塞曼效应(含思考题答案)
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塞曼效应
一、实验目的
1、学习观察塞曼效应的方法观察汞灯发出谱线的塞曼分裂；
2、观察分裂谱线的偏振情况以及裂距与磁场强度的关系；
3、 利用塞曼分裂的裂距，计算电子的荷质比e m e 数值。 二、实验原理
1、谱线在磁场中的能级分裂
设原子在无外磁场时的某个能级的能量为0E ，相应的总角动量量子数、轨道量子数、自旋量子数分别为S L J 、、。当原子处于磁感应强度为B 的外磁场中时，这一原子能级将分裂为12+J 层。各层能量为
B Mg E E B μ+=0 （1）
其中M 为磁量子数，它的取值为J ，1-J ，...，J -共12+J 个；g 为朗德因子；B μ为玻尔磁矩（m
hc
B πμ4=
）；B 为磁感应强度。 对于S L -耦合 ）
（）
（）（）（121111++++-++
=J J S S L L J J g （2）
假设在无外磁场时，光源某条光谱线的波数为
）（010201~E E hc
-=γ （3）
式中 h 为普朗克常数；c 为光速。
而当光源处于外磁场中时，这条光谱线就会分裂成为若干条分线，每条分线波数为别为
hc B g M g M E E hc
B
μγγγγγ）（）（112201200~1
~~~~-+=?-?+=?+= L g M g M ）（1
1220~-+=γ 所以，分裂后谱线与原谱线的频率差（波数形式）为
mc
Be g M g M L g M g M πγγγ4~~~1
12211220）（）（-=-=-=? （4） 式中脚标1、2分别表示原子跃迁后和跃迁前所处在的能级，L 为洛伦兹单位（B L 7.46=），外磁场的单位为T （特斯拉），波数L 的单位为 []
1
1--特斯拉
米。 1
2M M 、的选择定则是：0=?M 时为π 成分，是振动方向平行于磁场的线偏振光，只能在垂直于
磁场的方向上才能观察到，在平行于磁场方向上观察不到，但当0=?J 时，
0012==M M ，到的跃迁被禁止；1±=?M 时，为σ成分，垂直于磁场观察时为振动垂
直于磁场的线偏振光，沿磁场正方向观察时，1+=?M 为右旋偏振光， 1-=?M 为左旋偏振光。
若跃迁前后能级的自旋量子数S 都等于零，塞曼分裂发上在单重态间，此时，无磁场时的一条谱线在磁场作用下分裂成三条谱线，其中1+=?M 对应的仍然是σ态，0
=?M 对应的是π态，分裂后的谱线与原谱线的波数差mc
eB
L πγ
4~==?。这种效应叫做正常塞曼效应。
2. 法布里—珀罗标准具
塞曼分裂的波长差很小，波长和波数的关系为γλλ?=?2，若波长m 7
105-?=λ的谱线在T B 1=的磁场中，分裂谱线的波长差约只有m 11
10
-。因此必须使用高分辨率的仪器
来观察。本实验采用法布里—珀罗（P F -）标准具。
P F -标准具是由平行放置的两块平面玻璃或石英玻璃板组成，在两板相对的平面上镀有高反射率的薄银膜，为了消除两平板背面反射光的干涉，每块板都作成楔形。由于两镀膜面平行，若使用扩展光源，则产生等倾干涉条纹。具有相同入射角的光线在垂直于观察方向的平面上的轨迹是一组同心圆。若在光路上放置透镜，则在透镜焦平面上得到一组同心圆环图样。如图2所示，
在透射光束中，相邻光束的 光程差为
?cos 2nd =? （5）
取1=n
?cos 2nd =? （6） 产生亮条纹的条件为
λ?K d =cos 2 （7）
式中K 为干涉级次；λ为入射光波长。
我们需要了解标准具的两个特征参量是
1、 自由光谱范围（标准具参数）FSR λ~
? 或FSR
γ~?,同一光源发出的具有微小波长差的单色光1λ和 2λ（21λλ ），入射后将形成各自的圆环系列。对同一干涉级，波长大的干涉环直径小，所示。如果1λ和2λ的波长差逐渐加大，使得1λ的第m 级亮环与2λ的第（1-m ）级亮环重
合，则有
211c o s 2λλθ）（-==m m d （8） P F -标准具等倾干涉图
得出 m
2
12λλλλ=
-=? （9）
由于大多数情况下，1cos ≈θ，（8）式变为 1
2λd
m ≈
并带入（9）式，得到
d 22
1λλλ=? d
22λ≈ （10）
它表明在P F -中，当给定两平面间隔d 后，入射光波长在λλ?—间所产生
的干涉圆环不发生重叠。
2、 分辨本领
定义
λ
λ
?为光谱仪的分辨本领，对于P F -标准具，它的分辨本领为 KN =?λ
λ
（11） K 为干涉级次，N 为精细度，它的物理意义是在相邻两个干涉级之间能分辨的最大条纹数。N 依赖于平板内表面反射膜的反射率R 。
R
R
N -=
1π （12）
反射率越高，精细度就越高，仪器能分辨开的条纹数就越多。
利用P F -标准具，通过测量干涉环的直径就可以测量各分裂谱线的波长或波长差。参见图2，出射角为θ的圆环直径D 与透镜焦距f 间的关系为f
D
2tan =θ ，对于近中心的圆环θ很小，可以认为θθθtan sin ≈≈，于是有
22
2
2
81212sin 21cos f
D -=-≈-=θθθ （13）
代入到（7）式中，得
λθK f
D d d =-=）（
22
812cos 2 （14） 由上式可推出同一波长λ相邻两级K 和）（1-K 级圆环直径的平方差为
d
f D D
D K
K λ
222
1
2
4=-=?- （15）
可以看出，2
D ?是与干涉级次无关的常数。
设波长a λ和b λ的第K 级干涉圆环直径分别为a D 和b D ，由（14）式和（15）式得
K
D D D D D D K f d K K a b a b b a λλλ）（）（2
212
22
224--=-=-- 得出
波长差 ）（2
212
22
2K
K a
b D D D D d --=?-λλ （16） 波数差 ）（2
212
221K
K a
b D D D D d --=?-γ （17） 3、 用塞曼效应计算电子荷质比
m
e 对于正常塞曼效应，分裂的波数差为
mc
eB
L πγ4=
=? 代入测量波数差公式（17），得
）（2
212
22K
K a
b D D D D dB
c m e --=-π （18） 若已知
d 和B ，从塞曼分裂中测量出各环直径，就可以计算出电子荷质比。 反之，可以利用电子荷质比
m
e
计算，所加磁场强度 (19) 三、实验数据及数据分析
根据所测的塞曼分裂图，可以用直尺测得距离
OA=6.52cm OC=11.48cm OB=5.50cm OD=8.02cm D(k-1)^2-D(k)^2=(OC^-OA^2)/4=22.32cm^2. D(b)^2-D(a)^2=(OD^-OB^2)/4=8.5176cm^2.
