普通物理虛擬實驗室建構之設計

本牛頓第二運動虛擬實驗室建置，內容是參酌大學普通物理實驗課程的真實 實驗裝置與使用者操作手冊說明書進行設計建構，建置過程中針對真實實驗中的 科學實驗器材、實驗原理、實驗方法，及設計虛擬實境的軟體特性給予適當性的 修改，以建構3D模型物件及場景，最後製作成可互動操作的虛擬室實驗室環境。

本研究的牛頓第二運動定律實驗裝置共計有三項虛擬實境實驗，分別如下：

一、牛頓第二運動定律之虛擬實驗室設計

1、力與加速度間關係實驗：藉由氣墊軌道角度改變，探討加速度與外力的關係。

實驗裝置如圖3-3-1。

圖3-3-1 物理實驗室驗證第二運動定律的器材裝置圖(一)

(圖片參考自http://www.science.com.tw/catelog/images/26.jpg，2009) 實驗方法：1.改變軌道支點下的墊高高度，氣墊軌道的斜率會隨之變動，進

而改變了滑車所受的作用力。θ為氣墊軌道斜面和水平面的夾 角，作用力F=mgsinθ，其中sinθ由氣墊軌道長度與氣墊軌道 墊高高度可以求之。

2.當滑車通過兩光電管前沿時由偵測器分別偵測出從出發至抵 達光電管位置所歷經的時間。

3.訊號傳至電腦後由電腦程式計算出滑車通過兩光電管擋光片 時的瞬時速度。

4.藉由滑車通過兩光電管之間的Δt與兩光電管的瞬時速度v0和 v，可由v-v0=at公式算出滑車的加速度a。

5.調整氣墊軌道支點下的墊高高度，以產生不同θ角度，並探討 每次產生的加速度(a)與滑車受作用力(F)的關係。

礙於虛擬實境實驗室和真實實驗室的呈現媒介差異與考量虛擬環境設 計的困難度，力與加速度間關係的虛擬實驗建置時，軌道斜面角度採用3ds Max菱柱體模型的建模，分別是5度、10度、15度、20度四種斜面角度。而軌 道的建模為平面動力滑車軌道，並非真實實驗室的氣墊軌道裝置器材圖樣。

滑車通過兩光電管擋光片的瞬時速度，則是套用Virtools Physics Library 中的建構模組來偵測速度，當滑車經過斜面軌道的偵測器，即會啟動選定的 模組主動偵測。藉由兩偵測器所偵測的瞬時速度，與滑車經過兩偵測器之間 所花的時間，參數會運算出滑車加速度，並自動顯現於視窗上。此運用各項 模組的連接而設計完成的實驗一，其虛擬實驗室數據結果，可探討與理論值 間的關係。

2、力、質量與加速度間關係實驗：當氣墊軌道角度固定，且質量一定時，改變 受力，探討加速度與外力的關係，實驗裝置如圖3-3-2。

圖3-3-2 物理實驗室驗證第二運動定律的器材裝置圖(二)

(圖片引自http://www.science.com.tw/catelog/images/27.jpg，2009)

實驗方法：1.實驗的滑車軌道裝置需保持水平，滑車及滑塊、牽引法碼三項 的質量總和(系統質量)不變，而滑塊固定於滑車上。

2.當手離開滑車，讓滑車在軌道上因為法碼的作用力牽引而向滑 輪端滑動，當滑車通過兩光電管偵測器前沿時，由偵測器分別 偵測出從出發至抵達光電管位置所歷經的時間。

3.訊號傳至電腦後由電腦程式計算出滑車通過兩光電管擋光片 時的瞬時速度。

4.藉由滑車通過兩光電管之間的Δt及兩光電管的瞬時速度v0和 v，可由v-v0=at公式算出滑車的加速度a。

5.系統總質量不變之下，將滑車上滑塊換成等質量法碼的牽引力 進行實驗，重複上述2、3、4步驟的流程。在不同牽引的作用 外力下，探討每次產生的加速度(a)與滑車所受作用力(F)的關 係。

此虛擬實驗室建置時，偵測滑車速度及移動的時間方式如同「實驗一」

力與加速度間關係實驗，但較困難處是對於牽引滑車的繩索及滑輪，需模擬 移動狀況及轉動現象，此部分於第四章實驗程式設計會詳細說明之。整個實 驗過程中外力(F)為法碼盤與法碼的總和，共有10gW、15gW、20gW、25gW等 四種不同外力，而系統總重固定為200gw，偵測器預設位置為50公分、100公 分處，操作者可以藉由鍵盤左右移動，設定兩偵測器距離與位置，實驗操作 完成後所有相關數據皆會呈現在虛擬實驗室的上方螢幕。

3、質量與加速度間關係實驗：當受力(F)一定時，探討加速度與質量的關係。

(本實驗裝置如圖3-3-2)

實驗方法：1.實驗的滑車軌道裝置需保持水平，外力不變之下(即法碼盤與

法碼質量總和)，滑車放置不同質量的滑塊，分別偵測滑車 加速度大小。

2.當手離開滑車，讓滑車在軌道上因為法碼的作用力(F)牽引而 向滑輪端運動，滑車通過兩光電管偵測器前沿時，由偵測器分 別偵測出從出發至抵達光電管位置所歷經的時間。

3.訊號傳至電腦後由電腦程式計算出滑車通過兩光電管擋光片 時的瞬時速度。

4.藉由滑車通過兩光電管之間的Δt與兩光電管的瞬時速度v0和 v，可由v-v0=at公式求出滑車的加速度a。

5.在外力(F)不變之下，探討系統質量改變(滑車上的滑塊逐漸增 加)，與加速的之間的關係。

加速度與質量關係的虛擬實境設計，方法同「實驗二」─力、質量與加速度間關 係實驗，外力(F)固定為15gw，而實驗過程中共有四種不同的系統質量的情形，

分別為235gw，285gw，335gw，385gw，牽引力(F)皆固定為15gw，偵測器的預設 位置為50公分及100公分處，操作者透過鍵盤可左右移動位置。本相同外力作用 的虛擬試驗，系統質量與加速度間的關係由實驗數據和理論數據資料對照可比較 其結果的誤差值。

二、虛擬實驗與真實實驗的差異性

本研究建置的虛擬實驗與真實實驗之間存在著差異性，各有其特質與優缺 點，其差異性分析列表如表3-3-1。於真實情境下操作的傳統物理實驗室，實驗 器材的組裝與保存、保養，是普通物理實驗課程中最感到困擾的部份，而這些器 材往往只在大學的物理實驗室才能取得，因此只能限於教室課堂間實驗，此外實 驗結果會受制於器材的精密性與完整性影響，產生的結果常誤差值偏大；本研究 的虛擬實驗透過設計而成的虛擬實驗與電腦設備即可實驗，藉由伺服器端與使用

者端間的互動，並無器材保養問題，且不受時間與空間影響，因具媒體特質及仿

第四節 建置虛擬實驗室場景