面制作好的电流计，电阻 箱以及电阻放到 选 项 卡 控 件 的 实 验 界 面 上，对 其 进行一番修饰后最终效果见图１０。 （２）程序框图的设计 根据单臂电桥 法 测 电 阻 的 实 验 原 理 图，利 用 基尔霍夫定律，可 以 很 快 的 列 出 该 基 尔 霍 夫 方 程 组，然后利用矩阵求解，算出各个支路的电流。在 这里实际上存在 的 问 题 是 如 何 表 示 矩 阵，其 实 可 以先先创建一个 矩 阵 常 量，然 后 通 过 设 置 矩 阵 元 图１０　单臂电桥最终实验前面板 通过前面的 一 些 准 备 工 作，现 在 就 可 以 轻 松 素函数对矩阵中几个变量（即输入控件）的值赋给 地实现单臂电桥测电阻的实验了。新建一个 Ｖｉ， 该矩阵即可。代码见图１１。 图１１　单臂电桥测电阻主程序代码 ２．２　单臂电桥法测电阻虚拟实验运行效果 通过前面的工作，单臂电桥法测电阻的实验已 验界面时，链 接 到 如 下 实 验 界 面 图 １４，此 时，电 源 开关处于断开状态，电表未接入，当闭合电路开关， 经完成了，点击前面板上的运 行按钮，程 序将 进 入 并点击电表的接线柱，将电表接入电路中时，假设， 操作说明的界面，见图１２；当用鼠标点击实验原理 时，将会链接到实验原理界面，见图１３；当点击实 Ｒ１＝Ｒ２＝ＲＸ ＝１００，当 调 节 电 阻 箱 的 阻 值 时，电 流 表会显示相应的电流值。见图１５～１７。 图１２　实验操作说明界面 图１３　实验原理界面 图１４　电源断开时实验结果图界面 图１５　当电阻箱的阻值大于１００ 图１６　当电阻箱的值小于１００ 图１７　当电阻箱的值等于１００ 

基于 ＬａｂＶＩＥＷ 的大学物理虚拟实验设计 ５８ ３　发布应用程序 到目前为止，程序设计已 完成，实验 结果已经 出来了。但是，由 ＬａｂＶＩＥＷ 编写出来的 ｖｉ源文件 只能在 ＬａｂＶＩＥＷ 的开发环境下被打开运行，我们 必须把它生成在 ｗｉｎｄｏｗｓ等平台上能够运行 的独 立可执 行 文 件。在 ＬａｂＶＩＥＷ 中 有 一 个 应 用 程 序 生成工 具：ＬａｂＶＩＥＷ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｂｕｉｌｄｅｒ，该 工 具 不 仅能够生成独立可执行文件和安装包，还能够生成 动态链接库（．ｄｌｌ），发布源代码或ｚｉｐ文件。 ３．１　生成独立可执行应用程序 将所有的 Ｖｉ与 支 持 文 件 都 添 加 到 项 目 中 并 保存项目中的所有ｖｉ，确保项目中的所有 Ｖｉ都能 正确执行。完成 好 准 备 工 作 后，在 项 目 文 件 左 侧 ｔｒｏｌ控件技术可以很方便的制作 逼 真 的 仪 器 外 观 和行为，还能够根 据 用 户 的 爱 好 设 置 自 己 想 要 的 仪器界面，并将实验数据实时显示在仪器上，省去 了学生在课堂 上 进 行 大 量 的 实 验 数 据 处 理 步 骤， 提高了教学效率。经过调试，程序能够顺利运行， 效果良好，可以确 保 系 统 能 够 满 足 相 关 课 程 的 实 验要求。虚拟实验的设计制作为我们制作物理实 验课件提供了巨大的方便，更重要的是，节省了购 买硬件的成本。 参考文献： ［１］　谢东波，高 云，余 成 波．基 于ｌａｂｖｉｅｗ 的 虚 拟 实 验 室 研究［Ｊ］．试验技术与试验机，２００７，３：４０－４３． ［２］　杨振江，智能仪器与 数 据 采 集 系 统 中 的 新 器 件 及 应 用［Ｍ］．西安：西安电子科技大学出版社，２００１． 的树目录下的程序生成规范上右击，选择新建／应 ［３］　郭桂叶．中学物理实验教学现状及对策研究［Ｊ］．河南 教育学院学报：自然科学版，２００５，１４ （４）：８７－８９． ［４］　杨乐平，海 涛，杨 磊．ＬａｂＶＩＥＷ 程 序 设 计 与 应 用 ［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００５． ［５］　陈锡辉，张 银 鸿．ＬａｂＶＩＥＷ８．２０ 程 序 设 计 从 入 门 到 精通［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００７． ［６］　 张 桐，陈 国 顺，王 正 林．精 通 ＬａｂＶＩＥＷ 程 序 设 计 ［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００８． ［７］　阮奇桢．我和ｌａｂｖｉｅｗ［Ｍ］．北京：北 京 航 空 航 天 大 学 出版社，２００９． 用程序（ｅｘｅ），在弹出的对话框中输入 ｅｘｅ文 件的 各种信息，将所有的准备做好后单击生成按钮，则 可生成独立的可执行文件。 ３．２　生成安装程序 成功生成可 执 行 文 件 后，可 以 将 可 执 行 文 件 和相 关 支 持 软 件 （如 ＬａｂＶＩＥＷ　ｒｕｎ－ｔｉｍｅ引 擎 或 硬件驱动）打 包 在 一 起 作 为 一 个 安 装 程 序 发 布。 这样可 以 避 免 让 用 户 再 单 独 的 安 装 ＬａｂＶＩＥＷ ｒｕｎ－ｔｉｍｅ引 擎 或 硬 件 驱 动。 因 为，ＬａｂＶＩＥＷ 中 发布的可执行文件只能在 ＬａｂＶＩＥＷ　ｒｕｎ－ｔｉｍｅ引 擎下运行。 ４　结　　论 通过 ＬａｂＶＩＥＷ 中的 自 定 义 控 件 以 及 ｘｃｏｎ－ Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＬａｂＶＩＥＷ　ａｎｄ　Ｔａｋｅ “Ｗｈｅａｔｓｔｏｎｅ　Ｂｒｉｄｇｅ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　Ｍｅａｓｕｒｅ　ｔｈｅ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ”ｆｏｒ　Ｅｘａｍｐｌｅ ＬＩＵ　Ｋｅ，ＺＨＯＵ　Ｘｉａｏ－ｌｉｎ，ＷＡＮ　Ｄｅ－ｚｈｉ，ＬＩ　Ｌｉｎｇ （Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００６６） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｗｈｅａｔｓｔｏｎｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎ－ ｔａｌ　ｂａｓｅｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｓｕｂｊｅｃｔ，ｗｈｉｃｈ　ｐｌａｙｉｎｇ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｒｏｌｅ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ａｐｐｌｙ　ｖｉｒ－ ｔｕａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｅａｃｈｉｎｇ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ （ＬａｂＶＩＥＷ）．Ｗｅ　ｍａｄｅ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉ－ ｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｗｈｅａｔｓｔｏｎｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ａｎｄ　ｐｕｔ　ｉｎｔｏ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｔｅａｃｈｉｎｇ， ｗｈｉｃｈ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｇｏｏｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｗｅ　ｗｉｌｌ　ｅｘｐｌｏｉｔ　ｓｅｒｉｅｓ　ｏｆ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｔｉｍｅｓ ｔｏ　ｃｏｍｅ． Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｖｉｒｔｕａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ；ＬａｂＶＩＥＷ