已知标准具厚度d=1.4mm
所以由公式(19)知
从而B=2936Gs=0.29221T
而我们用特斯拉计测得磁场B0=0.289T 误差d=|B-B0|=0.003216T
相对误差Δ=d/B0=0.003216/0.289=1.1129%
222212()
b a K K D D m
c B e
d D D π--=-191.610
e C -=?30
0.9110m kg -=?8310/c m s =?2222
12()b a K K D D m c B e d D D π--=-
四、思考题
1、标准具的间隔厚度为，该标准具的自由光谱范围是多少，观察的谱线分裂情况时，磁场强度的合理取值是多少，若磁场强度为多少时，分裂谱线中哪几条将会发生重叠。
标准具厚度d=1.4mm 自由光谱范围
d22
1λ
λ
λ=
?
d22
λ
≈，所用的Hg灯λ=546.1nm，故Δλ=1.065A.
2、试举例塞曼效应在科学技术中的应用。
确定原子的总角动量量子数J值和朗德因子g值，进而去确定原子总轨道角动量量子数L 和总自旋量子数S的数值
测外磁场或电子荷质比
塞曼激光陀螺
塞曼效应
1-3 塞曼效应 实验目的和要求： 了解塞曼效应的重要意义和原理；学习调节光路，学习使用高分辨气压扫描式法布里- 珀罗标准具（F-P）和光谱测量技术；观测和研究Hg 放电灯的546.1nm 光谱线在外磁场作用下的塞曼分裂现象和谱线的超精细结构；根据实验结果研究原子能级结构，获得有关分裂能级的参量。 教学内容： 1．计算Hg 灯546.1nm 光谱线在磁场作用下分裂的各子谱线的条数、偏振方向、波数变化，和相对强度，作出能级分裂图和光谱分裂示意图。 2．调节光路的准直和共轴，调节F-P 标准具的平行度；观察F-P 标准具产生的等倾干涉圆 环随F-P 内空气折射率的变化；通过气压扫描，用光电倍增管扫描测量546.1nm 光谱 线的强度随气压的变化，要求达到高分辨率，观测到超精细结构。 3．加垂直观测方向的磁场，观察F-P 后干涉圆环的分裂、分裂环的相对强度和偏振状态；用气压扫描测量546.1nm 谱线分裂出的9 条光谱，测量不同偏振状态下的光谱。4．分析塞曼分裂谱，计算各分裂子谱线的波数差和相对强度，并与理论值作比较，求荷质比；从塞曼分裂谱中分析得到原子能级的J 量子数和g 因子。 实验过程中可能涉及的问题(有的问题可用于检查学生的预习情况，有的可放在实验室说明牌上作提示，有的可在实验过程中予以引导，有的可安排为报告中要回答的问题，有的可作为进一步探索的问题。不同的学生可有不同的要求。) 塞曼效应是如何产生的？原子在外磁场下的能级分裂由哪些因素决定？根据你的理 论计算，在1T 磁场的作用下，Hg546.1nm光谱线分裂成几条谱线？分裂谱线的偏振态为什么不同？分裂谱线的相对强度是多少？分裂谱线的波数差为多少cm-1? 本实验通过什么方法分辨测量这么窄的光谱分裂？F-P 的自由光谱范围如何定义，在实验中有什么作用？用气压扫描式F-P 标准具实现高分辨光谱测量的实验条件有哪些（光路，平行度，准直，光电倍增管前加小孔光阑… ）？随着F-P 内气压即空气折射率的变化，为什么可以观测到分 裂谱线重复出现？如何把实验测量结果中光强随气压的变化，标定转化为，光强随谱线波数的变化？此种标定的前提条件是什么？如何尽量减少相邻谱线的互相影响？如果谱线的裂距和强度与理论计算有偏差，可能是什么原因造成的？ 实验装置说明： 1．光源及磁场：Hg 灯与电源（注意Hg 灯上高压的安全），电磁铁与电源（注意电磁铁发热效应，Hg 灯为何需置于磁场中心？） 2．光谱测量：透镜、偏振片和干涉滤光片（各起什么作用？）；气压扫描式F-P 标准具、成像透镜和带小孔光阑的光电倍增管（各起什么作用，如何调节，观察到的光学 现象？） 3．控制和数据采集：气压扫描控制器（注意在升压状态下测量）, 光电倍增管电源系统（注意屏蔽背景光后加高压使用），计算机数据采集（实验测量的是什么物理量？） 实验的主要内容和问题： 1．Hg 灯置于电磁铁中央，在垂直磁场方向观测光谱（平行磁场方向的塞曼分裂光谱会有什么不同？测量方案上有何不同？） 2．调节整体光路，使Hg 灯像、等倾干涉圆环的中心、以及观测点的中心达到准直、共心、共轴。（为什么有这些要求？如何逐步调节并判断？）
法拉第效应实验报告
法拉第效应 一．实验目的 1．初步了解法拉第效应的经典理论。 2．初步掌握进行磁光测量的方法。 二．实验原理 1．法拉第效应 实验表明，偏振面的磁致偏转可以这样定量描述：当磁场不是很强时，振动面旋转的角度F θ与光波在介质中走过的路程l 及介质中的磁感应强度在光的传播方向上的分量H B 成正比，这个规律又叫法拉第一费尔得定律，即 F H VB l θ= ()1 比例系数V 由物质和工作波长决定，表征着物质的磁光特性，这个系数称为费尔得常数，它与光频和温度有关。几乎所有的物质都有法拉第效应，但一般都很不显著。不同物质的振动面旋转的方向可能不同。一般规定：旋转方向与产生磁场的螺线管中电流方向一致的，叫正旋（0V >）反之叫负旋（0V <）。 法拉第效应与自然旋光不同，在法拉第效应中，对于给定的物质，偏振面相对于实验室坐标的旋转方向，只由B 的方向决定和光的传播方向无关，这个光学过程是不可逆的。