近代物理实验

2024-09-23

近代物理实验（共9篇）

近代物理实验篇1

近代物理实验是物理类专业高年级学生继普通物理实验之后开设的一门必修课, 它内容广泛, 综合性强, 所涉及的知识面广, 具有较强的综合性和技术性。通过近代物理实验的学习, 不仅让学生验证物理规律, 进而掌握科学实验中一些常用的实验方法、实验技术、实验仪器和相关知识, 进一步提高大学生的实验技能, 培养良好的实验习惯和严谨的科学作风, 对大学生致力于科学研究有着十分重要的作用。

哈尔滨学院以往的近代物理实验存在诸多陈旧和不适应当前近代物理教学需求的问题, 须对实验教学体系进行改革, 减少验证性实验的比例, 增强综合设计性实验和探索研究性实验内容, 加开仿真实验。由于学院属于新建本科院校, 实验室建设基础比较薄弱。现有的实验室是在哈尔滨师范专科学校的近代物理实验室基础上, 在2000年合校后建立的。由于经费短缺, 大部分实验设备只订购了一两套, 许多仪器设备出现严重的损坏, 加之近代物理实验教学方法陈旧, 实验室设备严重滞后, 实验室建设远远落后于其他本科院校, 严重影响了近代物理实验教学效果和学生动手能力的培养和综合素质的提高。因此, 改革传统的近代物理实验教学体系势在必行。

一、构建科学的近代物理实验教学体系

1. 通过专业基础性实验培养学生良好的实验习惯

在实验时首先选择几个最常见的基本实验, 如光电效应与普朗克常量测定、夫兰克—赫兹实验、全息照相、密立根油滴实验等, 这些实验是近代物理实验的经典之作。要求学生在教师的指导下, 对一些基本的物理规律进行验证, 主要目的是让学生学习和掌握近代物理实验中的基本调整与操作技术, 计算机在近代物理实验中的应用及掌握数据处理的一般方法和对实验结果的评价等, 强调物理现象的观察和判断力的培养, 同时也可以培养学生良好的实验习惯和素质, 为后续的综合设计性实验、探索研究性实验打下良好的基础。

2. 通过综合设计性实验培养学生的创新精神

如微波段电子顺磁共振实验、核磁共振、微波的传输特性及基本参数测量等7个实验, 这些设计性实验在教师的指导下进行, 由教师给出题目, 推荐参考文献, 但并不具体讲解, 而是由学生先了解实验仪器、把握相关知识、设计实验方案、估算实验结果及不确定度, 确定使用的仪器、设备、工具、材料等, 然后完成实验。在实验的整个过程中, 无论从设备到材料, 从步骤到技巧, 可以说每一个环节都包含着创新意识, 这对学生智慧潜能的开发, 创新精神和创新能力的培养与提高大有裨益。综合设计性实验使学生的应用能力、综合运用各学科理论知识进行科学研究的能力得到训练和发展, 综合研究素质得到提高。

3. 通过探索研究性实验培养学生的科研能力

近代物理实验教学和科研相结合势在必行。及时转化科研成果和开展教学研究项目, 增加反映时代物理学和当代技术新成就的科研前沿、生产实际应用的研究创新性实验题目, 可以全面提高学生的科学素质、综合理论思维能力、动手能力及创新能力。

为积极推进研究性实验教学, 近几年, 学院加大实验教学经费的投入, 2012年投资数百万元购置光电子技术实验 (光电器件传感器综合测试系统、LD/LED光源测试仪、光电效应综合实验系统) 、光电信息实验系统、光纤传感实验系统等设备, 加强了实验教学的硬件建设, 逐步将科学研究理念渗入到近代物理实验教学中, 以科研促进教学, 大大地提高了实验教学质量。科技的日新月异要求学校为学生创造条件, 投入更多的经费购置新仪器, 增加实验配件和实验耗材, 鼓励学生发表论文, 制作用于实验教学的仪器, 逐步培养学生独立工作的能力和从事科研的能力, 为将来的工作打下坚实的基础。

4. 仿真实验应用到近代物理实验教学中

在近代物理实验教学过程中, 充分利用现代化教学手段, 采用计算机辅助教学开设仿真实验。利用计算机将实验设备、教学内容, 教师指导和学生的思考、操作有机地融合为一体, 弥补现有实验设备的不足和无实验设备带来的缺憾, 最大限度地满足学生的需求, 克服近代物理实验教学长期受到课堂、课时限制的困扰, 可使实验教学在时间和空间上得到延伸, 使学生对实验的物理思想和方法、仪器的结构和原理的理解达到实际难以实现的效果, 实现了培养动手能力、提高实验技能、深化物理知识的目的, 同时拓宽了学生的知识面, 激发了学生渴望获取科学知识和提高科研实践能力的热情, 充分体现了仿真实验的优点, 即直观性、可扩展性、可控性和可重复性, 极大地节省了实验设备的投资, 节省了学时。

二、改革近代物理实验的考试方法

对于学生实验成绩的考核与评价始终是实验教学的一个重要环节, 也是近代物理实验教学改革的难点之一, 为此, 我们注重把平时的实验考核与期末的实验考试结合起来, 平时的实验考核占总成绩的40%, 期末的实验考试占总成绩的60%。教师根据学生在平时的实验预习、实验操作以及实验报告情况给出每个实验的平时成绩, 然后综合每个实验的平时成绩作为平时总成绩。

