虚拟实验室

时间：2023-08-26 百科知识版权反馈

【摘要】：虚拟实验室是一种基于Web技术、虚拟现实技术构建的开放式虚拟实验教学系统，是现有各种教学实验室的数字化和虚拟化。虚拟实验室由虚拟实验台、虚拟器材库和开放式实验室管理系统组成。虚拟实验室为开设各种虚拟实验课程提供了全新的教学环境。其主要特点如下：沉浸性是指在虚拟实验室中，使用者可获得视觉、听觉、嗅觉、触觉、运动感觉等多种感知，从而获得身临其境的感受。仿真化学实验室是一款化学教学软件平台。

二、虚拟实验室

（一）虚拟实验室简介

虚拟实验室是一种基于Web技术、虚拟现实技术构建的开放式虚拟实验教学系统，是现有各种教学实验室的数字化和虚拟化。虚拟实验室由虚拟实验台、虚拟器材库和开放式实验室管理系统组成。虚拟实验室为开设各种虚拟实验课程提供了全新的教学环境。虚拟实验台与真实实验台类似，可供学生自己动手配置、连接、调节和使用实验仪器设备。其主要特点如下：

1.沉浸性

沉浸性是指在虚拟实验室中，使用者可获得视觉、听觉、嗅觉、触觉、运动感觉等多种感知，从而获得身临其境的感受。

2.交互性

交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。例如，用户可以用手去直接抓取环境中的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视场中的物体也随着手的移动而移动。

3.真实性

真实性是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。例如，当受到力的推动时，物体会随力的方向移动。

（二）仿真物理实验室

1.仿真物理实验室简介

仿真物理实验室是一款物理教学软件平台，提供了一个实验器具完备的综合性实验室环境，学生可以动手创建想象的所有实验。此软件包含三个仿真模块——运动及动力学模块、电学模块和光学模块。

运动及动力学模块包含运动对象、小球、弹簧、绳子、联杆、滑轨、电荷等实验器具，并集成了重力场、电场、磁场、万有引力、阻尼介质等实验环境。学生可以在任意组合的实验环境中，搭建自己的实验。例如，运动及动力学中的自由落体运动、平抛运动、单摆、人造地球卫星、带电粒子在磁场中的圆周运动等。从自由落体运动、平抛运动，到验证机械能守恒，验证动量守恒实验，从单摆到弹簧振子实验，仿真物理实验室都能够进行仿真模拟。

电学模块可以完成电学中的串联与并联电路、伏安法测电阻等实验。从带电粒子在电场中的加速与偏转实验、带电粒子在磁场中的圆周运动到粒子加速器、粒子速度选择器模型、地球人造卫星到太阳系的运行，仿真物理实验室都能够进行仿真模拟。

光学模块可以模拟光学中的平面镜反射、介质对光线的折射和全反射、凸透镜成像等实验。

2.应用案例——制作平抛运动模型

（1）运行“仿真物理实验室”软件。

如图4-1-2-1所示，内有实验区、工具栏、创建模板窗体，其中创建模板窗体内含有许多时延器件。

图4-1-2-1　仿真物理实验室主界面

（2）新建文件并建立直角坐标系。

选择“文件”菜单栏中“新建”选项，在弹出的“提示”对话框中点击“否”。这时在实验区中，出现一个十字交叉线，并且跟随着鼠标一起移动。这个十字交叉线就是实验中的坐标。在靠近实验区左上角的位置，点一下鼠标左键，弹出“坐标比例设置”对话框（图4-1-2-2），默认设置屏幕距离为10米，点击“确定”按钮，实验区即出现以10米为单位建立的直角坐标系（图4-1-2-3）。