光线往返一周，旋光角将倍增。而自然旋光则是可逆的，光线往返一周，累积旋光角为零。与自然旋光类似，法拉第效应也有色散。含有三价稀土离子的玻璃，费尔德常数可近似表示为： ()1 22t V K λλ-=- ()2 这里K 是透射光波长t λ，有效的电偶极矩阵元，温度和浓度等物理量的函数，但是与入射波长λ无关。这种V 值随波长而变的现象称为旋光色散。 2．法拉第效应的经典理论 从光波在介质中传播的图像看，法拉第效应可以这样理解:一束平行于磁场方向传播的平面偏振光，可以看作是两柬等幅的左旋和右旋偏振光的叠加，左旋和右旋是相对于磁场方向而言的。介质中受原子核束缚的电子在人射光的两旋转电矢量作用下，作稳态的圆周运动。在与电子轨道平面相垂直的方向上加一个磁场B ，则在电子上将引起径向力M F ，力的方向决定于光的旋转方向和磁场方向。因此，电子所受的总径向力可以有两个不同的值。轨道半径
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光现象测试题（时间：45分钟） 一、填空题 1、小明在斜阳下会有影子是由于造成的 2、一束光从空气中斜射到水面时，有一部分光被反射回空气，这种现象叫做，还有一部分光进入水中，光线发生偏折，这种现象叫做光的 ，这两个现象是同时发生的。 3、当光线垂直于反射面的方向入射时，反射角为，此时反射光线和入射光线，但方向 4、当入射角为时，入射光线与反射光线间的夹角为90o；若入射光线和镜面夹角由40o增大到90o，则反射角将从变化到 5、池中水的深度是2m，月球到地球的距离为×108km，月球在池中水的像到水面的距离是 6、全班同学都能看到讲桌上的物体，这是由于光在物体表面发生________的缘故． 7、小明身高为1.5m的立于平面镜前2m前，则小明像高为________m．如果小明向前走了1m，则像高变 为 m． 8、如图所示，空杯底部放一枚分币，移动杯子，使眼睛刚刚看不到分币， 保持眼睛和杯子的位置不变，慢慢向杯子里倒水，随着水面升高，将会看 到 _____,这是由于光线由水斜射入空气时，折射角入射角． 9、光线垂直射向镜面，若镜面旋转20o，则反射光线与入射光线的夹角为 二、判断题 1、如果入射光线与平面镜的夹角为30o，则入射角等于30o（） 2、小红早晨起床照镜子，她在镜子中看到的像是虚像（） 3、影子的成因是光的反射形成的（） 4、小红早晨起来照镜子，她离镜子多远，镜子中的像就离她多远（） 5、光发生折射时，入射角一定大于折射角（） 6、光从一种介质垂直进入到另一种介质中，光的传播方向不变（） 三、选择题 1、入射光线与平面镜的夹角成55o，若转动平面镜，使入射角增大5o，则入射光线和反射光线的夹角是（） A、70o B、75o C、80o D、60o 2、检查视力时，人与视力表间的距离应为5m，现在由于房间太小而在对面墙上挂一平面镜，且视力表到镜子的距离为3m，那么检查视力（） A、人应面向镜子，且人与镜的距离为2m B、人应面向镜子，且人与镜的距离为2.5m C、人面向视力表，且人与视力表的距离为3m D、人面向视力表，且人与视力表的距离为2.5m 3、把一只墨水瓶逐渐向平面镜靠近时，它在平面镜中的像将（） A、变大 B、不变 C、变小 D、先变大后不变 4、小明利用平面镜看到了小张的眼睛，下列说法中正确的是（ 小张也一定能从同一平面镜中看到小明的眼睛 小张能否看到小明的眼睛要有平明镜的大小决定 小张一定不能从同一平面镜中看到小明的眼睛 小张能否看到小明的眼睛要由两人所站的位置决定
塞曼效应实验
塞曼效应实验 作者杨桥英 指导老师杨建荣 绪论 塞曼效应实验是近代物理中的一个重要实验，它证实了原子具有磁矩和空间量子化，可由实验结果确定有关原子能级的几个量子数如M，J和g因子的值，有力地证明了电子自旋理论。对于教学和学习来说本文所讨论的实验方案的结合使用，不但可以使我们对塞曼实验的原理有更深层次的触动，加深我们对于塞曼效应原理的理解，而且可以使我们对计算机及相应的软件开发在实验中的应用有所了解。 塞曼效应是原子的光谱线在外磁场中出现分裂的现象。塞曼效应是1896年由荷兰物理学家塞曼发现的。他发现，原子光谱线在外磁场发生了分裂。随后洛仑兹在理论上解释了谱线分裂成3条的原因。这种现象称为“塞曼效应”。进一步的研究发现，很多原子的光谱在磁场中的分裂情况非常复杂，称为反常塞曼效应。完整解释塞曼效应需要用到量子力学、电子的轨道磁矩和自旋磁矩耦合成总磁矩，并且空间取向是量子化的，磁场作用下的附加能量不同，引起能级分裂。在外磁场中，总自旋为零的原子表现出正常塞曼效应，总自旋不为零的原子表现出反常塞曼效应。塞曼效应是继1845年法拉第效应和1875年克尔效应之后发现的第三个磁场对光有影响的实例。塞曼效应证实了原子磁矩的空间量子化，为研究原子结构提供了重要途径，被认为是19世纪末20世纪初物理学最重要的发现之一。利用塞曼效应可以测量电子的荷质比。在天体物理中，塞曼效应可以用来测量天体的磁场[]1。 1．实验原理 1．1原子的总磁矩与总角动量的关系 原子的总磁矩由电子磁矩和核磁矩两部分组成，由于核磁矩比电子磁矩小三个数量级以上，所以可只考虑电子的磁矩这一部分。原子中的电子做轨道运动时产生轨道磁矩，做自旋运动时产生自旋磁矩。根据量子力学的结果，电子轨道角动量P L 和轨 道磁矩μ L 以及自旋角动量P S 和自旋磁矩μ S 在数值上有下列关系：