期末闭卷笔试 (本项占总成绩的30%) , 试题均由实验教师准备, 内容包括实验基础理论 (含数据处理、计算实验结果、分析实验误差及其产生原因等) , 检查学生掌握实验的程度。

期末实验操作考试 (本项占总成绩的30%) , 学生抽签取得实验题目, 进行实际操作。最后, 教师根据学生实验操作情况以及学生的卷面回答情况进行评分。这种考试方法充分体现了实验考试注重实验操作与理论相结合的特点, 能培养学生的综合分析能力。

三、实验教学改革的初步成效

近几年, 我们对近代物理实验教学体系进行了改革, 经过逐步的探索与实践, 已取得初步的成效。拓展了近代物理实验教学内容, 突出了前沿物理的新技术应用于实验教学中, 更加体现了近代物理实验教学的新技术特色。不仅使学生加深了对物理知识原理的理解, 更使其掌握了现代物理的实验知识和技能, 理论知识与实践技能相互补充, 充分调动了学生的学习热情和学习的主动性, 提高了学生的学习兴趣。新的实验方式逐渐改变了近代物理实验传统的教学方式, 学生逐渐从实验中找到乐趣, 培养了他们的创新思维能力和科研能力, 许多学生在本科生阶段就参与科研活动和撰写学术论文。学生积极参与实验教学改革、教学资源开发和科技项目的研究, 提高了教学质量。通过设计性、研究性和综合性实验, 鼓励学生积极参加实验技能竞赛等措施, 吸引学生主动参与到实验教学中。例如学生可以自制实验仪器、设计新的实验项目及参与申请专利等。学生自主性学习的积极性得到很大提高, 有力地促进了近代物理实验教学改革。

四、结束语

近代物理实验教学体系改革是一项长期而复杂的系统工程, 涉及到诸多方面, 包括学校的资金投入和一定的课时调节;实验教师和技术人员的通力合作;实验教师应具有较广的知识面、丰富的理论知识、实验实践经验和创新精神。只要我们团结协作, 不断努力, 近代物理实验教学水平必将会得到提高。

摘要：近代物理实验存在诸多陈旧和不适应教学需求的问题, 需对实验教学体系进行改革, 以培养学生良好的实验习惯、创新的精神和科研的能力。

关键词：近代物理实验,教学体系,教学改革

参考文献

[1]刘海霞, 苗洪利, 盖磊.近代物理实验教学改革的研究与实践[J].大学物理, 2010, 4:55-58.

[2]高正彦.近代物理实验[M].济南:山东大学出版社, 1994.

[3]于翠芳.与科研相结合提高实验教学质量[J].实验技术与管理, 1997, 4 (2) .

近代物理实验篇2

班级：电科11-2班姓名：仝帅学号：201120906046 指导老师：丁昌江近代物理实验总结论文

班级：电科11-2班

姓名：仝帅

学号：201120906046

前言.......................................................................................................3

二、光电效应实验..............................................................................4

三、电光效应实验..............................................................................5

四、密立根油滴测电子电荷..............................................................6

五、微机夫兰克—赫兹实验..............................................................6

六、迈克尔逊干涉仪..........................................................................7

七、微波迈克尔逊干涉实验..............................................................8

八、微波布拉格晶体衍射实验..........................................................8

九、椭圆偏振仪测量薄膜厚度实验..................................................9

十、光泵磁共振实验..........................................................................9

十一、核磁共振实验........................................................................10

十二、微波顺磁共振实验................................................................11

十三、光栅光谱实验........................................................................11

十四、学习中的困难........................................................................11

1、实验仪器的不熟悉和仪器存在缺点....................................11

2、实验原理弄不清楚................................................................12

3、依赖性....................................................................................12

4、专业知识的不牢靠................................................................13

十五、实验的改进和反思................................................................13

十六、学习中的收获和快乐............................................................13

前言

本学期，根据课程的安排我首次接触了近代物理实验，包括微波迈克尔逊干涉实验、微波布拉格晶体衍射实验、椭圆偏振仪测量薄膜厚度实验、光泵磁共振实验、核磁共振实验、微波顺磁共振实验、光栅光谱实验等等。虽然实验课不算多，但我从中学到了很多，也是自己在大学实验学习形式的一次飞跃，从大一的听老师讲解和指导、大二的依赖到大三近代物理实验的独立探究。

物理学离不开实验，我感觉物理系给我最深的印象便是实验，尤其是近代物理实验更是一门综合性和技术性很强的课程，其实在物理实验中,影响实验现象的因素很多,产生的物理实验现象有时候也很复杂。要感谢老师们通过精心设计实验方案,严格控制实验条件等多种途径,以最佳的实验方式呈现物理问题,使我们能够达到预想的实验效果，也考验了我们的实际动手能力和分析解决问题的综合能力，物理实验课程的学习让我受益匪浅。

首先，我通过做实验了解了许多实验的基本原理和实验方法，加深了对理论课知识的理解，还学会了基本物理量的测量和数据处理分析的方法、基本实验仪器的使用等；其次，锻炼了我的实验操作动手能力，并且我也深深感受到做实验要具备科学认真的态度和创造性的思维。