图4-1-2-2　设置坐标比例

图4-1-2-3　以10米为单位建立直角坐标系

（3）创建“运动对象”。

点击创建模板窗体中“运动对象”按钮，在实验区中任意位置单击一下鼠标左键，弹出“运动对象设置”对话框，默认进入“物理属性”选项卡，在“基本属性”标签中更改“名称”为“小球”，设置小球质量为1kg，半径为1米，弹性系数为1，在“初位移”标签中设置X方向位移为0，Y方向位移为0，“初速度”标签中设置Vx水平方向初始速度为15米/秒。如图4-1-2-4所示，点击“确定”按钮，刚设置的坐标原点处即出现一个小球。

图4-1-2-4　设置“运动对象”

（4）设置“重力”环境。

选中小球，点击工具栏中“设置”按钮，弹出“实验设置”对话框，勾选“功能设置”标签中“考虑重力作用”选项，如图4-1-2-5，点击“确定”按钮。

图4-1-2-5　设置“重力”环境

（5）运行实验。

点击工具栏中“运行实验”按钮，小球即开始做平抛运动，如图4-1-2-6所示。点击工具栏中“停止”按钮可停止实验。

图4-1-2-6　运行实验

（6）显示“实时数据”。

点击工具栏中“实时数据输出”工具，再选中小球，弹出“实时数据输出设置”对话框，选择“小球”为数据输出对象，点击“确定”按钮，如图4-1-2-7所示。再点击“运行”按钮，小球平抛运动过程中的实时数据将显示出来，如图4-1-2-8所示。

图4-1-2-7　设置实时数据输出对象

图4-1-2-8　小球平抛过程中实时数据

（7）添加“闪照”效果。

选中小球，单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择“属性”项，弹出“运动对象设置”对话框，默认进入“物理属性”选项卡，选择“闪照设置”选项卡，勾选“进行闪照处理”，设置“闪照周期”为0.5秒。在“速度显示”标签中勾选“Vx分量值”、“Vy分量值”、“速度矢量”，在“加速度显示”中勾选“加速度矢量”，如图4-1-2-9所示。其中黑色表示“数值”，蓝色表示“矢量”。点击“确定”按钮，再次点击“运行”按钮，显示“闪照”效果（图4-1-2-10）。点击“停止”按钮停止实验。

图4-1-2-9　“闪照”效果设置

图4-1-2-10　闪照效果

（8）保存文件。

点击“文件”菜单栏中的“保存”选项，将实验保存为需要的格式。

（三）仿真化学实验室

1.仿真化学实验室简介

仿真化学实验室是一款化学教学软件平台。仿真化学实验室包括：化学仿真实验平台、三维化学分子模型和化学资料中心。

在化学仿真实验平台中可以自由地搭建实验仪器、添加药品，并让它们智能地进行反应。学生可以完全自由地模拟各种实验，如制取氧气、氯气、二氧化碳，把二氧化碳通入澄清的石灰水中，在硫酸铜溶液中滴入氢氧化钠，用氢气还原氧化铜，分析醋酸钠的水解反应等。仿真化学实验室不但可以呈现逼真的实验现象，还能提供准确的实验数据。

三维化学分子模型可以展示奇妙的微观化学世界。它不但可以展示石墨、金刚石等晶体结构，还可以轻松地搭建出各种有机分子的微观模型。

化学资料中心是以元素周期表为总线的化学资料库，可利用它十分方便的查找、添加和修改化学信息，并可以把这些信息以网页的格式输出。

2.应用案例——模拟化学反应

以“实验室制取氯气”为例，介绍利用仿真化学实验室模拟实验的基本操作步骤。

（1）运行仿真化学实验室软件。

如图4-1-2-11所示，内有实验区、工具栏、反应器件栏、辅助器件栏等。

图4-1-2-11　仿真化学实验室主界面

（2）搭建实验仪器。

①搭建铁架台。如图4-1-2-12所示，点击“辅助器件”中的“铁架台”按钮，在实验区中点击一下鼠标即可将铁架台放在实验区中。鼠标右键点击该铁架台，在弹出的快捷菜单中设置是否需要“铁夹”、“铁圈”、“石棉网”等组件，默认为都选中。本实验装置中，铁夹、铁圈和石棉网都是需要的，如图4-1-2-13。