最新法拉第旋光效应实验报告资料
法拉第旋光效应实验报告 一．实验目的： 1.了解和掌握法拉第效应的原理； 2.了解和掌握法拉第效应的实验装置结构及实验原理； 3.测量法拉第效应偏振面旋转角与外加磁场电流I的关系曲线。二．实验仪器： LED 发光二极管（或白光光源和滤波片），偏振片，透镜，直流励磁电源，导轨，偏振片，集成霍尔元件，稳压电源等。三．实验原理和操作步骤： 天然旋光现象。 当线偏振光通过某些透明物质(如石英、糖溶液、酒石酸溶液等)后．其振动面将以光的传播方 向为轴旋转一定的角度，这种现象称为旋光现象。1811 年阿拉果首先发现石英有旋光现象，以后 毕奥（J. B. Biot）和其他人又发现许多有机液体和有机物溶液也具有旋光现象。凡能使线偏振光 振动面发生旋转的物质称为旋光物质，或称该物质具有旋光性。 图3.1 石英的旋光现象 如图3.1 所示，1P 和2P 分别为起偏器和检偏器（正交）。显然，在没有旋光物质时，2P 后面的视场是暗的。当在1P 和2P 之间加入旋光物质后2P 后的视场将变亮，将2P 旋转某一角度后，视场又将变暗。这说明线偏振光透过旋光物质后仍然是线偏振光，只是其振动面旋转了一个角度。 振动面旋转的角度称为旋光度，用?表示。 线偏振光通过旋光晶体时，旋光度?和晶体厚度 d 成正比，即 d α ? = （3.1）式中，α是比例系数，与旋光晶体的性质、温度以及光的频率有关，称为该晶体的旋光率。 不同的旋光物质可以使线偏振光的振动面向不同的方向旋转．人们对旋光方
向作下述约定： 迎着光传播方向观察，若出射光振动面相对于入射光扳动面沿顺时针方向旋转为右旋；沿逆时针方向旋转称为左旋．在图 3.1 中，若在1P 前加一个白色光源，由于不同波长的光旋转角度不同，因此到达2P 时有一部分光能透过去，有些光透不过去，有些能部分透过去，所以2P 后的视场是彩色的，旋转2P 其法拉第旋光效应25色彩会发生变化，这种现象叫做旋光色散。 2. 旋光现象的菲涅耳解释。 菲涅耳提出了一种唯象理论来解释物质的旋光性质。线偏振光可以分解为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。左旋圆偏振光和右旋圆偏振光以相同的角速度沿相反方向旋转，它们合成为在一直线上振动的线偏振光。在旋光物质中左旋圆偏振光和右旋圆偏振光传播的相速度不相同。假定右旋圆偏振光在某旋光物质中传播速度比左旋圆偏振光的速度快，在旋光物质出射面处观察，于右旋圆偏振光速度快，因此右旋圆偏振光振幅旋转过的角度较大，在出射面处，两圆偏光合成的线偏振光PE 的振动方向比起原来(进入旋光物质前)的振动方向0 PE 来，顺时针方向转过角度θ，这就是右旋。当材料中左旋圆偏振光的相速度较大时．就是左旋光材料。 3. 磁致旋光。 前面介绍的是物质的天然旋光性，实际上，有些物质本身不具有旋光性，但在磁场作用下就有旋光性了，就是前面介绍的法拉第旋光效应，也叫磁致旋光效应。磁致旋光中振动面的旋转角?和样品长度L 及磁感应强度B 成正比，即有VLB = ?（3.2）式中V 是—个与物质的性质、光的频率有关的常数，称为维尔德(Verdet)常数。某些物质的维尔德磁致旋光也有左右之分．我们规定：当光的传播方向和磁场方向平行时迎着光的方向观察，光的振动面向左旋转(逆时针)，则维尔德常数为正。旋光现象的唯象解释 近代物理实验讲义 4. 磁致旋光的经典唯象解释。 可以用唯象模型来说明磁致旋光效应。电子在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的电场作用下作左旋和右旋圆周运动，电子运动平面与磁场垂直。电子在磁场中受到洛仑兹力，其方向向着电子轨道中心或背着轨道中心，视速度的方向而定注意：电子本身带负电荷。在洛仑兹力向着轨道中心的情况中，电子受到的向心力增加，电子旋转速率增大。在洛仑兹力背向轨道中心的情况中，电子旋转变慢。电子旋转快慢的变化影响了圆偏振光电场矢量旋转角速度。当光从磁光媒质出射时重新合成线偏振光。由于在媒质中左旋和右旋的速率不同，合成偏振光的振动面转过了一个角度。从图上可以看出，电子旋转速率变化只决定于磁场方向与电子旋转方向，而与光的传播方向无关。值得注意的是，天然旋光的旋转方向与光的传播方向有关，而磁致旋光的旋转方向与光的传播方向无关，而决定于外加磁场的方向。如图 3.5 所示，若将出射光再反射回晶体，则通过天然旋光晶体的线偏光沿原路返回后振动面将回复原位，而通过磁致旋光晶体的线偏光将继续旋光，其振动面与原振动面夹角更大。磁致旋转现象是由于外磁场存在时物质的原子或分子中的电子进动而引起的。这种进动的结果，使物体对顺时针与逆时针的圆偏振光产生不同的折射率。因此方向不同的圆偏振光的传播速度不同，引起了振动面的旋转。 四．
物理光现象练习题含答案