物理系课程设置上选取的都是在物理学发展史上的著名实验和在实验方法和技术上有代表性的实验。对此我有以下体会：

一、实验内容涵盖广泛，涉及物理学的各学科，很多实验都与我们的理论课有关。

二、实验仪器设备很丰富！

但实验中也存在着很多问题，实验仪器有的由于老化就会造成实验很难成功，或者结果存在这很大的误差。就这些问题可能造成学生对实验的误读或者对实验结果的不能真正的了解！实验结果不准确！

一、微机声光效应实验

当超声波在介质中传播时，将引起介质的弹性应变作时间和空间上的周期性的变化，并且导致介质的折射率也发生相应变化。当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现象，这就是声光效应。有超声波传播的介质如同一个相位光栅！本实验探讨了超声波通过介质时会造成介质的局部压缩和伸长而产生弹性应变，该应变随时间和空间作周期性变化，使介质出现疏密相间的现象，如同一个相位光栅。当光通过这一受到超声波扰动的介质时就会发生衍射现象。这种现象称之为声光效应。在实验中，应用CCD光强分布测量仪等，通过改变超声波的频率和功率。分别实现了对激光束方向的控制和强度的调制；定量给出了声光偏转量的关系曲线和声光调制测量的关系曲线。本文就声光效应中的声光偏转原理和声光调制原理的现象及有关物理量进行定性或定量的分析。

二、光电效应实验

当一定频率的光照射到某些金属表面上时, 可以使电子从金属表面逸出,这种现象称为光电效应。根据爱因斯坦的光电效应方程有

hν=1/2 mvm2+ W

(1)其中ν为光的频率,h为普朗克常数,m和vm是光电子的质量和最大速度,W为电子摆脱金属表面的约束所需要的逸出功。

当阳极A电势为正,阴极K电势为负时,光电子被加速。当K电势为正,A电势为负时,光电子被减速;而当A、K之间的电势差足够大时，具有最大动能的光电子也被反向电场所阻挡,光电流将为零。此时,有

e U0 =1/2 mvm

2式中e为电子电量,U0 称为截止电压。

U0 =(hν-W)/e= h/e(ν-ν0)

式(4)表明,截止电压U0是入射光频率ν的线性函数,其直线的斜率等于h/e。可见,只要用实验方法测量不同频率光的截止电压,做出U0-ν图形,从图中求得直线的斜率h/e,即可求出普朗克常数h。另外,从直线和坐标轴的交点还可求出截止频率ν0。

其中h/e=(nΣviUvi-ΣviΣUvi)/(nΣvi2-(Σvi)2)

三、电光效应实验

本实验的目的是：

①掌握晶体电光调制的原理和试验方法；

②了解电光效应引起的晶体光学性质的变化，观察汇聚偏振光的干涉现象； ③学习测量晶体半波电压和电光常数的实验方法。

通过本实验我们不仅可以获得关于电光效应的基本知识，还对偏振光的干涉、信号的调制和传递有了具体的了解，对于示波器的使用及有关光路的调节有了更深一步的掌握。本实验通过列表法及图像法来处理实验数据，并对误差进行了分析在实验进行过程中进一步巩固所学的知识并吸取了更多的经验。

1.该实验的误差来源主要有以下几个方面：

①.由于人为原因导致光路不垂直，造成实验误差； ②.对仪器读数时造成的误差； ③.有仪器本身的误差造成的误差。

2.通过本实验，我基本掌握了晶体电光效应的实验方法。刚开始做实验的时候，因为上学期做过有关示波器的实验，所以对基本的示波器原理还有一些经验，但对于光路调节没只有在书上看到过示意图，所以还不是很熟悉，对各种光路仪器的用处都不了解，但后来在老师的讲解下才懂得了其使用方法。我觉得这是因为预习不够充分引起的，一方面对仪器的原理了解不够，一方面没有考虑到仪器的具体使用。做物理实验首先要理解其原理，再者怎么样利用实验仪器测出自己所需要的数据，如果不知道测什么，那么做实验也是白做的。相对于仪器的使用方法，我认为运用电光效应的思想方法更加重要。我觉得调节的光路是否等高共轴市实验成败的关键，通过巧妙调节近可能的减小误差，达到实验的成功。

我感觉上物理实验课的老师都比较有耐心，帮助我们解决实验中出现的各种情况，上课的时候讲解仔细，力求让我们明白这实验的目的和精髓。老师都比较负责。

四、密立根油滴测电子电荷

实验目的：

1.通过对带电油滴在重力场和静电场中运动的测量，验证电荷的不连续性，并测定电荷的电荷值e。

2.通过实验过程中，对仪器的调整、油滴的选择、耐心地跟踪和测量以及数据的处理等，培养学生严肃认真和一丝不苟的科学实验方法和态度。

3.和构思。

本实验中，至于油滴匀速下降的速度vg，可用下法测出：当两极板间的电压V为零时,设油滴匀速下降的距离为l，时间为t，则学习和理解密立根利用宏观量测量微观量的巧妙设想vgl

tg32d18l最后得到理论公式：q

bV2gt(1)gpa

五、微机夫兰克—赫兹实验

实验原理：

设氩原子的基态能量为E1，第一激发态的能量为E2，初速为零的电子在电位差为V0的加速电场的作用下，获得能量为eV0，具有这种能量的电子与氩原子发生碰撞，当电子能量eV0

