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，根據實驗室現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》是物理學本科專業的一門專業平臺課程，是物理類專業本科生繼普通物理實驗之后的一門重要的專業實驗課程。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， 傳統的實驗內容在教學中占較大比重。如何根據實驗室現有的實驗條件，并針對學生的特點，在實驗教學中對實驗內容和方法進行設計和研究， 以培養學生的創新意識和創新能力是值得思考和關注的問題。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，從而培養學生的創新性能力。[1]

一、教改的思路和實現

《近代物理實驗》課程中的實驗項目現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。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實驗室現有的實驗設備、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化各個實驗參數，如何選擇最佳工作狀態，在實驗結果分析中怎樣根據實驗數據合理推理分析給出新的物理現象。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，根據實驗室現有的配件，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，就是根據物質的吸收光譜研究物質的成分、結構和物質間相互作用的設備，其關鍵在于得到物質的吸收光譜，即物質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，相應地發生了分子振動能級躍遷和電子能級躍遷的結果。由于各種物質具有各自不同的分子 、原子和不同的分子空間結構，其吸收光能量的情況也就不會相同，因此，每種物質就有其特有的、固定的吸收光譜曲線，可研究物質的成分、結構和物質間相互作用，并根據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的含量。因許多物質在紫外-可見光區有特征吸收峰，所以可用紫外分光光度法對這些物質分別進行測定（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和基礎。當入射光波長一定時，溶液的吸光度A是吸光物質的濃度C及吸收介質厚度L（吸收光程）的函數。

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的對數，用A表示，即A = lg（1/T） = lg（I0/It）。可見，紫外分光光度計對物質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、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、結構及使用方法。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，要求學生根據實驗室現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容：

1.自學紫外分光光度計相關知識；

2.實驗前進實驗室實地查看的現有設備與配件，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學生的創新能力，提高實驗動手能力，并加深學生對光度計相關原理的理解及進一步掌握光度計的測試技能。

結語

通過近代物理實驗教學方式的調整和改革， 學生不再是消極地接受知識， 對傳統的實驗僅僅進行驗證， 而是根據實驗目的， 設計出實驗方案， 并將實驗方案在實驗室中得以實施和優化。這樣就激發了學生的學習積極性， 將傳統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容， 對相關的儀器設備有了更深入的理解， 而且通過選擇設備、優化實驗方案等有效地培養了他們的創新意識和能力。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，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，電子工業出版社，2005