物理光现象练习题含答案 一、初中物理光现象 1．对下列几种光现象的解释不正确的是（） A. “湖光映彩霞”——光的反射现象 B. “潭清凝水浅”—光的折射现象 C. “风吹草低见牛羊”—光的直线传播 D. “皮影“——平面镜成像的原理 【答案】 D 【解析】【解答】A. “湖光映彩霞”是光的反射现象，A不符合题意； B.“潭清凝水浅”是光的折射现象，B不符合题意； C.“风吹草低见牛羊”是光的直线传播 C不符合题意； D.“皮影“是光的直线传播，D符合题意. 故答案为：D 【分析】本题要分清光的反射：倒影；折射现象：水中物体变浅；光的直线传播：皮影。 2．小明用棋子和如图所示的装置探究平面镜成像问题． ①他将一个棋子A作为物体放在平面镜前5cm处，看到这个棋子在平面镜中成的像．用大小不同的棋子放在棋子A像的位置，发现只有当把与棋子A大小相同的B棋子放在棋子A像的位置时，棋子B与棋子A的像完全重合．②他将棋子A放在平面镜前10cm处，看到这个棋子在平面镜中成的像．用大小不同的棋子放在棋子A像的位置，发现仍然是只有当把与棋子A大小相同的B棋子放在棋子A像的位置时，棋子B与棋子A的像完全重合．③仿照步骤②再做四次实验．均发现棋子B与棋子A 的像完全重合．由此可知，小明探究的问题是（） A. 像的大小与物体大小的关系 B. 像的大小与物距的关系 C. 像距与物距的关系 D. 像距与物体大小的关系 【答案】 A 【解析】【解答】解：小明将一个棋子A作为物体放在平面镜前5cm处，看到这个棋子在平面镜中成的像．用大小不同的棋子放在棋子A像的位置，发现只有当把与棋子A大小相同的B棋子放在棋子A像的位置时，棋B与棋子A的像完全重合，据此可知小明探究的问题是像与物的大小关系． 故选：A． 【分析】探究平面镜成像时，当物像重合时，可以确定像的位置，同时也可以说明物像大小相等，据此分析即可解答． 3．如图所示的光现象中，主要是由于光的反射形成的是（）
法拉第效应与磁光调制实验
法拉第效应与磁光调制实验 1845年，法拉第（M.Faraday）在探索电磁现象和光学现象之间的联系时，发现了一种现象：当一束平面偏振光穿过介质时，如果在介质中，沿光的传播方向上加上一个磁场，就会观察到光经过样品后偏振面转过一个角度，即磁场使介质具有了旋光性，这种现象后来就称为法拉第效应。法拉第效应第一次显示了光和电磁现象之间的联系，促进了对光本性的研究。之后费尔德（Verdet）对许多介质的磁致旋光进行了研究，发现了法拉第效应在固体、液体和气体中都存在。 法拉第效应有许多重要的应用，尤其在激光技术发展后，其应用价值越来越受到重视。如用于光纤通讯中的磁光隔离器，是应用法拉第效应中偏振面的旋转只取决于磁场的方向，而与光的传播方向无关，这样使光沿规定的方向通过同时阻挡反方向传播的光，从而减少光 于激光多级放大和高分辨率的纤中器件表面反射光对光源的干扰；磁光隔离器也被广泛应用Array激光光谱，激光选模等技术中。在磁场测量方面，利用法拉第 效应驰豫时间短的特点制成的磁光效应磁强计可以测量脉冲 强磁场、交变强磁场。在电流测量方面，利用电流的磁效应和 光纤材料的法拉第效应，可以测量几千安培的大电流和几兆伏 的高压电流。 磁光调制主要应用于光偏振微小旋转角的测量技术，它是 通过测量光束经过某种物质时偏振面的旋转角度来测量物质 的活性，这种测量旋光的技术在科学研究、工业和医疗中有广 泛的用途，在生物和化学领域以及新兴的生命科学领域中也是 重要的测量手段。如物质的纯度控制、糖分测定；不对称合成 M.Faraday(1791－1876) 化合物的纯度测定；制药业中的产物分析和纯度检测；医疗和 生化中酶作用的研究；生命科学中研究核糖和核酸以及生命物质中左旋氨基酸的测量；人体血液中或尿液中糖份的测定等。 一、实验目的 1. 用特斯拉计测量电磁铁磁头中心的磁感应强度，分析线性范围。 2. 法拉第效应实验：正交消光法检测法拉第磁光玻璃的费尔德常数。 3. 磁光调制实验：熟悉磁光调制的原理，用倍频法精确测定消光位置；精确测量不同样品 的费尔德常数。 二、实验原理 1、法拉第效应 实验表明，在磁场不是非常强时，如图1所示，偏振面旋转的角度θ与光波在介质中走 d B成正比，即： 过的路程及介质中的磁感应强度在光的传播方向上的分量 θ （1） = VBd 比例系数V由物质和工作波长决定，表征着物质的磁光特性，这个系数称为费尔德（Verdet）常数。附录中，表1为几种物质的费尔德常数。几乎所有物质（包括气体、液体、固体）都
(完整版)中考复习光现象习题及答案
最新中考复习光现象练习题 一、选择题 1. (2016柳州)如图所示，哪幅图中所描绘的情景可以用光沿直线传播来解释() 2. (2016贵阳)远看浅浅的湖(河)水，一旦涉入水中后，才发现水的实际深度比看到的要深许多，如图所示．水对眼睛的这种“欺骗”，对于想游泳的同学存在很大安全隐患，我们必须要警惕．造成这一现象的主要原因是() 第2题图 A. 光的直线传播 B. 光发生了折射 C. 光发生了反射 D. 某些人的幻觉 3. (2016长沙)下列图中所示的现象中，由于光的反射形成的是() 4. (2016山西)在《资治通鉴》中记载“人以铜为镜，可以正衣冠；以古为镜，可以见兴替”．表明我们的祖先就会用磨光的铜面作为镜子，观察自己的像．人在铜镜中所成的像是() A. 缩小的实像 B. 等大的实像 C. 放大的虚像 D. 等大的虚像 5. (2016铁一中模拟)如图所示的现象中，由光的折射形成的是() 6. (2016葫芦岛)2016年5月9日19时12分左右，“水星凌日”的天象于本世纪第三次出现．如图所示，水星如一颗小黑痣从太阳“脸上”缓慢爬过．它的形成与下列光现象原理相同的是() 第6题图
