1、塞曼效应实验的改进任凭乔一娇刘涛董爱国中国地质大学（北京）实验物理教学中心 北京 100083摘要：在同一实验前提下对测量方法的五点法与八点法以及中心测量与内外径测量进行对比，择优取之，并综合用于验证直测与弯测的优劣对比，以此达到改进塞曼效应实验教学的目的；优化数据测量过程，采用了五点中心测量法，更有利于减少由测微目镜以及仪器轻度震动等引入的机械误差，在提高效率同时提高精确度；丰富了有关调节F-P标准具的实验内容，提高了学生的动手操作能力。关键词：塞曼效应；直测法；五点中心测量法北京市高教学会技术物资研究会第十二届学术年会果，而可观察到的干涉环图像质量对到所测量直径的精确度起到重要作用。在实际
2、教学实验中发现，实验人员在使用弯测法观察干涉圆环时，由于仪器自身原因，使得测微目镜内干涉环成像效果较差且光强较弱，极易使人疲劳，使得测量的随机误差很大。其次，实验数据测量方法较为繁琐，测量数据过多也是容易引入误差的一个重要原因，这也是本次实验改进的重要方向。图1塞曼效应弯测实验仪器二、实验设计1仪器对比弯测实验仪器仪器(如图1)，最右侧端为弯测的测微目镜，弯管内有一棱镜，实验人员可以通过控制对其的旋转从而改变目镜内视域，但由于光路较长，使得目镜视场中干涉环光强降低，光圈边缘模糊不清，影响观察效果且增加测量误差；同时仪器间各部分间距较大，使得实验人员在观察目镜内图像的同时调节FP干涉仪或各个透镜
3、时都比较困难，所以实验不得已由两人合作完成，造成人力和时间上的浪费。191北京市高教学会技术物资研究会第十二届学术年会图2塞曼效应直测仪器装置图直测实验仪器如图2所示，将实验光路改为直线型，并减少棱镜等仪器。由于光程减短，操作人员可以同时观察图像并调节法布里珀罗(FP)标准具仪器，使得仪器调节效率大大提高，也增强了实验人员的实际动手操作能力。不仅如此，从改进后仪器目镜内观察图像，发现目镜内干涉环光圈清晰明亮，图像显示缩小且清晰度获得大幅度提高，更易于中心读数测量。2实验方法对比本次实验改进的主要目的为塞曼效应测量方法的改进和现有测量仪器的优劣对比。基于以上实验目的，精简实验过程，设计如下三个实
4、验步骤：(1)在使用直测仪器及中心测量实验条件下，对比五点测量与八点测量，择其优192北京市高教学会技术物资研究会第十二届学术年会者；(2)在使用直测仪器，择五点与八点测量方法之优者实验条件下，对比中心测量与内外径测量，择其优者；(3)在以上两步实验中选择较优秀的实验方法，综合用于验证直测与弯测的优劣。3实验过程实验均采用间隔圈厚度d=2mm的F-P标准具观察Hg(5461nm)谱线在加磁场(B=lT)条件下进行。(仪器规格：DZ3E电子电源；Gp3Hg1，Gp3Hg-2型笔形汞灯；直弯测测微目镜NOZD069， J木8；法布里珀罗标准具NoZC098，2mm)(1)对比五点测量与八点测量在使
5、用直测仪器及中心测量实验条件下，对比五点测量与八点测量，择其优者；八点中心测量法测量(如图3)测量不加磁场时的k和k1级干涉环的直径，以及在B=IT条件下a，b两个环的直径。在效果清晰的情况下，得到四个待测直径。Da、Dk、Db、Dk-1数据，多采用分别测定其两端坐标值进行相减的方法，每组进行由A到D共8次读数，重复六次后各取其均值，再代入公式11中，求得em。结果如表一。表一 塞曼效应干涉环直径测量记录表(单位mm)直测 第一点 第二点 第三点 第四点 第五点 第六点 第七点 第八点 DI【一I D6 Dl( D4enl 0823 2195 2390 2625 6285 65ll 6713
6、809l 7268 4518 4121 36602 0834 2192 2390 2632 6276 6445 6720 8086 7252 4528 4055 364418633 0835 2213 2405 2639 6275 6510 6720 8090 7255 4507 4105 36364 0832 2209 2392 2627 6278 6503 67ll 8093 7261 4502 4111 3651 不确5 0834 2200 2395 2641 628l 6494 6720 8089 7255 4520 4099 3640 定度6 0840 2201 2396 2625
