能級躍遷的模擬實驗探究

黎文藝

【摘 要】介紹一種模擬能級躍遷規律的實驗模型，并從物理教學論的角度分析模擬實驗的理論依據、實驗要點和實驗的意義。以類比的形式把能級躍遷規律直觀地展現給學生，使學生獲得足夠的感性認識，從而正確地理解和掌握概念、規律。

【關鍵詞】能級躍遷 模型 模擬實驗

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2016）05B-0098-02

能級軌道的思想和躍遷規律是學生接觸近代物理學的第一站，因此讓學生形成正確的概念、熟練掌握規律，并接受量子的思想顯得尤為重要。但是能級軌道和躍遷規律描述的是遠離日常生活經驗的抽象的原子世界，甚至它的現象和規律與之前學習的經典物理學的某些規律是相互抵觸的，學生難于接受，更難于理解。因此，對于看不見，也摸不著的微觀世界，如何將它的現象在宏觀世界簡便地表現出來，讓學生易于學習、樂于探索，又不太為難學生，是物理教育者需要研究的問題。

筆者正是為了解決上述的問題，精心設計了能級躍遷的模擬實驗，以期能夠對該知識點的教學做出有益的探索。

一、實驗內容

（二）實驗材料和裝置

直徑為2.5cm的鋼球若干，約2米長的可彎曲的滑軌，滑軌的軌道寬度要適度，以使得鋼球能自如地在滑軌上運動，木板、鐵釘等作為制作支架的材料。

（二）實驗設計

1.用木板作為支架，利用鐵釘固定，將滑軌彎曲成如下圖的形狀。滑軌的左側傾角要選擇適當，使得放在上面的鋼球有足夠的動能將處于最低位置（基態）的“電子鋼球”打出軌道之外。在彎曲軌道處，要特別注意能級梯度的設計，要直觀地顯現出“能級”的梯度。

2.把鋼球放在任意的位置上，就代表相應的一個光子，高度越高鋼球的重力勢能越大，對應的“光子”能量就越大。

3.將一個鋼球放在最低點的凹槽部位，代表氫原子內部的電子，處于基態，即處于最低點時。

二、實驗設計的理論依據

（一）形成概念、掌握規律

在中學物理教學中，使學生形成清晰的物理概念，準確地掌握物理規律，是中學物理教學的核心問題。一般說來，必須從感覺和經驗開始，即生動直觀是形成概念掌握規律的基礎。軌道量子化、能級、能級躍遷、光量子等是量子理論中最基礎的概念，更重要的是它們是中學生初次接觸量子思想的載體，它的教育意義不可輕視。但是這部分內容抽象而又深奧，課堂上單靠教師的口頭講授顯得蒼白無力，學生無法獲取足夠的知識信息。

鑒于此，筆者設計了該部分的模擬實驗用于課堂教學，把能級躍遷的規律生動、形象地展現在學生面前，使學生獲得精心設計的感性認識，更深刻地理解所學的新內容，激發學生的學習興趣。

（二）模擬實驗展示能級躍遷規律

本模型用階梯代表能級、鋼球代表光子、被撞擊的鋼球代表電子，這些都有極強的類比和關聯性，它與彈性碰撞的過程具有相似性和可比性。因此基于此設計的模擬實驗可以定性地給出能級躍遷及電離的五個規律。現分析如下：

1.光具有粒子性，能量是一份一份的，用鋼球表示光子本身就具備了很好的說明性。但要注意說明是愛因斯坦的光粒子，而不是牛頓的光粒子，以免學生造成誤解。

2.氫原子的狀態不是連續的，而是分立的。模擬實驗中，階梯代表能級軌道。底部的鋼球代表電子，被“激發”后處于某個階梯上的鋼球具有的重力勢能是固定的，即代表電子處于固定的軌道上有固定的能量。

