近代物理實驗中對實驗項目的進一步拓展與設計

吳海飛

摘 要：在《近代物理實驗》課程中，在原有實驗項目基礎上進行進一步設計與拓展，延伸為設計性實驗。以“光柵光譜儀的拓展使用”為例， 要求學生自學“紫外分光光度計”的原理，根據(jù)實驗室現(xiàn)有的組合式光柵光譜儀、氘燈、氘燈電源等設備自行設計并搭建一臺紫外分光光度計，并利用設計的紫外分光光度計分析乙醇的吸收光譜特性。

關(guān)鍵詞：近代物理實驗 設計性實驗 教學改革

引言

《近代物理實驗》是物理學本科專業(yè)的一門專業(yè)平臺課程，是物理類專業(yè)本科生繼普通物理實驗之后的一門重要的專業(yè)實驗課程。它介于普通物理實驗與科學研究性實驗之間，具有承上啟下的作用，同時也是一門理論起點較高、綜合性和技術(shù)性較強的實驗課。目前在《近代物理實驗》課程中開設的實驗項目大多是一些在近代物理學發(fā)展史上具有里程碑作用的著名實驗， 如塞曼效應、原子光譜和X 射線衍射等，大都還停留在驗證性實驗的水平， 傳統(tǒng)的實驗內(nèi)容在教學中占較大比重。如何根據(jù)實驗室現(xiàn)有的實驗條件，并針對學生的特點，在實驗教學中對實驗內(nèi)容和方法進行設計和研究， 以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力是值得思考和關(guān)注的問題。本文將“光柵光譜儀的拓展使用”為例， 淺談怎樣在原有實驗項目基礎上進行進一步設計與拓展，延伸為設計性實驗，從而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性能力。[1]

一、教改的思路和實現(xiàn)

《近代物理實驗》課程中的實驗項目現(xiàn)有教學還主要遵循預習、實驗、完成實驗報告三步曲模式，實驗過程中大多還是教師將實驗原理、實驗步驟、儀器操作方法等進行較為詳細的講解，導致學生思考太少，不利于學生能力的培養(yǎng)。我們應該改變這種灌輸式的以教師為主導的教學模式，在《近代物理實驗》中真正按照科學研究實驗的方式來培養(yǎng)學生的科研能力，在提出實驗目的的前提下，讓學生自己思考如何如何根據(jù)實驗室現(xiàn)有的實驗設備、配件設計一個合理的實驗方案以達到提出的實驗目的，在實驗方案實施過程中如何優(yōu)化各個實驗參數(shù)，如何選擇最佳工作狀態(tài)，在實驗結(jié)果分析中怎樣根據(jù)實驗數(shù)據(jù)合理推理分析給出新的物理現(xiàn)象。下面我們將以“光柵光譜儀的拓展使用”為例，要求學生在“光柵光譜儀使用”這個基礎實驗項目的基礎上，根據(jù)實驗室現(xiàn)有的配件，自行設計并搭建一臺紫外分光光度計，并利用設計的紫外分光光度計分析乙醇的吸收光譜特性，從而說明如何將科學研究實驗應有的要求融入到《近代物理實驗》項目中。[2]

紫外分光光度計，就是根據(jù)物質(zhì)的吸收光譜研究物質(zhì)的成分、結(jié)構(gòu)和物質(zhì)間相互作用的設備，其關(guān)鍵在于得到物質(zhì)的吸收光譜，即物質(zhì)中的分子和原子吸收了入射光中的某些特定波長的光能量，相應地發(fā)生了分子振動能級躍遷和電子能級躍遷的結(jié)果。由于各種物質(zhì)具有各自不同的分子 、原子和不同的分子空間結(jié)構(gòu)，其吸收光能量的情況也就不會相同，因此，每種物質(zhì)就有其特有的、固定的吸收光譜曲線，可研究物質(zhì)的成分、結(jié)構(gòu)和物質(zhì)間相互作用，并根據(jù)吸收光譜上的某些特征波長處的吸光度的高低判別或測定該物質(zhì)的含量。因許多物質(zhì)在紫外-可見光區(qū)有特征吸收峰，所以可用紫外分光光度法對這些物質(zhì)分別進行測定（定量分析和定性分析）。紫外分光光度法使用基于朗伯-比耳定律，即光吸收的基本定律，俗稱光吸收定律，是分光光度法定量分析的依據(jù)和基礎。當入射光波長一定時，溶液的吸光度A是吸光物質(zhì)的濃度C及吸收介質(zhì)厚度L（吸收光程）的函數(shù)。

