雷前召,李芳菊,郭 蕾,安 博

(渭南師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院,陜西 渭南 714099)

2020年春季開學(xué)季,新冠肺炎(COVID-19)肆虐,學(xué)校應(yīng)對的有效手段只有隔離、減少人員接觸。中國教育部適時提出各級各類學(xué)校施行“停課不停學(xué)”的線上開課計劃。作為動手為主的學(xué)生實驗課,其線上開課難度更大。我校物理專業(yè)的實驗課緊跟國內(nèi)最新教學(xué)模式,2007年引進(jìn)智能輔助塞曼效應(yīng)[1],2017年我校“物理與應(yīng)用光學(xué)實驗”項目獲2017年度陜西省示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目立項。借助虛擬仿真實驗,幫助實現(xiàn)線上實驗開課計劃,保證了實驗教學(xué)的正常進(jìn)行。

“塞曼效應(yīng)”是繼法拉第發(fā)現(xiàn)“法拉第效應(yīng)”,克爾發(fā)現(xiàn)“克爾效應(yīng)”之后,實驗物理學(xué)家迎來的磁場對光影響的又一重大發(fā)現(xiàn),由于研究這個效應(yīng),塞曼和洛倫茲在1902年共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎[2],而塞曼效應(yīng)實驗是物理學(xué)專業(yè)近代物理實驗中的經(jīng)典必選[3]。

塞曼效應(yīng)實驗選作物理學(xué)學(xué)生的近代物理實驗,其改進(jìn)工作一直在進(jìn)行。該實驗測量的主要任務(wù)是獲取法布里-珀羅(F-P)標(biāo)準(zhǔn)具所成的等傾干涉圓環(huán)的直徑[4]。傳統(tǒng)方法是在光路末端目鏡上加裝螺旋測微計,直接測量并讀取目鏡內(nèi)觀察到的圓環(huán)直徑。而電腦輔助則是其智能化的改進(jìn)版本,通過加裝CCD攝像裝置替換原光路末端的望遠(yuǎn)鏡,將干涉圓環(huán)圖像采集到電腦(電腦端需加裝數(shù)據(jù)采集卡及其系統(tǒng)軟件),通過塞曼效應(yīng)實驗數(shù)據(jù)處理軟件直接獲取實驗所需最終結(jié)果。目前學(xué)生自帶的智能手機(jī)均具有不錯的照相功能,將其作為光路接收端的圖像采集裝置也是很好的嘗試[5]。

將新冠COVID-19疫情期間采用的塞曼效應(yīng)實驗的線上虛擬仿真模式和傳統(tǒng)塞曼效應(yīng)電腦輔助模式進(jìn)行對比,探求在疫情隔離或不得已只能采用網(wǎng)課形式做實驗時,使用虛擬仿真模式的教學(xué)效果不低于實驗室的實體實驗?zāi)Ｊ健?/p>

1 塞曼效應(yīng)實驗相關(guān)原理-塞曼效應(yīng)與洛倫茲解釋

汞燈光源所發(fā)光譜線(頻率為ν)在磁場中發(fā)生譜線分裂[6],分裂后的譜線與原譜線(汞綠光波長為546.1 nm)存在微小的波長差、頻率差,用波數(shù)差表示[7]:

(1)

能級躍遷的選擇定則與偏振狀態(tài)相關(guān)聯(lián)。在垂直于磁場方向觀察汞綠光,該方向為線偏振光[8],當(dāng)ΔM=0時,偏振方向平行于磁場(π光);當(dāng)ΔM=±1時,偏振方向垂直于磁場(σ光)[9]。

公式(1)中的朗德因子g由原子的總角動量J、軌道量子數(shù)L、自旋量子數(shù)S決定,對L-S耦合,M1g1取值2、0、-2,M2g2取值3、3/2。0、-3/2、-3[10]。借用偏振片輔助,這些電子軌道理論完美解釋了施加橫向磁場后實驗中觀察到的譜線1變9,9變3現(xiàn)象。洛倫茲首次用電子論解釋了塞曼效應(yīng),并首次經(jīng)計算得到電子的荷質(zhì)比。

圖1 π譜線干涉圓環(huán)示意圖

等傾干涉其干涉條紋級別與傾角的關(guān)系為2dcosφ=kλ,相同傾角φ的光線成像在同一干涉圓環(huán)級別k上,且傾角越小(越靠近中心的圓環(huán))的干涉圓環(huán)的級別k越高。