在充氩的夫兰克—赫兹管中，电子由热阴极发出，阴极K和栅极G之间的加速电压VGK使电子加速。在板极A和栅极G之间加有减速电压VAG，管内电位分布如图二所示，当电子通过KG空间进入GA空间时，如果能量大于eVAG就能达到板极形成板流。电子在KG空间与氩原子发生了非弹性碰撞后，电子本身剩余的能量小于eVAG，则电子不能到达板极，板极电流将会随栅极电压增加而减少。实验时使VGK逐渐增加，仔细观察板极电压的变化我们将观察到如图三所示的IA～VGK曲线。

随着VGK的增加，电子能量增加，当电子与氩原子碰撞后还留下足够的能量，可以克服GA空间的减速场而到达板极A时，板极电流又开始上升。如果电子在KG空间得到的能量eV0=2E时，电子在KG空间会因二次弹性碰撞而失去能量，而造成第二次板极电流下降。

在VGK较高的情况下，电子在跑向栅极的路程中，将与氩原子发生多次非弹性碰撞。只要VGK＝nV0（n=1,2,„..），就发生这种碰撞。在IA～VGK曲线上将出现多次下降。对于氩，曲线上相邻两峰（或谷）对应的VGK之差，即为原子的第一激发电位。

如果氩原子从第一激发态又跃迁到基态，这就应当有相同的能量以光的形式放出，其波长可以计算出来：hυ＝eV0 实验中确实能观察到这些波长的谱线

六、迈克尔逊干涉仪

把迈克尔逊干涉仪的M1和M2调到垂直，移动M1可以改变空气膜的厚度，当M1接近M2’时厚度减小，直至二者重合时厚度为零，继续同向移动，M1还可以穿越M2’的另一侧形成空气膜。等倾干涉：2d=Kλ（k=1,2,3、、、、、、）

=(2k+1)λ/2（k=0，1,2,3、、、、、、）等厚干涉：相长干涉条件：2d-θ2d=kλ;若θ很小，θ2d可以忽略。移动M1可以使M1和M2’相交！在交线处d=0。

由于实验太多的限制，课本上的实验就不一一介绍了！

七、微波迈克尔逊干涉实验

通过用微波源代替光源，研究迈克尔逊干涉的基本原理，并测定微波的波长。微波的迈克尔逊干涉和光学的迈克尔逊干涉的基本原理相同，只是用微波代替光波而己。

本实验的目的是了解一下迈克尔逊干涉的实验原理，并且利用干涉现象测出微波的波长。试验中调整发射喇叭和接收喇叭的方位，移动全反射板，观察当微安表达到最大数值时（此时出现干涉加强，波程差是真个波长的整数倍，相位差是2*PI）记下对应位置最表的数据即可，在移动全反射板时切忌双向移动（单向移动记录数据），这样可以减小误差，尤其是回程差。本试验在操作上并不是很困难，很易于实现，易于成功。

八、微波布拉格晶体衍射实验

惠更斯一菲涅耳原理指出：从同一波束面上各点所发出的子波(称为散射)经传播而在空间某点相遇时，也可相互迭加而产生干涉现象。这就是解释衍射现象的理论基础。

本实验是以方形点阵的模拟晶体(立方晶体)为研究对象，用微波向模拟晶体入射，观察从不同的晶面上点阵的反射波产生干涉符合的条件，即下面我们要讨论的布拉格公式

本实验用一束微波代替X射线，观察微波照射到人工制作的晶体模型时的衍射现象，用来模拟发生在真实晶体上的布拉格衍射，并验证著名的布拉格公式。该实验利用了微波分光仪完成了微波迈克尔逊干涉实验。该报告主要介绍了上述实验的原理，并进行了数据处理和误差分析，在最后还提出了一种实验仪器的改进方案。

利用X射线照射晶体通过晶体后X射线会发生衍射。布拉格父子通过对衍射现象的研究，找到了衍射束的出射角度与内部晶体结构点阵的关系。当微波照到模拟点阵晶体时，组成晶体的每一个点阵粒子都会向各个方向发射子波，这样点阵粒子构成的周多散射中心发出的子波就会发生干涉，叠加。掠入射时道理一样，只有那些满足布拉格衍射定律的波束干涉才能加强，并且强度为最大值。本实验也易于操作，可能数据处理有些麻烦。不过这也正是好好提高自己的分析数据、处理数据能力的好时候、更是理论联系实际的桥梁。

实验中我们需要同时转动两臂达到同样的角度，实验时我们采用两人同时转动左右臂的方法，虽然效果不错，但是费时费力，我觉得可以采用联动装置使左右臂同时运动相同的角度，为达到这样的目的，我们可以采用，一根可以自由手动伸缩的杆连接左右臂，当杆伸缩的时候，左右臂将转动相同的角度，杆的伸缩长度与转动角度的对应关系可以通过具体计算得到！

综上所述，晶体在布拉格衍射中实际上是起着x射线衍射光栅的作用。X射线结构分析学就是利用x射线在点阵上的衍射现象来研究晶体点阵的间隔和相互位置的排列，以达到对晶体结构的了解。

