塞曼效应实验方法改进

· 26· 实 验 科 学 与 技 术 2008年8月 塞曼效应实验 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 改进 杨 冰，史新立，李丽华，张洪方 (聊城大学物理科学与信息 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院，山东 聊城 252059) 摘要：分析了传统的塞曼效应实验方法的不足与缺陷，具有针对性地从仪器设备、图像观测和数据处理三方面进行了改 进。ig,~t CCD摄像技术、图像处理软件 Photoshop6．0和计算机编程语 言Visual Basic等对塞曼分裂图样进行拍摄提取、图 像处理、数据采集和自动分析处理，通过实验，验证了实验方法改进的可行性与精确性。 关 键 词：塞曼效应；光谱 ；磁感应强度 ；荷质比 中图分类号：0562．2；TN911．73 文献标识码：B 文章编号：1672—4550(2008)04—0026一o4 Improvement on the Techniques in Zeeman Effect Experiment YANG Bing，SHI Xin—li，LI Li—hua，ZHANG Hong—fang (School of Physics Science and Information Technology，Liaoeheng University，Haoeheng 252059，China) Abstract：The paper reports the insufficiency and flaw of traditional experimental methods of Zeeman effects and has improved the methods from three aspects：the instrumentation equipment，the picture observation an d the data processing．Using technology of CCD， picture processing software Photoshop 6．0 and computer language Visual Basic ． and SO on，the author has screened the pattern of Zee- magl effects，processed the picture and automatically analyzed the data．With the results from experiments，the paper proves the feasi- bility and the accuracy of the experimental technique improvement． Key words：Zeeman effects；spectrum；magnetic induction；charge—mass ratio 1 引 言 2 实验原理 塞曼效应是荷兰物理学家塞曼(Pieter Zeeman) 于 1896年发现的一个磁光效应。当光源放在足够 强的磁场中时，光源发出的谱线会被分裂成几条偏 振化的谱线，这种光谱在磁场中分裂的现象被称为 塞曼效应。塞曼效应可分为正常塞曼效应和反常塞 曼效应⋯。塞曼效应是近代物理学中的重要发现 之一，塞曼效应实验也成为各高校近代物理实验中 的一个重要而典型的实验。此实验主要是通过观察 Hg(546．074 nm)谱线在磁场中的分裂，并测量其 裂距，计算出电子荷质比e／m。此实验可加深学生 对原子具有磁矩及其空间取向量子化等物理知识的 理解，使学生掌握一种精确测量电子荷质比的方 法，并可验证塞曼理论的正确性 】。目前大多数 院校都采用传统的实验方法如拍摄底片、目镜直接 观测法等进行相关的实验测量，但这些方法都有其 难以克服的局限性 。 收稿 日期：2007—12—10；修改日期：2008一O1—28 基金项 目：聊城大学科研基金项目(X061017)。 