設(shè)同一級次(如圖1所示的k-1)的三個波長為λa、λb和λc,對應(yīng)的干涉圓環(huán)直徑分別為Da、Db和Dc;再取k級三條譜線的一條,記為Dk,則可得k-1級分裂的3條譜線間兩相鄰干涉條紋的波數(shù)差[12]:

(2)

式中,d為F-P標(biāo)準(zhǔn)具常數(shù)。

上述四個直徑可計算出兩個波數(shù)差,取其平均值。然后再使用實驗配套的磁場測定儀,測出電磁鐵兩極間汞燈所在處的磁場B,利用式(3)計算電子荷質(zhì)比。

(3)

目前荷質(zhì)比公認(rèn)的理論值:e/m=1.76×1011(C/kg)[13],將理論值作為測量值的真值,用于對本實驗進(jìn)行誤差分析。

2 塞曼效應(yīng)兩種實驗方法

2.1 電腦輔助型塞曼效應(yīng)實驗儀器調(diào)節(jié)及實驗現(xiàn)象的獲取

塞曼效應(yīng)實驗主體裝置如圖2所示,這是獲得塞曼效應(yīng)實驗現(xiàn)象的必備設(shè)備。光具座導(dǎo)軌上依次擺放會聚透鏡、濾光片、F-P標(biāo)準(zhǔn)具、會聚透鏡、加裝螺旋測微計的望遠(yuǎn)鏡,另有為汞燈和電磁鐵供電的主機(jī)。智能型塞曼效應(yīng)實驗則將CCD攝像裝置替換圖2中的望遠(yuǎn)鏡。

圖2 塞曼效應(yīng)實驗裝置

調(diào)節(jié)光路共光軸(等高調(diào)節(jié))[14],汞燈置于電磁鐵兩極的中間。旋轉(zhuǎn)電磁鐵,沿垂直于磁場方向觀察。

將汞燈接通主機(jī)電源,汞綠光沿光路到達(dá)望遠(yuǎn)鏡。細(xì)調(diào)兩個會聚透鏡在導(dǎo)軌上的位置、F-P標(biāo)準(zhǔn)具的平行度及仰角,直到從望遠(yuǎn)鏡能清晰看到汞綠光的銳細(xì)等傾干涉同心圓環(huán)。

打開主機(jī)上電磁鐵的電源開關(guān),汞綠光在磁場作用下,經(jīng)F-P標(biāo)準(zhǔn)具所成的銳細(xì)干涉圓環(huán)條紋變粗。仔細(xì)調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡位置(對焦),并慢慢增加磁場發(fā)現(xiàn)變粗的圓環(huán)其實是由9條細(xì)線組成的。F-P標(biāo)準(zhǔn)具前加裝偏振片,并旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)偏振方向,再慢慢增大磁場,原銳細(xì)圓環(huán)分裂成3個圓環(huán)(π光)。

2.2 塞曼效應(yīng)的虛擬仿真實驗

新冠肺炎COVID-19疫情暴發(fā)前夕我校剛引進(jìn)中國科大奧銳虛擬仿真實驗教學(xué)云平臺,借用科大奧銳虛擬仿真實驗系統(tǒng)可以進(jìn)行線上實景化虛擬仿真實驗。虛擬仿真型塞曼效應(yīng)實驗全部流程,包括各儀器調(diào)節(jié)方法、操作時的注意事項都與傳統(tǒng)手動塞曼效應(yīng)實驗完全相同。

測量前的儀器調(diào)節(jié),獲取預(yù)期的實驗現(xiàn)象:①進(jìn)入塞曼效應(yīng)實驗窗口,如圖3所示,用鼠標(biāo)選中儀器并拖動,將F-P標(biāo)準(zhǔn)具、會聚透鏡、成像透鏡等實驗儀器參照實驗光路圖放置。②將汞燈拖放于磁鐵中間并接通電源,將電磁鐵轉(zhuǎn)向和光路垂直的方向,圖3(b)所示。③鼠標(biāo)雙擊望遠(yuǎn)鏡查看實驗現(xiàn)象,用鼠標(biāo)調(diào)節(jié)光路中各儀器的位置、高低至等高,以使觀察到的干涉圖像清晰、明亮。④鼠標(biāo)雙擊F-P標(biāo)準(zhǔn)具面板上的三個調(diào)平螺絲、界面出現(xiàn)不同方向的箭頭,調(diào)節(jié)箭頭方向,望遠(yuǎn)鏡中看到干涉圓環(huán)出現(xiàn)吞、吐現(xiàn)象;仔細(xì)調(diào)節(jié)三個箭頭方向,直到望遠(yuǎn)鏡內(nèi)干涉圓環(huán)無“吞吐”,表明F-P標(biāo)準(zhǔn)具兩平行面完成了“調(diào)平”。⑤鼠標(biāo)雙擊電磁鐵,打開電磁鐵調(diào)節(jié)界面,點擊打開電磁鐵勵磁電源開關(guān),調(diào)節(jié)輸出電壓及微調(diào)旋鈕,干涉圓環(huán)變粗;點擊偏振片調(diào)節(jié)偏振方向,望遠(yuǎn)鏡的“測量干涉環(huán)直徑”界面上顯示的變粗的干涉圓環(huán)時而為6條細(xì)條紋(σ成分的干涉圓環(huán)),時而為3條細(xì)條紋(π成分的干涉圓環(huán))。