A. 小孔成像 B. 河水看起来变浅 C. 海市蜃楼 D. 水中荷花的倒影 7. (2016湖州)右图是晚上汽车在干燥的沥青路面和潮湿的沥青路面上行驶时大灯部分光路简图，在晚上开车时() 第7题图 A. 潮湿的路面更容易发生光的漫反射 B. 干燥的路面发生光的折射 C. 对面无车时，驾驶员看潮湿的路面更暗 D. 照射到干燥路面上的光不遵循光的反射定律 8. 下列有关光现象的说法正确的是() A. 光从空气射入水中，传播速度变大 B. 在光的反射中，入射光线靠近法线时反射光线将远离法线 C. 白光通过棱镜发生色散现象，说明白光是由多种色光组成的 D. 验钞机利用红外线辨别钞票的真伪 9 (2016兰州)关于光现象，下列说法正确的() A. 凸透镜只对平行光线具有会聚作用 B. 人向平面镜走近时，他在镜中的像逐渐变大 C. 黑板面“反光”是由于光发生漫反射造成的 D. 日食的形成是由于月球挡住了太阳射向地球的光 10. (2016资阳)我国的古诗词文化有几千年的灿烂历史，很多名句蕴含 着丰富的物理知识．下列诗句从物理学的角度解释错误 ．．的是() A. “绿树浓阴夏日长，楼台倒影入池塘”句中“浓阴”是光的直线传
法拉第效应
法拉第效应 1845年8月，英国科学家法拉第发现原来没有旋光性的重玻璃在强磁场作用下产生旋光性，使偏振光的偏振面发生偏转。磁致旋光效应后来称为法拉第效应。法拉第效应有许多应用，特别是在激光技术中制造光调制器、光隔离器和光频环行器，在半导体物理中测量有效质量、迁移率等。 一、实验目的 1． 了解法拉第效应的原理； 2． 观察线偏振光在磁场中偏振面旋转的现象，确定维尔德（Verdet ）常数； 3． 验证偏振面旋转角度、光波波长和磁场强度间的关系。 二、实验器材 12v/100w 卤素灯、法拉第效应实验仪、光电器件及平衡指示仪、 三、实验原理 介质因外加磁场而改变其光学性质的现象称之为磁光效应。其中，光通过处于磁场中的物质时偏振面发生旋转的效应较为重要，我们称这种偏振面的磁致旋转效应为法拉第效应（Faraday effect ）。它与克尔效应一起揭示了光的电磁本质，是光的电磁理论的实验基础。法拉第在寻找磁与光现象的联系时首先发现了线偏振光在通过处于磁场当中的各向同性介质时其偏振面发生旋转的现象。在磁场不是非常强时，偏振面的旋转角度?? 与介质的厚度S 及磁感应强度在光的传播方向上的分量B 成正比 VBS =?? （1） 比例系数V 成为维尔德（Verdet ）常数，它取决于光的波长和色散关系，一般物质的维尔德常数比较小，表1给出了几种材料的维尔德常数V 。 法拉第效应与自然旋光不同。在法拉第效应中对于给定的物质，光矢量的旋转方向只由磁场的方向决定，而与光的传播方向无关，即当光线经样品物质往返一周时，旋光角将倍增。 线偏振光可看作两个相反偏振量σ+和σ –的圆偏振光的相干叠加，从原子物理知识可知，磁场将使原子中的振荡电荷产生旋进运动，旋进的频率等于拉莫尔频率，即ωL =B m e ?,这里e 和m 分别为振荡粒子的电荷和质量，B 为磁场强度。线偏振光的σ+和σ –分量有不同的旋进频率，分别为L ωω- 和L ωω+，相应的折射率n +和n -，相速度v +和v - 都不同，而在 表1.几种材料的维尔德常数V
塞曼效应实验
塞曼效应实验 【实验目的】 1．掌握观测塞曼效应的方法，加深对原子磁矩及空间量子化等原子物理学概念的理解。 2．观察汞原子546.1nm 谱线的分裂现象及它们偏振状态，由塞曼裂距计算电子荷质比。 3．学习法布里-珀罗标准具的调节方法。 4．学习CCD 器件在光谱测量中的应用以及通过计算机自动处理光谱数据的实验方法。 【实验原理】 1．背景简介 1896年,荷兰物理学家塞曼(P.Zeeman(1865-1943))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光谱线，分裂的谱线成分是偏振的，分裂的条数随能级的类别而不同，后人称此现象为塞曼效应。塞曼效应是继英国物理学家法拉第（M.Faraday(1791-1863)）1845年发现磁致旋光效应，克尔(John Kerr)1876年发现磁光克尔效应之后，发现的又一个磁光效应。 法拉第旋光效应和克尔效应的发现在当时引起了众多物理学家的兴趣。1862年法拉第出于"磁力和光波彼此有联系"的信念，曾试图探测磁场对钠黄光的作用，但因仪器精度欠佳未果。 塞曼在法拉第的信念的激励下,经过多次的失败,最后用当时分辨本领最高的罗兰凹面光栅和强大的电磁铁,终于在1896年发现了钠黄线在磁场中变宽的现 象,后来又观察到了镉蓝线在磁场中的分裂。 塞曼在洛仑兹的指点及其经典电子论的指导下,解释了正常塞曼 效应和分裂后的谱线的偏振特性,并且估算出的电子的荷质比与几个 月后汤姆逊从阴极射线得到的电子荷质比相同。 塞曼效应不仅证实了洛仑兹电子论的准确性，而且为汤姆逊发现 电子提供了证据。还证实了原子具有磁矩并且空间取向是量子化的。 1902年，塞曼与洛仑兹因这一发现共同获得了诺贝尔物理学奖。直到 今日，塞曼效应仍旧是研究原子能级结构的重要方法。 早年把那些谱线分裂为三条,而裂距按波数计算正好等于一个洛伦兹单位的现象叫做正常塞曼效应(洛伦兹单位mc eB L π4/=)。正常塞曼效应用经典理论就能给予解释。实际上 P.Zeeman(1865-1943)
