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1881年，美国物理学家迈克尔逊和莫雷为研究“以太”漂移而设计制造出来一台精密光学仪器——迈克尔逊干涉仪[1]，其工作原理是利用分振幅法产生双光束以实现干涉，根据干涉条纹可以计算出所测物理量，如测量光波的波长[2]、介质折射率[3-5]、微小位移[6-7]等.同时，迈克尔逊干涉仪的工作原理及其使用方法也是大学物理课程中必需的教学内容.但是对迈克尔逊干涉现象的理解高度依赖于具体实验结果，而大学物理中的光学实验则是独立于课堂教学的一门实验课程，与大学物理课程在教学时间和教学空间上分离，极大地影响了这部分光学内容的教学效果.而大学物理中的虚拟仿真演示实验则成为物理及实验教学的重要补充手段，是物理教学中不可或缺的组成部分.
LabVIEW[8-12]采用图形化编程语言，简单易学，基于LabVIEW的虚拟仿真设备开发由前面板设计和程序框图设计组成，其开发周期短，且用户自定义控件就可以改变仪器功能，教师可以在较短的时间内设计出和实际实验仪器功能相同、面板一致的虚拟仿真设备.本研究基于LabVIEW建立了利用迈克尔逊干涉仪进行测量光波波长、测量介质折射率和测量微小位移的虚拟仿真实验系统，并应用于大学物理及相关的实验教学中.
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用迈克尔逊干涉仪测介质折射率的示意图和光路图如图 1所示.以测量玻璃片的折射率为例，其中反射镜M1和M2、半反射镜G1、补偿板G2构成干涉仪的主体，M′2是M2通过M1所成的像.不放玻璃片时，用白光调出干涉直条纹，彩色条纹中央的白色或灰色条纹对应于M1和M′2重合的位置.设此时M1离开观察透镜的距离为Z1，加上厚度为t、折射率为n的玻璃片后，调出彩色干涉条纹.设条纹在视场中央并且两侧条纹分布对称时，对应的距离为Z2.显然Z1与Z2的差的2倍应等于由玻璃片引入的光程与空气的光程之差，为
由此可得
其中，Δd=|d2-d1|是M1在两次观测中移动的距离，可从实验中测得.玻璃片的厚度t已知，可由(2)式得出玻璃的折射率n.
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用波长为的单色光照射时，迈克尔逊干涉仪所产生的环形等倾干涉圆条纹的位置取决于相干光束间的光程差，而由M1和M2反射的两列相干光波的光程差为
式中i为反射光在平面镜M2上的入射角.对于第j级条纹，则有
当M1和M′2的间距d逐渐增大时，对任一级干涉条纹，例如j级，必定是以减少cos i的值来满足(4)式的，故该干涉条纹间距向ij变大的方向移动，即向外扩展.这时，观察者将看到条纹好像从中心向外“涌出”，且每当间距d增加λ/2时，就有一个条纹涌出.反之，当间距d由大逐渐变小时，最靠近中心的条纹将一个一个地“陷入”中心，且每向中心陷入一个条纹，间距d的改变必为λ/2.
因此，当M1镜移动时，若有N个条纹陷入中心，则表明M1相对于M2移近了距离Δd，其值为
反之，若有N个条纹从中心涌出来，则表明M1相对于M2移远了Δd的距离.如果精确地测出Δd，则由(5)式计算出入射光波的波长.
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金属丝线膨胀系数的表达式为
其中，α为试样的平均线膨胀系数，l为金属丝原长，Δl为温度变化Δt时金属丝的伸长量.通过观察金属丝在温度变化Δt时干涉环“吞入”或“吐出”的数目N.并利用公式(7)：
可得温度变化Δt时金属丝的伸长量Δl.
1.1. 迈克尔逊干涉仪测量介质折射率的实验原理
1.2. 迈克尔逊干涉仪测量光波波长的实验原理
1.3. 迈克尔逊干涉仪测量金属丝热膨胀系数的实验原理
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图 2为实验系统的部分程序框图.该实验系统分为“测量光波波长”、“测量介质折射率”、“测量微小位移”以及“实验说明”4个部分，可以通过界面左上角的选项卡来选择.实验说明部分包含了本实验用到的实验原理及本系统的详细操作教程，使用者可以通过说明文件学习实验原理及本系统的使用方法.实验部分可模拟真实实验调整相关参数，并能够观察到条纹的实时变化和计算结果.可调整的参数包括光源、动镜距离、介质类型等.在开始仿真实验时需要先打开左下角的光源开关并调整光源光强，否则光屏上不会出现任何条纹；更换光源类型时条纹的颜色会随光源颜色一起改变；调整d和L的大小时，可以观察到条纹的冒出缩进或变大变小.由此说明，本系统比较好地还原了真实实验情形.