(a) 電磁鐵和光路方向平行

3 塞曼效應(yīng)實測數(shù)據(jù)及其數(shù)據(jù)處理

3.1 電腦輔助型塞曼效應(yīng)實體實驗數(shù)據(jù)記錄與處理

未加磁場時,汞綠光經(jīng)法布里-帕羅(F-P)平行板成像等傾干涉同心圓環(huán)。加磁場至一定強(qiáng)度后每條圓環(huán)變成9條。光具座添加偏振片,旋轉(zhuǎn)偏振方向,并配合調(diào)節(jié)外加磁場大小,濾掉σ光,只留下3條π光。此時就可以利用CCD裝置將圖像采集到電腦中并保存;測量汞燈所在處的磁場強(qiáng)度,測量時注意旋轉(zhuǎn)探頭,讀取顯示的最大值,記錄并保存。

塞曼效應(yīng)實驗分析軟件由設(shè)備廠家提供,不須安裝直接打開使用。從面板左上“文件”打開保存的圖像,如圖4所示。軟件面板左側(cè)有k、k-1、k-2級次的干涉圓環(huán)直徑輸入窗口,每個級次三個直徑對應(yīng)三個π光干涉圓環(huán)。首先選定圓心(圖中“十”字),測某一圓環(huán)直徑,只需用鼠標(biāo)在該圓環(huán)上選定三個點,三點確定一圓周,即圖中新出現(xiàn)的藍(lán)色圓周,則該圓直徑自動被算出并填入到左側(cè)對應(yīng)空欄內(nèi)。測完所有相應(yīng)圓環(huán)的直徑后點擊面板左下的“計算”,磁場強(qiáng)度輸入窗口跳出;將測量的磁場值輸入,F-P間隔d=2 mm已內(nèi)嵌入公式,荷質(zhì)比計算結(jié)果顯示在界面左上方,本次計算結(jié)果為1.57(×1011C/kg)。我們物理學(xué)往屆學(xué)生實驗精度通常在1.4～2.0(×1011C/kg)之間,總體精度比過去使用望遠(yuǎn)鏡手動測量有了明顯提高,也說明測量數(shù)據(jù)的可靠性大幅上升。

圖4 計算機(jī)軟件處理結(jié)果

3.2 虛擬仿真型塞曼效應(yīng)實驗數(shù)據(jù)記錄與處理

沒加磁場時的F-P等傾干涉圖像如圖5(a)所示。打開磁場電源開關(guān),調(diào)節(jié)電壓使之產(chǎn)生足夠強(qiáng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B;調(diào)整偏振片的偏振方向,可在望遠(yuǎn)鏡的“測量干涉環(huán)直徑”界面看到干涉環(huán)由原來的一條分裂成9條,如圖5(b)所示。繼續(xù)調(diào)整偏振片的偏振方向,當(dāng)在望遠(yuǎn)鏡的“測量干涉環(huán)直徑”界面看到干涉環(huán)由原來的9條變成3條π光,如圖5(c)所示,至此干涉現(xiàn)象調(diào)節(jié)完成,開始測量。圖3右上角有磁場測定儀,用其測量磁鐵兩極間的汞燈所在處的磁場并做記錄。

圖5 仿真實驗系統(tǒng)獲取的干涉圖像

利用公式(2),測量四個干涉圓環(huán)直徑k,(k-1)a,(k-1)b,(k-1)c,可計算k-1級3條π光之間相鄰的兩譜線之間的波數(shù)差。

鼠標(biāo)右鍵在干涉圖像上移動,記錄鼠標(biāo)所在位置的坐標(biāo),測算干涉圓環(huán)直徑。將鼠標(biāo)滑到望遠(yuǎn)鏡窗口內(nèi)的干涉圓環(huán)上,點擊直徑兩端點,光標(biāo)所在位置的讀數(shù)顯示在右上角,如圖6所示,并記錄端點坐標(biāo)值。如圖6中Dk-1的Db直徑的測量,坐標(biāo)分別為(94,190),(347,190),所以Db=253 nm。類似地測得Dk=166,Da=242,Dc=257。

