塞曼效应虚拟仿真实验系统的设计与应用

李晓莉 刘芳 刘晓东

（西安石油大学 陕西省西安市 710069）

在教育教学信息化发展的背景下，诸多高校都开始全面探究虚拟仿真实验在教学中的应用，通过虚拟仿真实验系统来完成复杂程度和危险性较高、技术操作难度较大的实验项目[1]。采用虚拟仿真实验模拟真实的实验过程，可以弥补传统物理实验存在的诸多不足，使学生学习的自由度和灵活性得到提高，最终形成全空间、全过程的闭环教学模式，物理实验教学效果也会得到极大提升[2]。同时，在诸如疫情期间等特殊时期，更能体现其不受时空限制的实验教学优势，虚拟仿真实验系统发展前景广阔[3]。

1 传统实验教学现状

1.1 实验教学背景

塞曼效应实验是物理学史上一个著名的实验。1896年,荷兰物理学家塞曼发现当光源放在足够强的磁场中时，原来的一条光谱线分裂成几条，后人称此现象为塞曼效应[4]。后来洛伦兹用经典电磁理论解释这种分裂谱线现象。1902年两人由于研究塞曼效应共同获得诺贝尔物理学奖。塞曼效应实验是近代物理实验中一个著名的经典实验，它不仅证实了洛仑兹电子论的准确性，为汤姆逊发现电子提供了证据，还证实了原子具有磁矩和空间量子化，而且通过它能测定电子的荷质比，至今塞曼效应仍是研究原子能级结构的重要方法之一[5]。

塞曼效应实验目的是通过学习塞曼效应的原理，观察塞曼效应现象，主要观察汞546.1nm谱线在磁场中的塞曼分裂过程及其偏振特性，学习用法布里-珀罗标准具（F-P标准具）测定相邻谱线的波长差，测定电子的荷质比。

1.2 存在的主要问题

塞曼效应实验是高校物理类及相关专业的必做实验项目，实验仪器是一种观察测量塞曼效应的高精度装置，涉及光、机、电、磁等多领域的知识[6]。但传统塞曼效应实验中存在一些问题，具体如下：

（1）塞曼效应实验条件要求避光环境，在前期实验环境建设时对实验室要进行避光装修，但由于学生实验时间较长，避光环境会影响实验室内其他实验项目的同步进行。

（2）塞曼效应实验中光学元件较多，F-P标准具精密度高，耗材成本高，调节难度大。

（3）实验过程中电磁圈会产生较大磁场，实验操作存在一定困难性和危险性。

（4）塞曼分裂谱线现象难以记录，实验结果不直观。

（5）仪器台套数少，如果因学生误操作出现损坏，需返厂维修，会直接影响实验教学进展。

图1：塞曼效应虚拟仿真实验系统主场景图

图2：塞曼效应虚拟仿真实验光路图

图3：未加磁场的谱线图

图4：加磁场的塞曼分裂谱线图

图5：塞曼π分量谱线图

图6：塞曼σ分量谱线图

所以我们利用计算机软件技术、虚拟仿真技术、实验分析建模技术、组件开发技术等设计研发了一套塞曼效应虚拟仿真实验系统，学生通过登陆虚拟仿真实验平台完成实验预习、实验操作、实验数据处理，目前该系统已完成仿真测试并应用于实验教学，教学效果良好。通过该实验系统的使用，建立以学生学习为主导，教师指导为辅助的教学模式，解决了传统塞曼效应实验中实验周期长、设备台套数不足、学生动手能力差、仪器操作不便、数据记录费时费力等问题，也可以降低磁场操作的困难和危险，并能优化实验教学的时间和空间，培养了学生的自主学习能力及创新能力[6]。

2 系统架构分析及配置要求

2.1 系统架构分析

系统架构分为基础知识、系统组成、设备信息、互动操作、模拟操作这五个模块。

（1）基础知识是指对该实验的基础知识以图文、章节进行显示，用户可以通过目录进行浏览。

（2）系统组成是指以三维互动的形式展示部件信息，了解虚拟部件在虚拟仿真程序中的操作方式。

（3）设备信息是指用户通过点击设备列表，三维场景定位到相应设备，展示选中设备的基本信息。

（4）互动操作是指用户鼠标点击部件，系统会提示部件的控制方式，用户根据提示进行操作，掌握部件的操作方法，为实验模拟操作做好准备。

（5）模拟操作是指以三维仿真互动形式开发，以引导的模式，帮助学生完成模拟仿真操作。学生使用时根据提示栏进行训练操作的流程引导，用固定的流程进行操作流程引导，实时显示并显示操作结果。