作者简介：杨 冰(1977一)，男，讲师，硕士，主要从事 光学、光谱分析技术的教学与科研工作。 在原子物理学中，原子发出的频率为 的谱线 在外磁场的作用下将分裂频率为 的谱线，且： hv =hv+(M2g2一M1g1)IX8B (1) 与原谱线的频率差为： Av= 一l，=( g2一Mlg1) 口B／h (2) 用波数 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示为： Av=( g2一 lg1) BB／hc=( f2g2一 lg1)L= (M2g2一Mlg1)eB／4,rrmc (3) 式中， 称为洛仑兹单位，为正常塞曼效应所分裂 的裂距；g ，g。为朗德因子；M2，M 为磁量子 数； 口=he／4"rrm为玻尔磁子；B为磁场强度；h 为普朗克常量。由 ，M。，g ，g。的值和选择定 则可以确定分裂的谱线数和谱线间距。 由F—P 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 具测量干涉圆环直径计算波长差 公式为： AA=A (D 一D22，／z口 2I 1一D：) 换以波数差表示为： △ =(D 一D22 ／ 口L 2I— l — D ) (4) 式中，D 和D：为同一干涉级的相邻两分裂谱线的 干涉圆环直径；o一 一D：为同一波长的谱线相邻 两个干涉级圆环直径的平方差；d为已知的 F—P 维普资讯 http://www.cqvip.com 第6卷 第4期 Experiment Science＆Technology ‘27· 标准具两平行玻璃板内表面的间距 ，对一般塞曼效 应，将式(3)代人式(4)中得： 2竹。 (D 一D；) (M g 一M g )dB(D 一，～D ) (5) 已知 d和 B，计算 M g 一M g，的大小，从塞曼分 裂的照片中测出各环直径，就可计算 e／m的值。 3 传统实验方法存在的问题 3．1 实验仪器装置中存在的问题 传统的塞曼效应实验方法通常采用拍摄底片 法，目镜直接观测法等方法进行相关的实验测量。 拍摄底片法利用照相系统摄取干涉圆环，经过 显影、停影、定影、烘干等处理，然后用投影仪分 析，用阿贝比长仪精测谱线，代人相应公式求出实 验结果。该方法每测量一次都要调整一次光路，拍 摄图像 ，冲洗胶卷，烘干后再用阿贝比长仪等测长 仪器精确测量干涉圆环直径，然后才能计算结果。 由于实验者对胶卷的性能不易掌握，对曝光时间、 焦距、光圈等把握不好，不能一次拍摄到清晰的照 片，无法顺利完成实验。既浪费时间又浪费经费， 并且实验误差大，实验成功率低。目镜直接观测法 是采用测微目镜在塞曼效应仪上测量塞曼效应干涉 圆环条纹的直径，将数据代人塞曼效应电子荷质比 公式计算。但由于测量时转动手轮易造成测微目镜 固定位置产生微动而引起误差。 3．2 图像观测方法中存在的问题 目镜直接观测法的视场较小，只能由一人来观 察，多人同组实验时只能是逐一地去观察实验图 像，延长了实验时间。教师在讲解演示时也无法让 多人同时观察 ，在教学中极为不便，不能满足教学 的实际需要。同时由于长时间用眼睛观察目镜，造 成眼睛疲劳。在数据采集时，由于视场的限制，使 环纹的位置不易准确测定，人为的视觉误差较大。 3．3 数据处理方法中存在的问题 传统方法中的数据处理一般都是人工计算，计 算的工作量相当大，而且繁琐、耗时较多，并且容 易出错。学生动手操作的时问无疑会相对缩短，不 利于培养学生的实验综合能力。 4 实验方法的改进 针对上述问题，我们进行了如下的改进。 4．1 实验仪器装置的改进 在传统的塞曼效应实验仪器组的基础上增加了 先进的仪器装置：数码摄像头 CCD、图像采集卡 和计算机。 4．2 图像观测方法的改进 由数码摄像头 CCD作为光探测器 J，通过图 像采集卡使 F—P标准具的干涉图样转变成计算机 可以识别的电信号，由计算机识别后再将图像显示 在显示器上。从显示器上观察时，视场要比原来的 大5～6倍，当实验现象发生变化时，可以更加清 晰地被操作者观察控制，能准确地找到测量位置。 