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图 3为测量光波波长实验系统界面.此部分选择了“钠光灯”、“氦氖激光源”这两种较为常见的单色光源，其中钠光灯的波长为589.3 nm，氦氖激光源的波长为632.8 nm.页面右下方的灰色部分为控制区，可选择光源类型并对L及d进行调整；对d还可以进行微米级别的微调.可在界面右下角的文本框中观察到此时d的大小、中心条纹的级数k以及实验得到的光波波长的结果.
实验时，首先在界面右下方的“光源选择”处选择一种光源类型，然后打开页面左下角光源的开关，并调整“入射光光强”至某一个合适的值，使光屏上出现干涉条纹，调整d的大小，记录两次d，k的取值得到Δd，Δk，再根据公式
计算得到波长的值.
以测量钠光灯波长为例，在“光源控制”处打开光源开关，将光强调至合适值.调整“粗调旋钮”与“微调旋钮”的位置，将不同位置的d与k的值记入表 1，再根据式(8)计算出对应的光波长.
由表 1可知，实验的计算值与标准值相比相差很小，有一定偏移，与实际情况相符合，可见本系统可较好地模拟测量光波波长的实验.
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图 4为测量介质折射率实验室系统界面. 图 1所示的光路中，如果在G1和M2之间插入一个厚度为t的介质片，则会引入额外光程差δ′，使干涉条纹发生改变.
以测量厚度为1 cm，折射率为1.5的玻璃片为例.实验时，首先打开页面左下角光源的开关(此实验中使用波长为589.3 nm的钠光灯)，并调整“入射光光强”至某一个合适的值，使光屏上出现干涉条纹，顺时针转动微调旋钮，同时观察干涉条纹变化，当干涉环中心最亮即条纹强度分布图中间位置达到极大值时，记下此时动镜位置读数d1，然后在界面右下方的“选择介质”处选择插入玻璃介质，调节“粗调旋钮”，使光屏上条纹数目大致与插入介质前相同，再调节“微调旋钮”，尽可能地使光屏上干涉图样与插入介质前相同，记下动镜位置读数d2，测量两次并记录入表 2，再由式(2)计算出介质的折射率.
从表 2可以看出计算值与标准值对比可发现结果误差很小，但有一定偏移，与实际情况相符合，可见本系统可较好地模拟测量介质折射率的实验.
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图 5为测量微小位移实验系统界面.此部分以“测量金属线膨胀系数”实验为例演示了用迈克尔逊干涉仪测量微小位移的方法.将金属棒与迈克尔逊干涉仪的动镜连接在一起，金属棒长度变化时会带动动镜移动，从而使干涉条纹发生变化，数出通过条纹变化值Δk后，可计算出金属线膨胀系数，其中金属棒原长l给定为50 cm，金属线膨胀系数的计算公式为
先打开左下角光源开关(此实验中使用波长为632.8 nm的氦氖激光源)，并调整“入射光光强”至某一个合适的值，使光屏上出现干涉条纹；d可保持默认值.屏幕上出现干涉条纹后，在界面右下角选择好金属棒的材质、设定好加热的温度(初始温度默认为25 ℃)后，点击“加热开关”开始加热，加热需要大约20 s，可通过“加热进度”进度条查看加热进度.加热的同时光屏上会出现条纹变化.记录下加热前后的中心条纹级数Δk与金属线膨胀系数α，通过公式(6)、(10)可算出金属棒变化长度Δl与金属线膨胀系数α，这两个值可通过界面右下角的文本框观察到.
以测量铝线膨胀系数为例，铝线膨胀系数α标准值为23.2×10-6℃-1.初始温度为25 ℃，调出干涉条纹后，设定棒材与加热温度，打开加热开关，等待加热结束后记录下条纹变化数，根据(8)式计算出位移量，根据(10)式计算出线膨胀系数. 表 3为测量金属线膨胀系数的实验数据.
从表 3可以看出，计算值与标准值对比可发现结果误差很小，但有一定偏移，与实际情况相符合，可见本系统可较好地模拟测量金属线膨胀系数的实验.
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用户可在此选项卡内查看实验相关原理及本系统的详细操作步骤. 图 6为实验说明界面.
2.1. 系统简介
2.2. 测量光波波长实验演示
2.3. 测量介质折射率实验演示
2.4. 测量微小位移实验演示
2.5. 实验说明部分
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本研究开发出一种基于LabVIEW的迈克尔逊干涉仪虚拟仿真实验系统，能够模拟测量光波波长、介质折射率和微小位移实验.实验结果表明，该虚拟仿真实验系统生动直观地展示了实验中各种现象，并辅以相应的数据处理功能，能加深学生对测量光波波长、测量介质折射率和测量微小位移等3个实验及迈克尔逊干涉仪相关知识点的理解，并帮助学生验证自己的实验结果.在物理教学过程中，本系统可帮助学生进行课前预习、课后复习或自学该实验，教师则可利用此系统进行课堂演示，以得到更好的教学效果.本系统的开发充分展示了虚拟仿真实验系统应用于物理教学过程中的实践价值，能够为一线教育工作者开发基于LabVIEW的虚拟仿真实验提供一定的借鉴和参考.