九、椭圆偏振仪测量薄膜厚度实验

椭偏法测量的基本思路是:起偏器产生的线偏振光经取向一定的１/４波片后成为特殊的椭圆偏振光，把它投射到待测样品表面时，只要起偏器取适当的透光方向，被待测样品表面反射出来的将是线偏振光．根据偏振光在反射前后的偏振状态变化，包括振幅和相位的变化，便可以确定样品表面的许多光学特性。

一束自然光通过起偏器后变成了线偏振光，在经过一个波片，变成了椭圆偏振光。这样的椭圆偏振光入射到待测薄膜表面上时反射光的偏振状态会发生变化。测出这种变化就测出了薄膜厚度。本实验目的是了解椭圆偏振发测量薄膜参数的基本原理，初步掌握椭圆偏振一的使用方法，并对薄膜厚度进行测量。试验中操作并不困难，主要是一起可能有时会出点问题，而且击鼓样的强弱又是并不好判断，试验后可以根据测的数据在计算机上直接模拟就可以的出最后答案。

十、光泵磁共振实验

本实验目的是：

1.观测铷的光抽运信号及光磁共振信号。2.测量铷原子的郎德g因子。3.测量地磁场

光泵磁共振利用光抽运效应来研究电子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。光抽运是用圆偏振光激发气态原子，打破原子在所研究能级间的热平衡分布，造成能级间所需要的粒子数差，以便在低浓度条件下提高磁共振信号强度。光泵磁共振采用光探测方法，探测原子对光量子的吸收，而不是像一般的磁共振直接探测原子对射频量子的吸收，因而大大提高了探测灵敏度。光泵磁共振进一步加深人们对原子磁矩、g因子、能级结构、能级寿命、塞曼分裂、原子间相互作用等的认识，是研究原子结构的强有力的工具，而光抽运技术在激光、原子频标和弱磁场测量等方面也有重要应用。

本实验的目的是了解光抽运的原理，掌握光泵磁共振实验技术，并测量气体铷（Rb）原子的g因子和地磁场。实验过程中必须要注意：

1．实验时必须先预热，待池温、灯温指示灯点亮后，方可进行实验。2．在观察磁共振信号，测量g因子和地磁场时应该尽量减小扫场的大小。

十一、核磁共振实验

在加不同大小扫场情况下仔细观察水样品的核磁共振现象，记录每种情况下的共振峰形和对应的频率！

本实验的目的是了解核磁共振的基本原理，观察核磁共振的共振信号，计算磁感应强度（B），并与测量值比较。

这次实验通过扫频法观察氢核的核磁共振现象，并测量g因子。实验过程中，发现调节样品在磁铁中的空间位置时，扫描频率的尾数出现较大的变化，但对g因子的测量并无巨大的影响。调节边限振荡器的频率“粗调”电位器时，当频率调节至共振频率附近，图像会有明显的变化，出现大致的共振信号，然后旋动频率调节“细调”旋钮，在此附近捕捉信号，调节出较好的共振信号，最后降低扫描幅度，调节频率“微调”至信号等宽，同时调节样品在磁铁中的空间位置以得到微波最多的共振信号。这样可以快速、准确地找到扫描频率，测得实验数据；由于本实验的仪器问题和共振状态下的（υH）很难准确调节达到，所以需要耐心细致的调节，方能看到最后结果。

十二、微波顺磁共振实验

电子顺磁共振又称电子自旋共振。由于这种共振跃迁只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，因此被称为电子顺磁共振；因为分子和固体中的磁矩主要是自旋磁矩的贡献所以又被称为电子自旋共振。简称“EPR”或“ESR”。由于电子的磁矩比核磁矩大得多，在同样的磁场下，电子顺磁共振的灵敏度也比核磁共振高得多。在微波和射频范围内都能观察到电子顺磁现象，本实验使用微波进行电子顺磁共振实验。

十三、光栅光谱实验

本实验的实验目的是了解光栅的原理，掌握多功能光栅光谱一起的使用方法；理解相光的实验原理；通用光栅光谱仪进行发射光谱的实验，加深对相关理论的理解与把握，同时学会实验的操作方法和实验数以一个，急需要在电脑上操作一下就可以很容易的的出实验数据。但是需要注意预热的时间问题数据的处理。

十四、学习中的困难

1、实验仪器的不熟悉和仪器存在缺点

通过这个实验我知道了在做实验之前必须先熟悉实验仪器的使用，这样做实验就能成功了一半。其次是实验仪器存在缺点的话就很可能得不到实验结果。这样的话我们可以探索一下改进的方法，促进实验的成功。

实验仪器的不熟悉，不理解这个仪器为什么和怎样工作的。这造成了在实验时随便调试仪器费时费力，却不明白为什么达不到想要的实验现象。这就要求我 11 们在做实验之前必须先熟悉实验仪器的原理和使用。

2、实验原理弄不清楚

和许多同学一样，抄写实验原理时，由于有的物理内容没有接触过，所以就很难弄懂。这样就造成了在抓这一本实验课本到实验室，直接翻到实验步骤就开始做实验，常常做完实验了，得到了实验结果还不知道这结果用来干嘛。就像真空镀膜这个实验，实验操作简单，但是原理很复杂。还有核磁共振实验，由于实验原理弄不清楚，在数据处理时遇到了困难，造成了测出了发生共振时波峰和波谷的频率却不知道到用来干嘛。