圖6 確定圓環(huán)直徑兩端點坐標(biāo)

磁場測定儀測得的磁場B=0.233T,如圖7所示。

圖7 磁場強(qiáng)度儀測定的磁場讀數(shù)

利用公式(3)計算出核質(zhì)比e/m=1.77×1011C/kg,課堂上學(xué)生實驗的結(jié)果介于1.65～1.88(×1011),但大多數(shù)學(xué)生的結(jié)果在1.71～1.81(×1011)之間。參照核質(zhì)比的理論值,虛擬仿真型實驗誤差比電腦輔助型實體實驗有了明顯提高。

圖3(a)塞曼效應(yīng)虛擬仿真實驗臺右上角顯示有實驗操作時間,平時是作為正常上課時間的提示,但亦可作為考試時的參考。使用該平臺完成普通實驗及實驗報告提交、使用該設(shè)備完成網(wǎng)上測試[15]均沒有任何問題。

4 結(jié) 論

(1)過去傳統(tǒng)手動塞曼效應(yīng)實驗,學(xué)生人工讀取望遠(yuǎn)鏡內(nèi)的螺旋測微器尺寸是一項費時、費力的工作;汞燈輻射紫外線,實驗操作時不宜長時間用眼觀察;吃力的工作也常常造成了更多的失誤,大多學(xué)生的數(shù)據(jù)不可靠。電腦輔助型塞曼效應(yīng)實驗對圖像采集及數(shù)據(jù)處理的改進(jìn)克服了這些缺陷,實現(xiàn)對其升級。但塞曼效應(yīng)實驗現(xiàn)象的獲取,仍需對實驗儀器、光路進(jìn)行細(xì)致調(diào)節(jié),實驗現(xiàn)象的不穩(wěn)定,反復(fù)、重復(fù)工作時有發(fā)生,攝像頭很難捕捉到清晰可靠的圖像。另外,電腦軟件雖然能對采集的圖像直接進(jìn)行處理,并給出最終結(jié)果,確實給學(xué)生處理數(shù)據(jù)帶來了便利;但圖像處理軟件本身的學(xué)習(xí)甚至超過了實驗的預(yù)習(xí)時間,這削弱了實驗教學(xué)的中心任務(wù),使得教學(xué)效果打了折扣。此外,塞曼效應(yīng)這類實驗設(shè)備價值不菲,由于成套設(shè)備不多而導(dǎo)致的學(xué)生參與度不高,一直是近代物理實驗教學(xué)的軟肋。

(2)虛擬仿真型塞曼效應(yīng)實驗借用中國科大奧銳虛擬仿真實驗教學(xué)云平臺,從實驗儀器的擺放、調(diào)試、測量及數(shù)據(jù)處理,全程模擬手動操作,且只要必要的步驟操作到位,結(jié)果通常都比較理想。在教學(xué)時不僅幫助教師更加有效地講解實驗原理,也為教學(xué)的演示或?qū)W生實驗的預(yù)習(xí)節(jié)省不少時間。另外,塞曼效應(yīng)虛擬仿真實驗還為實驗報告網(wǎng)上提交、實驗考試、測驗等的可操作性提供了便利條件;新冠(COVID-19)疫情特殊時期,所有課程網(wǎng)上開課,虛擬仿真實驗肩負(fù)起學(xué)生實驗的主要職責(zé)。

(3)塞曼效應(yīng)虛擬仿真實驗看似解決了電腦輔助型塞曼效應(yīng)實驗所遇到的所有問題,但虛擬仿真實驗不能完全替代實驗室的實體實驗。實體實驗是科學(xué)實驗的基石,偶然因素的影響,繁瑣、重復(fù)工作都是科技工作者的必修課。只有充分發(fā)揮兩種實驗方式的優(yōu)缺點,做到優(yōu)勢互補(bǔ),使之相輔相成,則可大幅提升實驗效率,提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,改善教學(xué)效果。隨著5G建設(shè)的快速推進(jìn),線上教學(xué)會得到進(jìn)一步普及與推廣,后期我們將會繼續(xù)加大虛擬仿真實驗在實驗教學(xué)中的應(yīng)用,不斷適應(yīng)新時代的要求。