7、627l 650l 6715 8082 7242 4514 4105 3646007均值 7256 4515 4099 3646五点中心测量法测量(如图4)将测量对象定为加磁场后k级的直径左右两边读数以及左、右任一边ab和k1的读数，即下图中的A，B，C，D，E五点的位置坐标，利用K级的直径，代入：圾=CA，巩=巩一(c一功X 2，巩=巩+(Dc)Z，玻一1=圾+篮一c)2北京市高教学会技术物资研究会第十二届学术年会重复六次后分别求出各均值。再代入公式11中，求得em。结果如表二。表二 塞曼效应干涉环直径测量记录表DK一。 D。 Dl【 D|直测 第一点 第二点 第三点 第pq点 第五点em1
8、 2307 6283 652l 6717 8149 4214 7470 3738 46062 2310 6291 6520 672l 8150 4214 7466 3748 460817553 2312 6319 6523 6725 8155 4219 7467 3795 46074 2320 6310 6527 673l 8150 4207 7453 3777 4615 不确5 2322 6315 6528 6736 815l 4206 7452 3780 4622 定度6 2331 6320 6533 6740 8159 4202 7454 3776 46160001均值 4210 746
9、0 3769 4612厂 、 厂 、舻 忒H 舻 忒。一 训 一第一种测量方式需累计测量48个数据，改进后中心读数则需30个，这样给数据的获得减轻很多负担，较为简便。根据实验参考标准数据em=17513，由上述实验可得：在相同的前提五点法更优，故用五点测量法进行后继实验。(2)对比中心测量与内外径测量无论用改迸前还是改进后的实验仪器观察，无磁场时将十字叉丝置于任一干涉北京市高教学会技术物资研究会第十二届学术年会环中心，加磁场后叉丝仍在该环中心，且该位置读数不变，即加磁场与否并不改变干涉环的直径。依传统思维一般认定测量所得内外径平均值必然比直接测中心点更加准确且有说服力。然而在实验时发现依内外径
10、所得加磁场后的K级第五环直径与无场时所测结果相差较大，直接测中心直径时却基本相同。考虑到测微目镜本身引入的误差，猜测中心读数法更利于减少机械误差，其结果精度应该更高，以下在改进后的实验仪器条件下多次实验验证猜想(只列出一次具体数据)，见表三。实验结果表明与猜想一致。结合螺旋测微计引入的空程差分析，测量过程中停顿次数越少，越有利于避免由于螺旋测微计造成的系统误差，使实验结果精确度越高；从估计环中心位置的角度看，条纹宽度越细，与测微目镜内标尺刻度线宽度越相近，越有利于估计测量中心值，提高实验精度。表三 塞曼效应干涉环直径测量记录表(单位mm)A B C D E序号左侧端点 右侧端点 左侧端点 右侧
11、端点 左侧端点 右侧端点 左侧端点 右侧端点 左侧端点 右侧端点l 0135 0176 5835 5891 6005 6048 6115 619l 7275 7320 e-2 0151 0208 5820 5881 5990 6043 6134 618l 7274 7320183内 3 0154 0212 582l 5866 5979 6020 6125 6174 7259 7301外 4 0149 0191 5834 5865 5994 6039 6130 6174 7274 7312 不确定径 5 0135 0185 5815 5875 5980 6039 6136 6180 726l 7
12、305O96 0151 0189 5820 5861 5962 602l 6122 6169 7269 7300l 0149 5801 5960 6110 7254 em2 0091 5756 5976 6074 7212177心 3 O092 5761 5978 6072 7205读 4 0089 5761 5970 601l 7211 不确定数 5 0075 5780 5979 6022 7215O56 0100 577l 5984 6076 7219(3)直测与弯测对比基于以上实验事实，使用五点中心测量法综合对比直测法和弯测法两种实验方法实验数据记录如表四。可以发现，在相同的前提下直测法