很多时候我并没有完全理解实验原理，所以对实验具体做什么和这样做的目的并没有很好的掌握，只是参照实验室里的操作说明一步步的进行，对整个实验过程没有融会贯通。比如在实验中我知道要提高某一物理量的值就能得到所要的实验结果，但反应到仪器上，我可能就不知道这个值要如何去改变，或者我不知道某个实验参数为什么那么选择。这给我的启示是应该在预习时多多思考实验原理是如何反应在实验具体操作步骤上的，这样在老师讲解过程中也能更有的放矢。

3、依赖性

由于在大一大二习惯性地依赖老师指导，造成了这坏习惯在我们身上扎根，遇到困难就不想往下做，直接找同学或者老师帮忙。这样造成了实验并没有得到什么收获和进步。

对老师指导的依赖性，常常具体操作的步骤上出问题时不愿意自己思考解决的办法，遇到困难就不想往下做，直接找同学或者老师帮忙。这种惰性造成我没有深刻理解实验方法，这个是我在实验中遇到的最大的问题，必须养成独立思考和解决问题的习惯。

4、专业知识的不牢靠

由于专业知识的不牢靠造成了在实验预习时实验原理的理解模糊和数据在处理时的不准确，比如在实验误差的计算不知道改用什么方法，实验结果的总结也不会。

十五、实验的改进和反思

1、凡事都有美中不足之处，我认为近物教学仍然有需要改进地方。我觉得老师需要统一思想，尽量让学生自己独立完成实验，不要一有问题就帮忙解决，这样虽然会提高效率，但是会助长一种依靠老师完成实验的风气。

2、实验仪器有的由于老化就会造成实验很难成功，或者结果存在这很大的误差。比如实验室里的氢光源光强太弱，还有的实验仪器螺丝松动，不好固定，经常实验到半实验仪器突然晃动，造成了实验失败得从头再来。

3、实验报告评分时可不必要求把必做实验所有内容都做完，而把评分重点更多的放在实验记录上，特别是“发现问题——思考过程——解决问题”这一块。这样可以促进我们对实验的反思和进一步理解和掌握。

十六、学习中的收获和快乐

我觉得一部分老师的教学方式非常好。他们鼓励我们要自己解决问题，尽量不要依靠老师。一旦我们遇到困难但没人帮助的时候，我们只有靠自己去摸索，在摸索的过程当中我们学会了课堂上老师不可能教的技巧，比如如何搜索文献，如何查找英文学术单词，如何建立一个总体上的思路等等。虽然采用这样的方式做出成果比别人慢，但是收获更多。

回想起来，为什么我的实验报告一直拿不来高分，为什么我实验内容完成的总是比人家少——我一大部分时间都在不停的为自己的马虎大意买单。但是我想，我收获的肯定比没有犯过错误的人多。低级的错误犯过了，以后再犯的可能性就小了很多；高级的错误犯过了，自己懂的知识就比原来多了很多！

我是在这些课程是体验到了物理学习的快乐，并不仅仅局限于课本理论上的知识，加深了理论上的理解，更加帮助于去理解生活中的规律。实验的选择也很有趣，有些实验看上去觉得没什么，只有真正去做才能感受到其中的快乐。

1、大学物理实验让我养成了课前预习的好习惯，让我深深地懂得预习的重要性。只有在课前进行了认真的预习，才能在课上更好地学习收获的更多、掌握的更多。教材和讲义中的实验原理都往往叙述很详细，但我们在写预习报告时却不应把书上的内容都抄写一遍，而是应该在理解了教材上的实验原理和公式推导的基础上，总结和概括书上的内容，这样的预习报告才会对实验操作有指导作用。这学期我很好的做到了这点。

2、做完实验后处理实验报告也很重要，正确的实验操作是得到合适的实验数据的基础，在系统误差一定的情况下，实验数据处理得恰当与否，会直接影响偶然误差的大小。所以对实验数据的处理是实验的重要内容之一。大学物理实验教会了我处理数据的能力。包括：

① 了解了误差与不确定度的基本概念，并在实验中应用，学会了用不确定度对直接测量和间接测量的结果进行评估。

② 学会了一些处理式样数据的方法，如列表法，作图法等。③ 掌握了一些基本物理量和物理参数的测量方法，如电流，电压，磁场，光强，折射率，电子电荷，普朗克常量等。

④ 理解了常用的物理实验手段等！

近代物理中蕴藏的科学素质篇3

【关键词】物理科学素质理解教材物理内涵

【中图分类号】G633.7 【文献标識码】A 【文章编号】2095-3089（2013）01-0165-01

近代物理开始发展于19世纪后期。当时，经典物理无论是在理论上还是在应用上都取得了巨大的成就，人们普遍认为物理学已经发展的相当完善。但是诸如光电效应、黑体辐射等几个难以解决的问题，引发了物理学的巨大革命，以相对论、量子力学为理论基础的核物理、粒子物理、半导体物理、天体物理等构成的近代物理得到了突飞猛进的发展。高中阶段需要学生掌握的内容主要集中在“量子论初步”和“原子核”两章中，内容虽然很少，但所蕴藏的物理科学素质却很丰富，所涉及的物理方法、物理思想和人文思想对学生以后的成长将产生巨大的影响，因此在传授知识的同时，有必要仔细挖掘其中的物理内涵。