减小了人为的视觉误差和视觉疲劳，使环纹直径测 量更加准确，从而提高了实验结果的精度。而且可 以多人同组实验，同时观察实验图像，教师在讲解 演示时也可供多人同时观察 ，非常方便。 4．3 实验数据处理的改进 4．3．1 Excel数据 自动处理 系统 该系统以 Excel为操作平台，只要在 Excel表 格中把相关测量数据填到每一个单元格中，并注明 测量位置，编辑好数据处理的公式，建立好超链 接，就可实现方便快捷的数据处理。蔡秀峰等人对 此方法做了研究 。在此基础上，我们做了稍许 改进，当实验者在相应的位置上输入相关测量数据 后，结果自动显示在相应的位置上，通过逻辑判断 功能可以知道测量的数据是否合格，对合格的数 据，通过打印机直接输出实验结果。这样可以节约 时间，增加实验的信息量，提高实验的效率。教师 还可以把大量的实验数据保存下来，进行统计分 析，得出该项实验的总体情况。 4．3．2 VB程序设计数据自动处理软件 VB程序设计数据自动处理软件是利用 Visual Basic 6．0程序 自己研制的一款数据 自动处理软件， 其操作界面如图 1所示。 图1 数据自动处理程序界面 实验者只要把相关的测量数据填人到界面的相 应空格处，即可得到数据结果及误差分析，并可自 维普资讯 http://www.cqvip.com · 28· 实 验 科 学 与 技 术 2008年 8月 动保存数据。可方便快捷地进行数据处理，省去了 实验者繁琐的计算工作，节约了大量时间，提高了 实验效率。此操作平台还有界面友好、运行稳定、 计算准确等诸多优势。 5 实验方法与误差分析 5．1 实验方法 改进后的实验仪器装置简图如图2所示。 1．电磁铁 2．笔型汞灯 3．会聚透镜 4．布里 一珀 罗(F—P)标准具 5．偏振片法 6．滤光片 7．读数 测量望远镜 8．数码摄像头CCD 9．计算机 图2 实验仪器装置简图 1)按图2调整好光路，使光束通过各光学元 件的中心等高共轴。调节 F—P标准具的平行度， 使能观察到清晰的等倾干涉圆环。通过调整会聚透 镜的位置，使圆环调整到适当亮度。 2)将数码摄像头CCD与计算机主机上的图像 采集卡连接好，运行摄像头附带软件打开图像显示 和采集程序窗口。未加磁场的情况下，将其干涉圆 环图像以bmp或jpg格式保存。加上磁场后，再将 塞曼分裂后的干涉圆环图像以bmp或jpg格式保 存，同时测出磁场强度。 3)运行Adobe Photoshop6．0程序，打开已保存 的干涉圆环图像，如图3所示。打开“窗口”菜单下 的“显示信息”命令，打开信息窗口，如图4所示。 图 3 Adobe Photoshop CS操作界面 4)利用信息窗口来确定测量点数据，方法如 下：(1)移动鼠标，将“十”字形指针移至视场中 待测圆环与测微望远镜“十”字叉丝横坐标交点上 (首先要尽量使望远镜“十”字叉丝与圆环直径重 合，若不重合，可以证明，只要测量点在一条直线 上，不论是测量弦长还是测量直径长，实验结果都 是一样的)，记下信息窗口中的纵坐标 )，的值。 (2)以后的测量中保持 ，，值不变，确保各测量点 装： 92 } c： 56譬 l器_I l X： 34薯 七{ ；：器 I 口j2：； _r 哇。∞ I l』H： 图4 “显示信息”命令窗口 在同一条直线上。(3)再将“十”字形指针移至其 他待测圆环上，根据信息窗口中的y值和 值(反 映测量点的亮度)确定测量点的位置，并记下信息 窗口中的横坐标 的值。(4)然后将“十”字形指 针移至该待测圆环的另一侧 ，确定测量点的 值， 分别将各 值输人事先设计好的数据自动处理系统 内，数据自动处理系统将自动处理数据并把处理结 果显示在计算机屏幕上。 传统实验方法中数据(来源于学生实验)处理 的结果和改进后的数据处理结果的比较，如表 1所 示。由表 1可知，传统的两种实验方法的测量相对 误差是 2．51 和 1．77 左右，改进后的实验方法 测得的数据相对误差仅0．77 ，精确度有了提高。 5．2 误差分析 改进后的实验方法依然存在 0．