設入射光強度為I0，吸收光強度為Ia，透射光強度為 It，反射光強度為Ir，則 I0 = Ia+ It+ Ir，由于反射光強度很弱，其影響很小，上式可簡化為：I0 = Ia+ It，透光度為透過光的強度It與入射光強度I0之比，用T表示，即T = It/I0，吸光度為透光度倒數(shù)的對數(shù)，用A表示，即A = lg（1/T） = lg（I0/It）。可見，紫外分光光度計對物質(zhì)進行定量和定性分析的核心是測量入射光強度I0和透過光的強度It。而光柵光譜儀就是專門用來確定并分析未知光源光譜特性（包括強度信息）的設備。實驗室已有的 WGD-8A 組合式光柵光譜儀由光柵光譜儀、接收單元、掃描系統(tǒng)、電子放大器、A/D 采集單元、計算機組成，且光柵光譜儀的各個組件均為可拆卸式設計，在開設的“光柵光譜儀使用”基礎實驗項目中，學生已掌握了光柵光譜儀的原理、結(jié)構(gòu)及使用方法。此外，實驗室已配有氘燈、氘燈電源、吸收池等配件，氘燈可作為紫外光光源，吸收池可承載溶液。

作為實驗項目的拓展，要求學生根據(jù)實驗室現(xiàn)有的組合式多功能光柵光譜儀、氘燈、氘燈電源、吸收池等設備自行設計并搭建一臺紫外分光光度計，并利用設計的紫外分光光度計分析乙醇的吸收光譜特性。

提出以下具體要求和實驗內(nèi)容：

1.自學紫外分光光度計相關(guān)知識；

2.實驗前進實驗室實地查看的現(xiàn)有設備與配件，自行設計“搭建紫外分光光度計”的方案，在實驗課上課前，進行方案可行性的討論。

3.根據(jù)討論的最佳設計方案搭建紫外分光光度計，并配置一固定濃度的酒精溶液，測量并得出酒精溶液的透射光譜和吸收光譜，并對得出的譜圖進行分析。

此實驗目的在于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，提高實驗動手能力，并加深學生對光度計相關(guān)原理的理解及進一步掌握光度計的測試技能。

結(jié)語

通過近代物理實驗教學方式的調(diào)整和改革， 學生不再是消極地接受知識， 對傳統(tǒng)的實驗僅僅進行驗證， 而是根據(jù)實驗目的， 設計出實驗方案， 并將實驗方案在實驗室中得以實施和優(yōu)化。這樣就激發(fā)了學生的學習積極性， 將傳統(tǒng)的驗證性實驗變成了研究性實驗， 這不僅使同學們牢固地掌握了所學內(nèi)容， 對相關(guān)的儀器設備有了更深入的理解， 而且通過選擇設備、優(yōu)化實驗方案等有效地培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新意識和能力。這種實驗教學方式收到了同學們的好評。

參考文獻

[1]于常青、李家澤等，光學多通道分析儀的分辨本領分析，光學技術(shù)，2001（27）

[2]張燕、方利廣等，WGD-8A 型多功能光柵光譜儀與分辨本領分析，江西科學，2005（05）

[3]王慶有，光電技術(shù)，電子工業(yè)出版社，2005