一、理解教材，把握主线，通过认识原子结构的过程，渗透认识论教育

人们对原子结构的认识经历了以下几个过程：

1.汤姆生的枣糕模型：1897年汤姆生在研究阴极射线时发现了电子，同时提出了原子的枣糕模型：原子全部正电荷和质量均匀分布在原子内，带负电的电子镶嵌在原子内做简谐运动，原子辐射电磁波而产生原子光谱。

2.卢瑟福的核式结构：1911年，卢瑟福通过粒子散射实验否定了枣糕模型，建立了核式结构：原子全部正电荷和质量都集中在体积很小的原子核上，电子在十分空旷的核外绕核做匀速圆周运动，原子辐射电磁波而产生原子光谱。

3.玻尔的准量子化模型：1913年，玻尔修正了核式结构模型，提出了三条假设：①轨道量子化：绕核运动的电子轨道半径只能是一些分离的数值；②能级量子化：在确定轨道上运动的电子的能量是一定的（即不辐射能量）；③跃迁量子化：电子在不同轨道上跃迁时。产生频率一定的光子，因而形成频率一定的原子光谱。

4.波恩的量子化模型：1925年，波恩提出了几率概念，完善了玻尔模型，使原子结构的面目清晰地呈现在人们面前。

枣糕模型能解释一些现象，不能解释粒子散射实验，它对原子光谱的解释也是错误的，但却开启了原子物理的大门；卢瑟福核式结构成功地解释了粒子散射实验，但在原子塌陷和原子光谱问题前却显得无能为力；玻尔引入了量子化但没有完全脱离经典理论中的轨道概念，因而只能解释氢原子的光谱，直到波恩将几率理论引入近来，使人们对原子结构有了真正的认识。从1897年到1925年，仅仅是原子结构的认识竟经历了这么漫长而艰苦的过程，这一过程，科学家不仅仅只继承了前辈们的思想理论，更重要的是敢于摈弃先前错误，提出新的理论，去伪存真，敢于质疑，从新的角度认识事物，体现了科学的认识论。我们要让学生体会到，学起于思，思源于疑，质疑是创造的开始。文化的继承不能亦步亦趋，盲目接受，科学是在对立与争论中不断得到发展的，在学习的过程中要勇于向权威挑战。从最初的原子不可再分到原子核由质子和中子组成，开辟了粒子物理的研究领域，因此科学不仅仅是文化的进步过程，更重要的是人类思想、价值观的巨变过程。

二、利用模型功能，使学生在掌握知识的同时领会物理学的研究方法

微观世界无法看见，跃迁、辐射、能级以及量子化等近代物理的概念又十分抽象，那么人们又是怎样去研究呢？从人们对原子结构的认识过程中我们体会到，科学家对于微观世界的认识一般遵循以下研究思想：根据事实，建立模型→提出假设，解释事实→完善模型→形成理论，这种思想方法在物理学上是常见的。对一系列实验事实，应用物理原理，从复杂的物理现象入手，抽象出反映事实的本质因素舍弃次要因素，以可见直观的模型代替抽象模糊的物理个体。正确的物理模型可以使我们对物理本质有更加深入和细致的认识，对问题的研究更加清晰明了。物理模型能否具有实际功能，还必须通过实践的检验，即判断物理模型是否能够解释新的科学事实，核式结构不能解决原子塌陷与原子光谱问题，于是玻尔引入量子化对核式结构进行修正，提出了三点假设，成功地解释了原子塌陷与原子光谱问题，但它只是量子论与经典理论的混合论，不能解释复杂原子的光谱问题，最终被波恩的量子论代替。可见，人们对原子结构的研究方法，已不仅仅局限于物理，还上升到了哲学领域。人类的认识从实践到理论，再从理论到实践，物理研究的方法体现了辨证唯物主义的方法论。

三、培养科学的世界观

物理学是构成自然科学的重要组成部分，社会的每一次进步都离不开科技文化的进步，在社会的进步中，物理学的发展起了重要的作用，传统的课堂教学，只注重物理知识体系的传授而忽略了物理学人文思想的渗透。实际上，物理学不仅仅是一门自然科学，更是人文科学、哲学的综合体。在物理学的发展上，涌现出好多科学家，他们伟大的个人修养值得我们好好学习。如居里夫人对放射性的研究，伦琴对X射线的研究，爱因斯坦对核武器在军事领域应用的担忧等。同时，也要让学生正确认识科学技术带来的社会问题，形成正确的决策意识。如核能在战争中的滥用与和平利用，使学生体会到科学技术是一把双刃剑，我们所学的知识要造福于社会，树立正确的科技观，使科技促进社会的进步。