77 左右的误 差，其误差的来源主要有： (1)从荷质比计算公式的推导可以看出，电 子的荷质比公式的推导过程中存在近似计算。 (2)F—P标准具内表面平面玻璃板可能没有 调整至严格平行，从而导致干涉圆环自身有偏差或 者条纹不清晰；即便是严格平行，其间距也不一定 严格等于2 mm。 (3)外磁场的强度测量不够准确是产生误差 最大的原因。实验过程中发现磁场的数值变动最 大，实验者不易把握住光源位置磁场强度确切值， 而且在数据处理时磁场数值的微小变化可导致计算 结果的很大波动。 (4)干涉圆环直径的测量对最后的计算结果 影响是平方量级的，所以圆环直径的微小偏差也将 会引起测量结果很大的变化。 改进后的实验方法也可应用于传统的塞曼效应 实验仪，只需将读数测量望远镜读取的各级干涉圆 环的读数输人到自己设计的数据自动处理系统中即 可。若没有图片处理软件 Adobe Photoshop6．0或不 会应用此软件者，可通过数码摄像头读取读数测量 (下转第63页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 6卷 第 4期 Experiment Science&Technology ‘63· 佛在真实的环境下做各种实验； (3)各元器件选择范围广，参数修改方便， 可随意进行各种电路情况分析，无须像实际操作那 样多次地把元件焊下而损坏器件和印刷电路板。 (4)具较强的直观，形象性和交互性。电路 搭建成功后，点击仿真按钮，即可得实验结果，为 我们提供了一个很好的多媒体操作平台，使我们能 够在教学中随时提供实验、演示和电路分析，有助 于教学重点和难点的讲解。 5 结束语 采用 Multisim软件开发电路实验，可以启发和 拓宽学生的思路，从验证性实验的传统思维过渡到 对电路的分析、故障的排除和电路的设计；降低了 实验成本，弥补了硬件环境下实验教学的不足，对 更新实验教学方法，提高实验教学质量，改善实验 教学效果有着非常重要的作用。 参 考 文 献 [1] 李剑清．Multisim在电路实验教学中的应用[J]．浙江 工业大学学报 ，35(5)：32—33． [2] 龙安国．基于Multisim2001的电子技术实验探讨[J]． 湖南科技学院学报，2006(5)：41—42． [3] 王廷才，赵德申．电工电子技术 EDA仿真实验[M]． 机械工业出版社 ，2005． [4] 李洋，张晓燕 ．EDA技术实用教程[M]．机械工业 出 版社，2005． [5] 林平勇，高蒿 ．电工电子技术[M]．高等教育出版社， 2004：21—22． 上接第28页) 表 1 3种实验方法数据处理结果统计表 望远镜内的干涉图像，并将其直接呈现在显示器 上，观察显示器上提取出来的图像中“十”字叉丝 在图像上的移动来寻找要测量的合适位置，读取鼓 轮读数即可确定各干涉级圆环的直径，这也可以大 大提高实验效率和实验精确度。 6 结 论 通过对塞曼效应实验仪器装置及实验方法进行 改进，实验效果较好，并具有以下特点： (1)不受仪器型号的限制，可充分利用各院 校现有的仪器设备。 (2)所用 CCD摄像头及图像采集卡价格便宜， 易于购买。 (3)实验过程简单，易于操作，利用数据处 理软件进行数据处理，可显著降低实验误差，提高 实验效率。 (4)更加适合于大学物理实验中演示教学。 (5)可激发学生的学习兴趣，启发他们 自主 获取图像及数据处理方法进行图像自动采集及数据 智能分析，培养学生的创新能力。 参 考 文 献 [1] 褚圣麟 ．原子物理学[M]．北京：高等教育出版社， 1979：184—191． [2] 高铁军，朱俊孔 ．近代物理实验[M]．山东：山东大 学出版社，2000：46． [3] 高学颜 ．近代物理实验[M]．山东 ：山东大学出版社， 1989：64—69． [4] 魏爱俭 ．数字图像处理在塞曼效应 实验 中的应用 [J]．大 物理，1999(12)：28—3O． [5] 蔡秀峰，刘淑珍，张炳恒 ．塞曼效应实验方法的改 进[J]．大学物理 ，2005，24(2)：49—51． 维普资讯 http://www.cqvip.com