13、更优。北京市高教学会技术物资研究会第十二届学术年会表四 塞曼效应干涉环直径测量记录表(单位mm)序号 A B C D E Dk DkI Da Dbem1 36568 4216 42391 42609 44680 5824 10401 5369 62592 36600 4212 42406 42689 44793 5806 10580 5249 637316l弯3 36635 4214 42378 42656 44761 5743 105lO 5279 6300测 4 36660 421l 42369 42631 44750 5710 1047l 5198 6234 不确5 36725 4214
14、 42379 42635 44771 5654 10438 5176 6165 定度法6 36694 4165 42336 42608 44760 5641 10490 4280 6187O19均值 5730 1048l 5092 6253l 0149 5801 5960 61lO 7254 58ll 8399 5493 61llem2 0091 5756 5976 6074 7212 5885 8357 5445 6081直 3 0092 5761 5978 6072 7205 5886 8340 5452 6074 176测 4 0089 5761 5970 6Oll 7211 588l
15、8363 5463 5963 不确5 0075 5780 5979 6022 7215 5904 8376 5506 5990 定度法6 0100 577l 5984 6076 7219 5884 8354 5458 6068009均值 5875 8365 5470 6048综合上述三个实验步骤，可以得出：塞曼效应实验宜选用中心五点法测量方法；仪器宜选用直测仪器进行实验教学。四、弦长问题实验中易发现，很多时候调好的干涉现象并不是最大水平距离处(直径)最清晰且方便测量，而是图像的上部或下部，此时叉丝所走过的距离仅仅是相应圆环的一个弦长。诚然，事实上我们所测得的是否确实圆环的直径并不影响最终em的
16、值3】，如图五所示，有如下结论：196OB2一(AB2)2=OD2一(CD2)2、一芦 。 、?I1。|jI 7。I j芦 j卜rf 0。 Y 。 。， | 7|图5同心圆环的弦长证明北京市高教学会技术物资研究会第十二届学术年会所以，所测数据是否为同心圆直径，并不影响实验结果。五、结论将塞曼效应实验中的弯测式仪器改进为直测式后，获得一个缩小且清晰度大幅度提高的像，有利于实施中心法测量；改进测量方式使用五点法，可以减少螺旋测微计的测量数据，优化数据测量过程。且由分析可得，干涉环图像一定程度的缩小以及螺旋测微计引入机械误差的减少，对实验结果精度都有一定程度的提高。此外，改进后的实验可以增添实验操作
17、项目，丰富实验内容，获得较好的实验教学效果。参考文献：1周惟公等大学物理实验【M】高等教育出版社2009：159165【2】关雪峰，赵海天，胡珊珊申间视觉条件下亮度对视力清晰度影响的方法测定J】，照明工程学报2010，12，6：820【3】赵书阳，程强，俞洁晟，等CCD技术在塞曼效应实验中应用的改进【J】物理实验，2007，27 6(23)：7-1 0【4魏爱俭，连洁，潘树泉数字图像处理在塞曼效应实验中的应用【J】大学物理，1999，18(12)：2328【5】吴金莲，张晓晔塞曼效应实验数据处理方法的改进J】物理实验，2008，284：310【6】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)：49197塞曼效应实验的改进作者： 任凭， 乔一娇， 刘涛， 董爱国作者单位： 中国地质大学(北京)实验物理教学中心 北京 100083本文链接：http:/
