塞曼效應虛擬仿真實驗系統的設計與應用

李曉莉 劉芳 劉曉東

（西安石油大學 陜西省西安市 710069）

在教育教學信息化發展的背景下，諸多高校都開始全面探究虛擬仿真實驗在教學中的應用，通過虛擬仿真實驗系統來完成復雜程度和危險性較高、技術操作難度較大的實驗項目[1]。采用虛擬仿真實驗模擬真實的實驗過程，可以彌補傳統物理實驗存在的諸多不足，使學生學習的自由度和靈活性得到提高，最終形成全空間、全過程的閉環教學模式，物理實驗教學效果也會得到極大提升[2]。同時，在諸如疫情期間等特殊時期，更能體現其不受時空限制的實驗教學優勢，虛擬仿真實驗系統發展前景廣闊[3]。

1 傳統實驗教學現狀

1.1 實驗教學背景

塞曼效應實驗是物理學史上一個著名的實驗。1896年,荷蘭物理學家塞曼發現當光源放在足夠強的磁場中時，原來的一條光譜線分裂成幾條，后人稱此現象為塞曼效應[4]。后來洛倫茲用經典電磁理論解釋這種分裂譜線現象。1902年兩人由于研究塞曼效應共同獲得諾貝爾物理學獎。塞曼效應實驗是近代物理實驗中一個著名的經典實驗，它不僅證實了洛侖茲電子論的準確性，為湯姆遜發現電子提供了證據，還證實了原子具有磁矩和空間量子化，而且通過它能測定電子的荷質比，至今塞曼效應仍是研究原子能級結構的重要方法之一[5]。

塞曼效應實驗目的是通過學習塞曼效應的原理，觀察塞曼效應現象，主要觀察汞546.1nm譜線在磁場中的塞曼分裂過程及其偏振特性，學習用法布里-珀羅標準具（F-P標準具）測定相鄰譜線的波長差，測定電子的荷質比。

1.2 存在的主要問題

塞曼效應實驗是高校物理類及相關專業的必做實驗項目，實驗儀器是一種觀察測量塞曼效應的高精度裝置，涉及光、機、電、磁等多領域的知識[6]。但傳統塞曼效應實驗中存在一些問題，具體如下：

（1）塞曼效應實驗條件要求避光環境，在前期實驗環境建設時對實驗室要進行避光裝修，但由于學生實驗時間較長，避光環境會影響實驗室內其他實驗項目的同步進行。

（2）塞曼效應實驗中光學元件較多，F-P標準具精密度高，耗材成本高，調節難度大。

（3）實驗過程中電磁圈會產生較大磁場，實驗操作存在一定困難性和危險性。

（4）塞曼分裂譜線現象難以記錄，實驗結果不直觀。

（5）儀器臺套數少，如果因學生誤操作出現損壞，需返廠維修，會直接影響實驗教學進展。

圖1：塞曼效應虛擬仿真實驗系統主場景圖

圖2：塞曼效應虛擬仿真實驗光路圖

圖3：未加磁場的譜線圖

圖4：加磁場的塞曼分裂譜線圖

圖5：塞曼π分量譜線圖

圖6：塞曼σ分量譜線圖

所以我們利用計算機軟件技術、虛擬仿真技術、實驗分析建模技術、組件開發技術等設計研發了一套塞曼效應虛擬仿真實驗系統，學生通過登陸虛擬仿真實驗平臺完成實驗預習、實驗操作、實驗數據處理，目前該系統已完成仿真測試并應用于實驗教學，教學效果良好。通過該實驗系統的使用，建立以學生學習為主導，教師指導為輔助的教學模式，解決了傳統塞曼效應實驗中實驗周期長、設備臺套數不足、學生動手能力差、儀器操作不便、數據記錄費時費力等問題，也可以降低磁場操作的困難和危險，并能優化實驗教學的時間和空間，培養了學生的自主學習能力及創新能力[6]。

2 系統架構分析及配置要求

2.1 系統架構分析

系統架構分為基礎知識、系統組成、設備信息、互動操作、模擬操作這五個模塊。

（1）基礎知識是指對該實驗的基礎知識以圖文、章節進行顯示，用戶可以通過目錄進行瀏覽。

（2）系統組成是指以三維互動的形式展示部件信息，了解虛擬部件在虛擬仿真程序中的操作方式。

（3）設備信息是指用戶通過點擊設備列表，三維場景定位到相應設備，展示選中設備的基本信息。

（4）互動操作是指用戶鼠標點擊部件，系統會提示部件的控制方式，用戶根據提示進行操作，掌握部件的操作方法，為實驗模擬操作做好準備。

（5）模擬操作是指以三維仿真互動形式開發，以引導的模式，幫助學生完成模擬仿真操作。學生使用時根據提示欄進行訓練操作的流程引導，用固定的流程進行操作流程引導，實時顯示并顯示操作結果。