人教版《光现象》单元测试题及答案
人教版《光现象》单元测试题及答案 一、选择题（每小题3分，共30分） 1、（08临沂）下列有关光的现象中，正确的说法是（ ） A．阳光下，微风吹拂的河面，波光粼粼，这里蕴含着光的反射 B．光与镜面成30°角射在平面镜上，则其反射角也是30° C．人在照镜子时，总是靠近镜子去看，其原因是靠近时像会变大 D．老年人通过放大镜看书，看到的字的实像 2、小明在听讲座时，想把投影在银幕上的彩色图像用照相机拍摄下来。由于会场比较暗，他使用了闪光灯，这样拍摄出来的照片（ ）A．反而看不清投影到银幕上的图像，倒是把银幕上的一些污渍拍出来了 B．色彩鲜艳，比不用闪光灯清楚多了 C．色彩被闪掉了，拍到的仅有黑色的字和线条 D．与不用闪光灯时效果一样，因为拍摄的是银幕上的像，而不是实际的景物 3、（08福州）08年春节晚会中有一精彩的“手影戏”──《逗趣》。两位演员用手分别表演了动物、人物的各种形态。活灵活现的手影如图1所示，让观众大开眼界。手影的形成是由于（ ） A．光的直线传播 B．光的折射 C．光的反射 D．光的镜面反射 4、小赵同学手拿时钟站在平面镜前，如图2所示是平面镜中的像，则（ ） A．小赵同学离平面镜越远，像越小 B．小赵同学离平面镜越远，像越大
C．时钟指示的时间是3点正 D．时钟指示的时间是9点正 5、黑板上同一个字，有的座位上的同学看得清楚，而有的座位上同学看不清楚，其原因是（ ） A．教室光线亮度不够 B．黑板产生镜面反射造成的看不清楚C．黑板漫反射造成的看不清楚 D．以上说法都不对 6、如图3所示，一束光线斜射入容器中，在P处形成一光斑，在向容器里逐渐加满水的过程中，光斑将（ ） A．向左移动后静止 B．向右移动后静止 C．先向左移动再向右移动 D．仍在原来位置 7、入射光线与镜面的夹角减小20°，则反射光线与入射光线的夹角将（ ） A．减小20° B．减小40° C．增大20° D．增大40°8、潜在水中的人从水中观看岸上的路灯，他看到的灯跟灯的实际位置相比较（ ） A．高一些 B．低一些 C．不变 D．条件不足，无法判断9、如图4所示验钞机发出的“光”能使钞票上的荧光物质发光；家用电器的遥控器发出的“光”，能用来控制电风扇、电视机、空调器等。对于它们发出的“光”，下列说法中正确的是（ ） A．验钞机和遥控器发出的“光”都是紫外线B．验钞机和遥控器发出的“光”都是红外线 C．验钞机发出的“光”是紫外线，遥控器发出的“光”是红外线D．验钞机发出的“光”是红外线，遥控器发出的“光”是紫外线 10、（08广州）为北京2008年奥运会而建造的国家游泳中心“水立方”的透明薄膜“外衣”上点缀了无数白色的亮点如图5所示，它们被称为镀点。北京奥运会举办时正值盛夏，镀点能改变光线的方向，将光线挡在场馆之外，镀点对外界阳光的主要作用是（ ）
法拉第旋光效应实验报告
法拉第旋光效应实验报告 法拉第旋光效应实验报告 一.实验目的： 1.了解和掌握法拉第效应的原理； 2?了解和掌握法拉第效应的实验装置结构及实验原理； 3?测量法拉第效应偏振面旋转角与外加磁场电流I的关系曲线。 二.实验仪器： LED发光二极管（或白光光源和滤波片），偏振片，透镜，直流励磁电源，导轨，偏振片，集成霍尔元件，稳压电源等。 三.实验原理和操作步骤： 天然旋光现象。 当线偏振光通过某些透明物质（如石英、糖溶液、酒石酸溶液等）后.其振动面将以光的传播方 向为轴旋转一定的角度，这种现象称为旋光现象。1811年阿拉果首先发现石英有旋光现象，以后 毕奥（J. B Biot）和其他人又发现许多有机液体和有机物溶液也具有旋光现象。凡能使线偏振光 振动面发生旋转的物质称为旋光物质，或称该物质具有旋光性。
图3.1石英的旋光现象 如图3.1所示，1P和2P分别为起偏器和检偏器（正交）。显然，在没有旋光物质时，2P后面的视场是暗的。当在1P和2P之间加入旋光物质后2P后的视场将变亮，将2P旋转某一角度后，视场又将变暗。这说明线偏振光透过旋光物质后仍然是线偏振光，只是其振动面旋转了一个角度。 振动面旋转的角度称为旋光度，用？表示。 线偏振光通过旋光晶体时，旋光度？和晶体厚度d成正比，即
