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基于移动端的迈克耳孙干涉仪虚拟仿真系统

潘志爽，吴博涵，韩镕冰

（内蒙古科技大学理学院，内蒙古包头014010）

摘要：迈克耳孙干涉仪实验是经典光学实验之一．调查发现在实验教学过程中，由于光路抽象和仪器调整困难，学生的实验效果不理想．针对这一问题，本文设计了运行于移动端的迈克耳孙干涉仪虚拟仿真系统．该系统利用3D建模软件Blender构建了干涉仪模型，在Unity3D平台上使用C#语言编写算法实现了该实验光路传播可视化、干涉图样实时模拟和虚拟仿真实验操作测量，并扩展了实验内容．该系统迎合当代大学生使用手机、平板等移动设备学习的习惯，能帮助学生在预习实验阶段理解仪器结构和光路图，以及通过逼真的虚拟操作使学生快速上手干涉仪的调整和实验测量，从而达到提升实验教学效果的目的．

关键词：迈克耳孙干涉仪；虚拟仿真；Unity3D；

中图分类号：O4-1

迈克耳孙干涉仪是1881年由迈克耳孙设计并制成的用分振幅法产生相干光的干涉仪器，用它可以观察光的干涉现象，还可以测定单色光的波长、滤光片的相干长度及透明介质的折射率等[1]．“迈克耳孙干涉仪的调整与使用”是本科普通物理实验中经典的光学实验之一，通过学习该实验，不仅能验证光的干涉理论，也能提升学生的实验技能和科学素质.

在较多的普通高校中，迈克耳孙干涉仪实验普遍被学生认为是较难完成的基础实验之一．一个原因是迈克耳孙干涉仪光路图抽象，在无仪器实物参照下，学生既不能很好地理解干涉图案形成的理论基础，又不能直观地掌握干涉仪的结构和其调整使用，因此学生在预习该实验时存在较大困难．二是在实验课上学生将大部分时间花费在干涉仪的调整上，留给实验测量和拓展的时间不足，导致学生实验收获有限．对我校2024秋学期完成该实验的701名学生开展了问卷调查，结果显示实验预习阶段仅有7%的学生能理解迈克耳孙干涉仪的结构和?作者简介:潘志爽(2004—)，男，内蒙古自治区赤峰人，内蒙古科技大学理学院应用物理学

?作者简介:潘志爽(2004—)，男，内蒙古自治区赤峰人，内蒙古科技大学理学院应用物理学2023级本科生

通信作者:李川飞，E－mail:li_chuanfei@163.com

开发线上迈克耳孙干涉虚拟仿真实验可以很好地解决以上问题．作为线下实验教学的辅助手段，虚拟仿真能帮助学生在预习阶段直观且深刻地理解该实验的光路干涉原理、干涉仪调整和操作，进而在实验课上能正确、快速完成基础实验内容，并留出一定时间进行实验拓展．

目前已有物理实验虚拟仿真系统可分为两类，一类是采用Matlab、LabView等电脑端软件开发的虚拟仿真实验[4-7]，它们针对的是某一个或同类实验项目，如基于MatlabGUI落球法测液体黏度的虚拟仿真[3]；另一类是基于HTML5或独立开发的虚拟仿真物理实验平台，平台集成了较多的实验项目，如科大奥瑞公司的爱拓才教育平台和国家高等教育智慧教育平台．以上这些虚拟仿真系统均存在一些不足，例如：其一，需在计算机端运行，不符合当前大学生移动化、自主化学习的需求，不足以体现出虚拟仿真实验不受时间、空间约束的灵活性与便捷性；其二，仿真实验项目的虚拟操作与实际测量过程差别较大，学生体验不佳．

本文利用Blender3D建模软件和Unity3D平台，采用C#语言自主编写算法，设计了一款基于移动端的迈克耳孙干涉实验虚拟仿真系统．该系统迎合了当代大学生使用移动端的习惯，实现了可视化的光路图、逼真的虚拟操作体验以及符合实际的实验结果．通过虚拟仿真系统能够帮助学生直观地理解干涉原理和仪器调整，进而提升实验教学效果．

1迈克耳孙干涉实验基本原理

迈克耳孙干涉仪基于分振幅法获得两束相干光，光路系统由激光光源S、分光板G1、补偿板G2、可移动反射镜M1和固定反射镜M2组成，如图1a所示．其中，M1和M2分别安装在相互垂直的两臂上，垂直臂上的M1底座连接有精密丝杆，沿臂移动距离可被精准测出．G1玻璃片水平斜45°放置于两臂交汇中心，其后表面镀有半反射半透射膜，可将入射光分成振幅相等的反射光束与透射光束．在水平臂放置与G1平行且尺寸相同的玻璃片G2，用于补偿两束光线的光程差，以及白光干涉时的色散[2-3]．

图1(a)为迈克耳孙干涉仪，(b)为迈克耳孙干涉仪光路简图

迈克耳孙干涉仪光路较为抽象，由光源S发出的激光光束水平射向G1，分光后透射光束穿过G2射向M2，经M2反射后再次穿过G2，最后被G1下表面膜层反射进入实验者视野；反射光束则直接射向M1，经M1反射后穿过G1进入实验者视野。若M1和M2精确垂直，两束相干光将在视野空间重合发生干涉，由于采用的是扩展光源，在毛玻璃屏上将形成典型的圆环状等倾干涉条纹．

设光源S关于M1和M2的像分别为S和S，M2关于G1的像为M2，d为M1和M2位置距离之差