2.2 用戶操作系統及軟件配置要求

（1）采用Windows Server 2010操作系統，系統采用Unity3D進行開發與.NET技術構建。

（2）計算機軟件配置要求IIS 6.0及以上Net Framework4.5及以上版本，SQL Server 2010 中文企業版，用戶使用支持WebGL技術的瀏覽器登陸實驗系統。

2.3 開發環境

仿真程序開發采用Visual Studio 2017或以上版本，虛擬仿真引擎采用 Unity3D 2017或以上版本，數字模型制作采用3Dmax2012或以上版本，制圖處理采用photoShop2017。

3 系統的功能實現

3.1 總體設計

這套實驗系統仿照塞曼效應實驗內容，構建了虛擬實驗場景、實驗內容、操作對象、實驗現象、數據處理，如圖1所示。系統主場景中置有基礎知識欄、儀器組成欄、實驗操作欄、幫助框，可以顯示實驗原理、實驗內容、系統操作說明等信息。系統主窗體如圖1所示，包括電磁鐵、光具座、偏振片、會聚透鏡、標準具、CCD攝像頭、特斯拉計、電源等光學元件。

塞曼效應光路如圖2所示，安裝在電磁鐵磁極中間的汞燈發出的光，經過中心波長為5461?窄帶干涉濾光片，經過會聚透鏡接近平行光束，均勻地射入標準具，產生多光束干涉。在外磁場的作用下，每一條干涉條紋將分裂為9條塞曼譜線。在標準具之后，放入偏振片，旋轉偏振片的方向可以把σ成分的6條譜線濾去，保留π成分3條譜線。透過成像裝置對干涉條紋及分裂譜線的有關參數進行計算，即可獲得塞曼效應實驗的結果。

3.2 系統的功能實現及效果

3.2.1 光路搭建

虛擬仿真實驗開始后，先在導軌上分別放置干涉濾光片、偏振片、透鏡、F-P標準具、攝像頭等，調節光學元件等高，打開筆形汞燈，使光束通過每個光學元件的中心。開啟攝像頭出現一組同心圓環，分別調節光路中各個光學元件的位置、高低、焦距、傾度等，直到出現清晰的同心圓環譜線（如圖3），保存未加磁場譜線圖。

3.2.2 觀察塞曼分裂譜線

圖7：塞曼分裂圓環直徑分析圖

圖8：電子荷質比計算結果圖

調節和觀察塞曼分裂譜線是該實驗的難點。打開磁場，并加大電壓，可以看到之前的同心圓環的每一條會分裂為9條，分裂譜線由3條π分量譜線和6條σ分量譜線組成（如圖4）。使用鼠標操作旋轉偏振片的角度，偏振片旋轉到不同角度（每轉45度變化一次）時可以分別看到總的9條譜線、或π分量的3條譜線（如圖5）、或σ分量的6條譜線（如圖6）。實驗中需要觀察的是π分量，所以旋轉偏振片到90度或270度，出現π分量的3條分裂譜線，保存π分量圖。把特斯拉計的表筆放入線圈內，測量此時的磁場大小。

3.3 系統數據分析

學生完成虛擬仿真實驗操作后，打開實驗數據分析功能，如圖7所示，根據保存圓環圖片，確定剖面線后，輸入折射率、間隙距離、磁感應強度、M2g2-M1g1 等實驗常量參數,開啟自動尋峰功能時，在鼠標點擊測量 Da、Db、Dk-1、Dk 時，測量點會自動擬合到最近位置的局部極值點。

系統自動測量圓環直徑，再代入磁場強度計算垂直磁場方向的塞曼分裂電子荷質比，如圖8所示，電子荷質比的測量是塞曼效應實驗的核心。讓學生通過塞曼效應實驗去測量和計算朗德因子是十分重要，可以加深學生對量子力學中原子能級分裂的理論理解使抽象深奧的理論形象直觀化。

4 結束語

塞曼效應實驗是專業物理實驗課程中難度較大的實驗項目之一，傳統實驗方法是測量汞光譜π分量的分裂譜線，分析分裂譜線，由此計算出電子荷質比。現在利用計算機軟件技術、虛擬仿真技術，對實驗的光路結構、測量原理、調節步驟進行剖析，建立形象逼真的三維模型，讓學生可以不受人數、時間和空間的限制，在線進行實驗操作和數據處理[8]。該實驗系統可以應用于物理類專業的近代物理實驗、光電信息實驗等課程實驗教學中，實現線上和線下的“雙線結合”教學方式，可以保證眾多學生同時在線實驗，讓專業實驗課程實現開放共享。