夫蘭克—赫茲實驗的新授課模式

范喆

摘要：提出了夫蘭克—赫茲實驗新的授課模式 ，學生在反向拒斥電壓的理解上容易存在難點針對這一情況新的授課模式將難點融入課堂討論，根據實驗結果使學生自行加深了理解和印象。

作為大學物理實驗中的基礎項目，夫蘭克-赫茲實驗主要驗證了玻爾的原子理論方面的相關知識。所以同學們往往認為夫蘭克和赫茲做的這個實驗完全是由于有了玻爾的原子理論，之后為了驗證它才進行的。但是實際上1911年夫蘭克和赫茲兩位科學家為了觀察汞氣體放電現象，就進行了電子與汞氣體原子的碰撞實驗，而玻爾的原子理論是在1913年才提出的。1914年5月夫蘭克和赫茲發表了有關汞氣體電離電勢的第一篇論文，其中并沒有提到玻爾的原子理論。[1]

目前我們在給學生授課時往往只會強調玻爾理論的提出時間和夫蘭克-赫茲實驗的完成時間，因此往往容易引起這樣的誤會。為了理清學生對這方面物理史的理解，另外也為了引導學生對于實驗具體結論的深層次思考，我們采取了與以往不同的新的授課模式。

平時的此類課程中，重點在于老師講授玻爾理論的基本原理，即原子只能較長久地停留在一些穩定狀態（即定態），其中每一狀態對應一定的能量，其數值是彼此分離的。原子的核外電子在能級間進行躍遷時要吸收或發射定值的能量。原子與具有一定能量的電子發生碰撞，就可以使原子從低能級躍遷到高能級。新模式的重點則放在討論這個實驗除了應用汞氣原子之外，還可以采用什么氣體原子與電子碰撞，引導同學們適時想到氬原子等。

接下來引導同學查閱資料了解夫蘭克-赫茲實驗的初衷和其恰好驗證了玻爾理論的巧合性。讓同學們對這個實驗產生濃厚的興趣。并更進一步引導學生自發考慮實驗的可行性方案，并親身動手設計出合理的操作步驟和規程。這一步是課堂上的重點和難點，往往需要教師再三啟發，但是一旦完成，后續的實驗過程往往非常順利。

最后，完成基本實驗的同學們分組實踐并討論下各個參數對于最終結果的影響。例如正常充氬FH管在沒有反向拒斥電壓UG2A時，陽極電流I隨著加速電壓的增大，其幅度整體呈上升趨勢，但有較小的振蕩已經表現出了峰谷特征 這種較小的幅度振蕩體現了氬氣的作用[2]。這一步的實驗結果也澄清了教學中一個比較困惑的問題，即并非不加拒斥電壓，陽極電流就會呈現為一條直線 真實的情況是：不加拒斥電壓，則陽極電流，也會有峰谷的特征只是不夠明顯[3]。具體可見下頁圖示。另外，有關燈絲電壓對實驗結果的影響，掃描增益的影響，均可由學生們親身實踐。學生們在自主思考，自主實踐的基礎上會對實驗原理有更深的認識及體會.

[2]

綜上所述，通過采用新的教學模式，學生們對該實驗的興趣大增，動手和動腦能力同步得到了很大提高。更好地解決了教學中容易出現的有關拒斥電壓等理解的難點和誤區。

參考文獻：

[1]夫蘭克—赫茲實驗的理論探討 廣東第二師范學院學報 2014年10月Vol34（5）：58-59

[2]三步法講解夫蘭克—赫茲實驗原理 蒲賢潔 叢楊 何光宏 韓忠 大學物理實驗 2017年4月Vol30（2）：83-85

[3]夫蘭克—赫茲實驗中管極電壓對實驗曲線影響的研究[J].實驗室研究與探索 2015年34（6）：59-62.