計算模擬在“近代物理實驗”教學中的應用

摘 要 “近代物理實驗”是物理類專業的一門必修課程，結合近代物理實驗課程的特點以及培養目標，將前沿的科學研究思想和方法引入到教學實踐是實驗課程改革的重要方向之一。本文介紹了我校在近代物理實驗中開設計算模擬實驗，以常規光電效應實驗內容為基礎設計物理建模和模擬內容，通過研究光電陰極材料的結構和特性增強基礎實驗的內涵和深度，加深學生對相關物理概念、計算模擬過程與思路的理解掌握，提高學生的科創水平，提升綜合應用知識的能力，為高校實驗課程改革提供一定的參考價值。

關鍵詞 近代物理實驗;光電效應;物理建模;計算模擬

物理學是一門以實驗為基礎的學科，物理實驗教學在物理專業學生的培養中具有非常重要的作用。我校“普通物理實驗”針對低年級（大一、大二）物理專業學生開設，主要涉及力、熱、電、光等基礎實驗，向學生傳授實驗設計思想、實驗方法，培養學生的動手實踐能力，提升科學素養。《近代物理實驗》面向物理專業高年級學生（大三），課程更多強調物理思想的建立，科學思維的鍛煉，綜合能力的提高。近年來隨著科學技術的快速發展，大學教育的教學內容和模式進入了革新階段，這就要求在物理實驗課程中也與時俱進地注入教學新理念和教學新模式[1]，在教學實踐中更加注重培養學生的工程思維、創新意識和獨立分析問題、解決問題的綜合能力。

利用計算機進行計算模擬是解釋實驗現象、驗證假說、優化實驗或工程設計、解決復雜物理問題的一種新興科學研究方法，已被廣泛應用于物理、材料、化學、生物制藥、機械等領域[2，3]。計算模擬對實驗場所要求較低，不受時空的限制，因此在教學中可廣泛開展，許多高校已經開始在一些專業課程的教學中利用計算模擬將抽象的物理化學過程進行再現，使學生在深入理解相關專業概念的同時了解計算模擬，培養學生的分析能力和創新能力，開拓研究性思維[4-7]。另外計算模擬實驗可以綜合應用量子力學、固體物理、計算物理等相關專業知識，因此，在物理類高年級《近代物理實驗》課程中，我們設計了以基礎實驗為立足點，開設使用計算模擬方法的研究性實驗內容，通過建模計算、數據分析等環節激發學生的學習興趣，將理論用于實踐，培養科研思維，提升科學實驗素養，開闊思維和眼界。

光電效應實驗在物理學發展史上具有里程碑意義。自1887年赫茲發現光電效應以來，許多研究者對光電效應理論及實驗進行了深入的研究。利用光電效應制造的光電轉換器可以實現光信號與電信號之間的相互轉換，這些光電轉換器如光電管、光敏電阻、光電耦合器、光敏二極管、光電池、光電倍增管等已廣泛應用于電影、電視、制造、醫療、環保、紅外探測、光纖通信、自動控制等領域。在華東理工大學《普通物理實驗》中開設了光電效應相關實驗，實驗內容包括記錄光電管光伏特性曲線，讀取閾值電壓計算普朗克常數，通過實驗實踐理解和掌握光電效應的原理和科學規律。為了開拓科創思維，將前沿研究方法引入實驗教學，在《近代物理實驗》中我們設計了一個與光電效應相關的使用計算模擬的探究型實驗，使學生通過計算模擬深入研究光電效應實驗背后的物理機理。相關的實驗內容主要包括以理論計算輔助研究光電陰極材料的結構和特性，通過計算材料功函數加深對其物理概念的理解，掌握以理論計算篩選陰極材料的原理和方法，了解計算模擬用于科學研究的基本思路，學時為4學時。將計算機模擬手段與實驗教學相結合，可在學生通過實驗驗證光電效應規律的基礎上，深入理解實驗現象背后的物理實質及實驗設計思路，了解相關操作，實現數字化賦能實驗教學，培養學生的創新思維和科研素養，以及利用現代信息化手段解決復雜問題的能力，實現高質量教學。

1 實驗內容

光電效應測試儀中光電管的常用陰極材料有銀銫氧（Ag-Cs-O）和銻銫（Sb-Cs）等[8]，其中銀銫氧是最早出現的一種實用光電陰極材料，對可見光和近紅外敏感，我校光電效應測試儀中光電管使用的即為此類陰極材料。新設實驗要求學生通過計算模擬來分析判斷陰極材料中Ag、O、Cs三種元素的可能結合方式，比如是形成了三元化合物還是構建了異質結構，使用密度泛函理論計算結構的功函數及其他物理性質，判斷是否能產生光電效應并分析原因。目前，基于量子力學原理的密度泛函理論（Density Functional Theory，DFT）是研究材料多電子體系電子結構的一種普遍方法[9]。這種計算模擬方法可以預測材料的結構參數和物理化學性質，通過與實驗結果進行對比能進一步解釋實驗現象的本質和反應[10，11]。通過該實驗使學生初步了解計算模擬方法、計算思路以及核心物理概念，進而理解計算模擬的原理和作用，培養學生的團隊協作、自主學習、科研分析、創新思維等多項能力，提高科研素養。

2 計算模擬環節

整個模擬過程采用具有友好操作界面的MaterialsStudio （MS）軟件中Castep計算程序包完成，選用廣義梯度近似GGA 中的Perdew-Burke-Ernerhof（PBE）[12]。在結構弛豫過程中，收斂精度SCF取Fine，能量收斂標準為10-5eV/atom，贗勢選擇OTFG 超軟（OTFG ultrasoft），平面波截斷能設定為574eV，布里淵區采用5×5×1Monkhorst-Pack網格采樣，具體軟件界面及參數設置如圖1所示。真空層厚度為15? 來避免層間的相互影響。