3.入射光子只有滿足固定的頻率（即具有一定的能量）才能被電子吸收。光子的頻率太低或者過高都無法使電子發生躍遷。模擬實驗中代表光子的鋼球只有放在某個固定的位置上才能使“電子”躍遷到相應的“能級”。

4.當入射光子的能量足夠大時，將使電子脫離原子核的束縛，發生電離。在模擬實驗中“光子”在某一位置恰好使處于基態的“電子”發生電離；當“電子”處于激發態時，要使之恰好發生電離，“光子”也是處在另一相對較低的固定位置。

5.模擬實驗中代表光子的鋼球的位置越高，表示“光子”的能量越大，碰撞后越出軌道之外的“電子”的初速度越大，即初動能越大。所以，該實驗模擬裝置又可以作為光電效應的模擬實驗。這個模型將波爾理論的能級思想和能級躍遷規律與光電效應聯系在一起，整合為一個相對完整的知識體系，幫助學生將知識總結歸納合理化，形成系統。

三、實驗要點

該實驗設計以教師演示為主，幫助教師對知識規律進行講解，通過觀察幫助學生理解和掌握知識；以學生參與實驗為輔。演示是教師引導式地向學生講解知識理論，參與是為了學生自主探索，加深對概念的理解和對規律的掌握。實驗的設計著重于學生類比、聯系、推理、建模等思維活動，將知識鞏固系統化。因此，要注意以下幾點：

1.在設計裝置時，教師應當提前將使“電子”躍遷到第一能級、第二能級的“光子”位置做標記，找出剛好能使“電子”電離的“光子”位置，做上標記。

2.只有一定頻率的“光子”能使“電子”躍遷到“第一能級”。實驗時，為了節省時間，要注意在先前標記的位置附近進行嘗試實驗，讓學生發現恰好使“電子”躍遷到“第一能級”的“光子位置。

3.讓學生自主實驗，找出使處于基態的“電子”躍遷到“第二能級”的“光子”和剛好使“電子”電離的“光子”。

4.觀察實驗，“電子”離開軌道時的狀態，比較不同“光子”入射，“電子”電離后的初速度大小。進行實驗后，學生將會得出“光子”的能量越大，“電子”離開軌道時的初速度越大的結論。那么接著引導學生思考，使之與光電效應聯系起來。問學生，該模擬裝置能否用來模擬光電效應，它的道理如何，應該怎么樣用它來解釋光電效應，該怎么做。

5.讓學生根據實驗過程獨立歸納總結實驗規律，使之與能級躍遷規律類比。

6.完成實驗后，可以讓學生進行討論，進行這樣的模擬實驗好不好，同學們是否想過微觀世界的規律，我們可以通過宏觀的實物進行模擬。教師所設計的這個實驗模型是否幫助了你對量子現象的理解，讓學生提出該模型還有哪些缺陷，或者還可以模擬哪些規律。集思廣益，不斷地完善模型。

該模型確實還存在一定的局限性，使用模型來模擬規律進行教學也是不得已而為之，至少它填補了學生對微觀世界感性接觸的空白。物理模型不是封閉的模型，而是開放的模型，教學中也可以讓學生積極參與分析和思考，不斷地完善我們的物理實驗。

四、結束語

中學生學習物理，形成概念、掌握規律是一個十分復雜的認識過程。因此，我們就應該從物理實驗著手，加強實驗，特別是對于日常生活當中學生難于見到的、無法接觸的內容，我們應當精心設計實驗進行教學，使學生獲得豐富的感性知識，形成鮮明的物理圖景，為學生建立正確的概念、掌握規律奠定結實的基礎。本模擬實驗就是這樣一個精心設計的實驗。

這個模擬實驗是筆者從美國高中物理教材中的光電效應的模擬實驗中受到啟發想到的，或者說是筆者對該模型的創新改進，然后用于能級躍遷理論的教學。在物理教育方面，國外的許多教學方法是值得我們借鑒的，特別是在現在進行課改的大背景下，更應值得探索學習。

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