d a ?（3.1）式中，a是比例系数，与旋光晶体的性质、温度以及光的频率有关，称为该晶体的旋光率。 不同的旋光物质可以使线偏振光的振动面向不同的方向旋转.人们对旋光方向作下述约定： 迎着光传播方向观察，若出射光振动面相对于入射光扳动面沿顺时针方向旋转为右旋；沿逆时针方向旋转称为左旋.在图 3.1中，若在1P前加一 个白色光源，由于不同波长的光旋转角度不同，因此到达2P时有一部分光能透过去，有些光透不过去，有些能部分透过去，所以2P后的视场是彩色 的，旋转2P其法拉第旋光效应25色彩会发生变化，这种现象叫做旋光色散。 2.旋光现象的菲涅耳解释。 菲涅耳提出了一种唯象理论来解释物质的旋光性质。线偏振光可以分解为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。左旋圆偏振光和右旋圆偏振光以相同的角速度沿相反方向旋转，它们合成为在一直线上振动的线偏振光。在旋光物质中左旋圆偏振光和右旋圆偏振光传播的相速度不相同。假定右旋圆偏振光在某旋光物质中传播速度比左旋圆偏振光的速度快，在旋光物质出射面处观察，于右旋圆偏振光速度快，因此右旋圆偏振光振幅旋转过的角度较大，在出射面处，两圆偏光合成的线偏振光PE的振动方向比起原来（进入 旋光物质前）的振动方向0 PE来，顺时针方向转过角度9 ，这就是右旋。当材料中左旋圆偏振光的相速度较大时.就是左旋光材料。 3.磁致旋光。 前面介绍的是物质的天然旋光性，实际上，有些物质本身不具有旋光性，但在磁场作用下就有旋光性了，就是前面介绍的法拉第旋光效应，也叫 磁致旋光效应。磁致旋光中振动面的旋转角？和样品长度L及磁感应强度B成正比，即有VLB = ? （3.2）式中V是一个与物质的性质、光的 频率有关的常数，称为维尔德（Verdet）常数。某些物质的维尔德磁致旋光也有左右之分.我们规定：当光的传播方向和磁场方向平行时迎着光的方向观察，光的振动面向左旋转（逆时针），则维尔德常数为正。旋光现象的唯象解释 近代物理实验讲义 4.磁致旋光的经典唯象解释。 可以用唯象模型来说明磁致旋光效应。电子在左旋圆偏振光和右旋圆偏振 光的电场作用下作左旋和右旋圆周运动，电子运动平面与磁场垂直。电子 在磁场中受到洛仑兹力，其方向向着电子轨道中心或背着轨道中心，视速 度的方向而定注意：电子本身带负电荷。在洛仑兹力向着轨道中心的情况中，电子受到的向心力增加，电子旋转速率增大。在洛仑兹力背向轨道中心的情况中，电子旋转变慢。电子旋转快慢的变化影响了圆偏振光电场矢量旋转角速度。当光从磁光媒质出射时重新合成线偏 振光。由于在媒质 中左旋和右旋的速率不同，合成偏振光的振动面转过了一个角度。从图上 可以看出，电子旋转速率变化只决定于磁场方向与电子旋转方向，而与光的传播方向无关。值得注意的是，天然旋光的旋转方向与光的传播方向有关，而磁致旋光的旋转方向与光的传播方向无关，而决定于外加磁场的方向。如图3.5所示，若将出射光再反射回晶体，则通过 天然旋光晶体的线偏光沿原路返回后振动面将回复原位，而通过磁致旋光晶体的线偏光将继
塞曼效应实验讲义
塞曼效应讲义 教学方式及时间安排 讲解与实际操作，讲解35-45分钟，操作指导20分钟，学生动手操作120分钟,共200 分钟,4个学时。 一、实验的目的： 1.过观查塞曼效应现象，了解塞曼效应是由于电子的轨道磁矩与自旋磁矩共同受到外磁 场作用而产生的。证实了原子具有磁矩和空间取向量子化的现象，进一步认识原子的内部结 构。并把实验结果和理论进行比较。 2.掌握法布里—珀罗标准具的原理和使用，了解使用CCD 及多媒体计算机进行实验图 象测量的方法。 19世纪伟大的物理学家法拉第研究电磁场对光的影响，发现了磁场能改变偏振光的偏 振方向。1896年荷兰物理学家塞曼（Pieter Zeeman ）根据法拉第的想法，探测磁场对谱线 的影响，发现钠双线在磁场中的分裂。 洛仑兹跟据经典电子论解释了分裂为三条的正常塞 曼效应。由于研究这个效应，塞曼和洛仑兹共同获得了1902年的诺贝尔物理学奖。他们这 一重要研究成就，有力的支持了光的电磁理论，使我们对物质的光谱、原子和分子的结构有 了更多的了解。至今塞曼效应仍是研究能级结构的重要方法之一。 一、塞曼效应的原理 当发光的光源置于足够强的外磁场中时，由于磁场的作用，使每条光谱线分裂成波长很 靠近的几条偏振化的谱线，分裂的条数随能级的类别而不同，这种现象称为塞曼效应。 正常塞曼效应谱线分裂为三条，而且两边的两条与中间的频率差正好等于eB/4πmc ，可用经 典理论给予很好的解释。但实际上大多数谱线的分裂多于三条，谱线的裂矩是eB/4πmc 的 简单分数倍，称反常塞曼效应，它不能用经典理论解释，只有量子理论才能得到满意的解释。 1．原子的总磁矩与总动量距的关系 塞曼效应的产生是由于原子的总磁矩（轨道磁矩和自旋磁矩）受外磁场作用的结果。在 忽略核磁矩的情况下，原子中电子的轨道磁矩μL 和自旋磁矩μS 合成原子的总磁矩μ，与电子 的轨道角动量P L ，自旋角动量P S 合成总角动量P J 之间的关系，可用矢量图1来计算。 已知： μL =（e /2m ）P L P L = π 2h )1(+L L （1） μS =（e/m ）p s P S =π2h )1(+S S （2） 式中L, S 分别表示轨道量子数和自旋量子数，e, m 分别为电子的电荷和质量。 由于μL 和P L 的比值不同于μS 和P S 的比值，因此，原子的总磁矩μ不在总角动量P J 的延 长线上，因此μ绕P J 的延线旋进。μ只在P J 方向上分量μJ 对外的平均效果不为零，在进行矢 量迭加运算后，得到有效μJ 为： J μ=g m e 2P J （3） 其中g 为朗德因子，对于LS 耦合情况下 g=1+ )1(2)1()1()1(++++-+J J S S L L J J （4）