吳海飛

摘 要：在《近代物理實(shí)驗(yàn)》課程中，在原有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)與拓展，延伸為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。以“光柵光譜儀的拓展使用”為例， 要求學(xué)生自學(xué)“紫外分光光度計(jì)”的原理，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的組合式光柵光譜儀、氘燈、氘燈電源等設(shè)備自行設(shè)計(jì)并搭建一臺(tái)紫外分光光度計(jì)，并利用設(shè)計(jì)的紫外分光光度計(jì)分析乙醇的吸收光譜特性。

關(guān)鍵詞：近代物理實(shí)驗(yàn) 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn) 教學(xué)改革

引言

《近代物理實(shí)驗(yàn)》是物理學(xué)本科專業(yè)的一門(mén)專業(yè)平臺(tái)課程，是物理類專業(yè)本科生繼普通物理實(shí)驗(yàn)之后的一門(mén)重要的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程。它介于普通物理實(shí)驗(yàn)與科學(xué)研究性實(shí)驗(yàn)之間，具有承上啟下的作用，同時(shí)也是一門(mén)理論起點(diǎn)較高、綜合性和技術(shù)性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)課。目前在《近代物理實(shí)驗(yàn)》課程中開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大多是一些在近代物理學(xué)發(fā)展史上具有里程碑作用的著名實(shí)驗(yàn)， 如塞曼效應(yīng)、原子光譜和X 射線衍射等，大都還停留在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的水平， 傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在教學(xué)中占較大比重。如何根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，并針對(duì)學(xué)生的特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究， 以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力是值得思考和關(guān)注的問(wèn)題。本文將“光柵光譜儀的拓展使用”為例， 淺談怎樣在原有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)與拓展，延伸為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性能力。[1]

一、教改的思路和實(shí)現(xiàn)

《近代物理實(shí)驗(yàn)》課程中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目現(xiàn)有教學(xué)還主要遵循預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)、完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告三步曲模式，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中大多還是教師將實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、儀器操作方法等進(jìn)行較為詳細(xì)的講解，導(dǎo)致學(xué)生思考太少，不利于學(xué)生能力的培養(yǎng)。我們應(yīng)該改變這種灌輸式的以教師為主導(dǎo)的教學(xué)模式，在《近代物理實(shí)驗(yàn)》中真正按照科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的科研能力，在提出實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡那疤嵯拢寣W(xué)生自己思考如何如何根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、配件設(shè)計(jì)一個(gè)合理的實(shí)驗(yàn)方案以達(dá)到提出的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，在?shí)驗(yàn)方案實(shí)施過(guò)程中如何優(yōu)化各個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如何選擇最佳工作狀態(tài)，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析中怎樣根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(xué)生在“光柵光譜儀使用”這個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的配件，自行設(shè)計(jì)并搭建一臺(tái)紫外分光光度計(jì)，并利用設(shè)計(jì)的紫外分光光度計(jì)分析乙醇的吸收光譜特性，從而說(shuō)明如何將科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)應(yīng)有的要求融入到《近代物理實(shí)驗(yàn)》項(xiàng)目中。[2]

紫外分光光度計(jì)，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(shè)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(zhǎng)的光能量，相應(yīng)地發(fā)生了分子振動(dòng)能級(jí)躍遷和電子能級(jí)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(huì)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(zhǎng)處的吸光度的高低判別或測(cè)定該物質(zhì)的含量。因許多物質(zhì)在紫外-可見(jiàn)光區(qū)有特征吸收峰，所以可用紫外分光光度法對(duì)這些物質(zhì)分別進(jìn)行測(cè)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(chǔ)。當(dāng)入射光波長(zhǎng)一定時(shí)，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(shè)入射光強(qiáng)度為I0，吸收光強(qiáng)度為Ia，透射光強(qiáng)度為 It，反射光強(qiáng)度為Ir，則 I0 = Ia+ It+ Ir，由于反射光強(qiáng)度很弱，其影響很小，上式可簡(jiǎn)化為：I0 = Ia+ It，透光度為透過(guò)光的強(qiáng)度It與入射光強(qiáng)度I0之比，用T表示，即T = It/I0，吸光度為透光度倒數(shù)的對(duì)數(shù)，用A表示，即A = lg（1/T） = lg（I0/It）?？梢?jiàn)，紫外分光光度計(jì)對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定量和定性分析的核心是測(cè)量入射光強(qiáng)度I0和透過(guò)光的強(qiáng)度It。而光柵光譜儀就是專門(mén)用來(lái)確定并分析未知光源光譜特性（包括強(qiáng)度信息）的設(shè)備。實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)組成，且光柵光譜儀的各個(gè)組件均為可拆卸式設(shè)計(jì)，在開(kāi)設(shè)的“光柵光譜儀使用”基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，學(xué)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的拓展，要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(shè)備自行設(shè)計(jì)并搭建一臺(tái)紫外分光光度計(jì)，并利用設(shè)計(jì)的紫外分光光度計(jì)分析乙醇的吸收光譜特性。

提出以下具體要求和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

1.自學(xué)紫外分光光度計(jì)相關(guān)知識(shí)；

2.實(shí)驗(yàn)前進(jìn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)地查看的現(xiàn)有設(shè)備與配件，自行設(shè)計(jì)“搭建紫外分光光度計(jì)”的方案，在實(shí)驗(yàn)課上課前，進(jìn)行方案可行性的討論。

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

此實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谂囵B(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，提高實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，并加深學(xué)生對(duì)光度計(jì)相關(guān)原理的理解及進(jìn)一步掌握光度計(jì)的測(cè)試技能。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的調(diào)整和改革， 學(xué)生不再是消極地接受知識(shí)， 對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)僅僅進(jìn)行驗(yàn)證， 而是根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)方案， 并將實(shí)驗(yàn)方案在實(shí)驗(yàn)室中得以實(shí)施和優(yōu)化。這樣就激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性， 將傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)變成了研究性實(shí)驗(yàn)， 這不僅使同學(xué)們牢固地掌握了所學(xué)內(nèi)容， 對(duì)相關(guān)的儀器設(shè)備有了更深入的理解， 而且通過(guò)選擇設(shè)備、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案等有效地培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新意識(shí)和能力。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式收到了同學(xué)們的好評(píng)。

參考文獻(xiàn)

[1]于常青、李家澤等，光學(xué)多通道分析儀的分辨本領(lǐng)分析，光學(xué)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(lǐng)分析，江西科學(xué)，2005（05）

[3]王慶有，光電技術(shù)，電子工業(yè)出版社，2005