2.2 用户操作系统及软件配置要求

（1）采用Windows Server 2010操作系统，系统采用Unity3D进行开发与.NET技术构建。

（2）计算机软件配置要求IIS 6.0及以上Net Framework4.5及以上版本，SQL Server 2010 中文企业版，用户使用支持WebGL技术的浏览器登陆实验系统。

2.3 开发环境

仿真程序开发采用Visual Studio 2017或以上版本，虚拟仿真引擎采用 Unity3D 2017或以上版本，数字模型制作采用3Dmax2012或以上版本，制图处理采用photoShop2017。

3 系统的功能实现

3.1 总体设计

这套实验系统仿照塞曼效应实验内容，构建了虚拟实验场景、实验内容、操作对象、实验现象、数据处理，如图1所示。系统主场景中置有基础知识栏、仪器组成栏、实验操作栏、帮助框，可以显示实验原理、实验内容、系统操作说明等信息。系统主窗体如图1所示，包括电磁铁、光具座、偏振片、会聚透镜、标准具、CCD摄像头、特斯拉计、电源等光学元件。

塞曼效应光路如图2所示，安装在电磁铁磁极中间的汞灯发出的光，经过中心波长为5461Å窄带干涉滤光片，经过会聚透镜接近平行光束，均匀地射入标准具，产生多光束干涉。在外磁场的作用下，每一条干涉条纹将分裂为9条塞曼谱线。在标准具之后，放入偏振片，旋转偏振片的方向可以把σ成分的6条谱线滤去，保留π成分3条谱线。透过成像装置对干涉条纹及分裂谱线的有关参数进行计算，即可获得塞曼效应实验的结果。

3.2 系统的功能实现及效果

3.2.1 光路搭建

虚拟仿真实验开始后，先在导轨上分别放置干涉滤光片、偏振片、透镜、F-P标准具、摄像头等，调节光学元件等高，打开笔形汞灯，使光束通过每个光学元件的中心。开启摄像头出现一组同心圆环，分别调节光路中各个光学元件的位置、高低、焦距、倾度等，直到出现清晰的同心圆环谱线（如图3），保存未加磁场谱线图。

3.2.2 观察塞曼分裂谱线

图7：塞曼分裂圆环直径分析图

图8：电子荷质比计算结果图

调节和观察塞曼分裂谱线是该实验的难点。打开磁场，并加大电压，可以看到之前的同心圆环的每一条会分裂为9条，分裂谱线由3条π分量谱线和6条σ分量谱线组成（如图4）。使用鼠标操作旋转偏振片的角度，偏振片旋转到不同角度（每转45度变化一次）时可以分别看到总的9条谱线、或π分量的3条谱线（如图5）、或σ分量的6条谱线（如图6）。实验中需要观察的是π分量，所以旋转偏振片到90度或270度，出现π分量的3条分裂谱线，保存π分量图。把特斯拉计的表笔放入线圈内，测量此时的磁场大小。

3.3 系统数据分析

学生完成虚拟仿真实验操作后，打开实验数据分析功能，如图7所示，根据保存圆环图片，确定剖面线后，输入折射率、间隙距离、磁感应强度、M2g2-M1g1 等实验常量参数,开启自动寻峰功能时，在鼠标点击测量 Da、Db、Dk-1、Dk 时，测量点会自动拟合到最近位置的局部极值点。

系统自动测量圆环直径，再代入磁场强度计算垂直磁场方向的塞曼分裂电子荷质比，如图8所示，电子荷质比的测量是塞曼效应实验的核心。让学生通过塞曼效应实验去测量和计算朗德因子是十分重要，可以加深学生对量子力学中原子能级分裂的理论理解使抽象深奥的理论形象直观化。

4 结束语

塞曼效应实验是专业物理实验课程中难度较大的实验项目之一，传统实验方法是测量汞光谱π分量的分裂谱线，分析分裂谱线，由此计算出电子荷质比。现在利用计算机软件技术、虚拟仿真技术，对实验的光路结构、测量原理、调节步骤进行剖析，建立形象逼真的三维模型，让学生可以不受人数、时间和空间的限制，在线进行实验操作和数据处理[8]。该实验系统可以应用于物理类专业的近代物理实验、光电信息实验等课程实验教学中，实现线上和线下的“双线结合”教学方式，可以保证众多学生同时在线实验，让专业实验课程实现开放共享。