图4-1-2-12　搭建铁架台

图4-1-2-13　设置铁架台组件

②创建圆底烧瓶。点击选中“反应器件”中的“圆底烧瓶”按钮，在铁架台上点击鼠标左键，圆底烧瓶即被放置在铁架台上。点击选中圆底烧瓶并将其拖曳放至铁架台合适位置。鼠标右键点击圆底烧瓶，在弹出的快捷菜单中选中“橡皮塞”，此时圆底烧瓶瓶口被添加橡皮塞，如图4-1-2-14。

图4-1-2-14　为圆底烧瓶添加橡皮塞

③创建分液漏斗、酒精灯。用同样方法创建分液漏斗，将其放在圆底烧瓶的上方，把它的细长的玻璃管插入到圆底烧瓶中。然后用类似的方法把酒精灯放在铁架台的底座上，再在实验区中放置一个开口向上的集气瓶和一个烧杯，并在右键快捷菜单中设置各自组件，摆放器材位置，如图4-1-2-15所示。

图4-1-2-15　摆放实验器材

④连接导管。在这个实验中，圆底烧瓶中生成的氯气通入到集气瓶中进行收集，集气瓶中过量的氯气通入到装有NaOH溶液的烧杯中。如图4-1-2-16所示，点击选中“反应器件”中的“导管”按钮，在候选框中选择需要的导管形状，在实验区中点击一下鼠标，确定导管一个端点的位置，移动鼠标到合适的位置再点击一下鼠标，导管即被创建，每段导管间会自动连接，如图4-1-2-17所示。

图4-1-2-16　连接导管

图4-1-2-17　器材搭建完毕

（3）添加药品。

药品的添加方法：在需要添加药品的容器上右击鼠标，在弹出的“添加药品”对话框中选择需添加的药品即可。

①添加盐酸溶液。选中分液漏斗，右键单击鼠标，弹出“添加药品”对话框（图4-1-2-18）；点击“溶液”选项卡，在药品名称中输入“HCl”点击右侧“查询”按钮，即可快速找到盐酸溶液；选择“物质的量浓度”选项卡，在“物质的量浓度”中输入“12”mol/L，“体积”中输入“40”ml；点击“添加”按钮，分液漏斗中即添加12mol/L、40ml的盐酸溶液；点击“关闭”按钮关闭对话框。

图4-1-2-18　添加盐酸溶液

②添加二氧化锰固体。用同样方法在圆底烧瓶中添加80g二氧化锰固体，如图4-1-2-19所示。

图4-1-2-19　添加二氧化锰固体

③添加氢氧化钠溶液。用同样方法在烧杯中添加1mol/L、100mol的NaOH溶液，如图4-1-2-20所示。

图4-1-2-20　添加氢氧化钠溶液

④药品添加完毕后，实验装置如图4-1-2-21所示。

图4-1-2-21　药品添加完毕后

（4）运行实验。

①运行实验。点击“工具栏”中的“运行”按钮，开始运行实验。选中分液漏斗，在弹出的界面中选择“打开”或者“点滴”，如图4-1-2-22所示。选中酒精灯，点击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择“点燃酒精灯”，如图4-1-2-23所示。

图4-1-2-22　开启分液漏斗

图4-1-2-23　点燃酒精灯

②调节反应速度、控制反应内容。点击“工具栏”中“停止”按钮，停止实验。选中圆底烧瓶，点击鼠标右键，弹出“容器属性”对话框，选择“容器中的反应”选项卡，如图4-1-2-24所示，可查看刚刚发生的所有化学反应。如果只需要控制一个主要反应内容的发生，可选中其他不需要的反应，点击“删除”按钮删除即可。如需改变反应速度，先选中左侧方程式，在右侧的“反应速度”框中进行修改即可。