参考文献：

[1]田惠忱；近代物理知识与培养学生的科学素质[J].呼伦贝尔学院学报2002（04）63-64

[2]王校过；高中物理教科书中的物理科学方法教育——以沪科版高中物理1为例[J].教育理论与实践2010（32）14-16

[3]姚勇、邢红军、蔡燃；高中物理科学方法教育的实践研究[J].首都师范大学学报（自然科学版）2010（04）15-18

[4]佟丽媛、韩萍、李丽君；物理教学与物理科学方法[J].渤海大学学报（自然科学版）2006（01）46-48

[5]陈兴瑞、陈万平、李新乡；物理科学方法教育教学模式探讨[J].曲阜师范大学学报（自然科学版）2001（03）108-110

微课在近代物理实验教学中的实践篇4

一、微课在课前预习中的实践

教师首先要对教学内容进行梳理,选取教学的难点作为制作微课的内容。其次,相对于以往的教学方式,教师要熟悉微课制作软件的用法,例如录屏软件Camtasia Studio、声音录制软件Gold Wave、微课大师等软件。在实际使用过程中,我们较为常用的是录屏软件Camtasia Studio,它的主要优势在于易学、上手快并且可以在事先准备好的ppt基础上,将难点内容通过录屏软件进行记录。例如软件和ppt完成微课制作后,教师需要把微课视频共享给学生,让他们能够在实验之前进行预习。实现共享的方法有如下几种:一是可以将微课上传至云盘,并将访问云盘的密码告诉学生,学生可以自由下载;二是通过建群,例如微信、qq群等,将视频共享到群空间,以便学生下载使用;三是对于那些建立了网络学习平台的学校,可以将微课共享到网络平台,学生通过学号直接进行访问。总之,在网络十分发达的时代,实现资源共享已经不是难事,况且微课本身就是网络时代的产物。

相对于以往在预习环节只由学生完成预习报告相比,现在的微课预习显然有了教师的参与,克服了之前预习环节中教师辅导的真空。以往学生在预习中碰到难点,习惯性地绕着走,而现在有了微课的帮助,可以通过课前反复观看就能及时解决。如果仍有疑问,则可以将疑问带到课堂,与老师面对面地交流。微课的出现可以帮助学生克服畏难情绪,使学生的学习有了动力和更大的自主性,而老师的课堂辅导也更加精准和有针对性。

二、微课在实验过程中的实践

通常实验课有10~12组学生同时开始实验,每组为2~3人,实验完成后教师主要对学生的实验数据进行检查,判断其是否正确完成实验。由于组数较多,教师很难对实验过程进行全方位的监管,这会导致学生一些不规范的操作被遗漏,甚至有部分学生会抄袭他人的实验数据。为提高实验课程的教学效率,我们将微课引入到实验当中,由学生自己录制微课。微课的主要内容包括实验中关键步骤操作的讲解以及对观测到的实验现象进行记录。对于学生而言,完成这样的微课录制并不是难事,他们只需利用自己的智能手机的录像功能进行录制即可。

此外,我们正在尝试在课后的数据处理过程中也逐步实行微课视频评价。把数据处理由原来的单独完成,变为由实验组的同学共同完成。同组中需要选派一名学生简单讲解数据处理的过程,其他学生则将其录制为简单的微课视频。在交实验报告的同时,将微课视频传给老师,而教师则根据实验报告的情况和视频录制情况进行综合评分。

总之,微课作为一种全新的教学手段,已经在网络上兴起了一段时间。而将其引入现实教学是近两三年才开始的。随着互联网+时代的开启,借助网络、通讯以及视频采集技术的迅速发展,微课这种教学手段也必将在传统教学中发挥更加重要的作用。本文探讨了微课在近代物理实验教学中的一些教学实践,而这也仅仅是微课的一小部分功能,未来通过广大同行的共同努力,微课在近代物理实验教学方面的众多功能将会被逐步挖掘出来,达到提升教学水平的目的。

参考文献

[1]吴铁飞.微课与物理实验教学相结合的研究[J].科技视界,2013(30):142-143.

[2]胡铁生.区域性优质微课资源的开发与思考[J].中小学信息技术教育,2013(4):19-22.

近代物理考试复习篇5

量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的。旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论。

十九世纪中期，物理学形成了完整的、系统的经典理论体系。由于经典物理学在发展过程中几乎没有遇到什么重大难题，因而当时有许多物理学家错误地认为经典物理学理论是物理学的“最终理沦”，往后没有什么重大的工作可做了，只是解一下微分方程和对具体问题进行解释。但是，在经典物理学晴朗的天空中，不断出现了几朵“乌云”—经典理论无法解释的实验事实。其中最著名的是开耳芬称之为“第一号乌云”的迈克尔逊—莫雷实验与“第二号乌云”的黑体辐射实验，此外还有光电效应实验和原子光谱的实验规律等。

1900年，普朗克提出辐射量子假说，假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式（能量子）实现的，能量子的大小同辐射频率成正比，比例常数称为普朗克常数，从而得出普朗克公式，正确地给出了黑体辐射能量分布。

1905年，爱因斯坦引进光量子（光子）的概念，并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系，成功地解释了光电效应。其后，他又提出固体的振动能量也是量子化的，从而解释了低温下固体比热问题。

1913年，玻尔在卢瑟福原有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论。按照这个理论，原子中的电子只能在分立的轨道上运动，在轨道上运动时候电子既不吸收能量，也不放出能量。原子具有确定的能量，它所处的这种状态叫“定态”，而且原子只有从一个定态到另一个定态，才能吸收或辐射能量。这个理论虽然有许多成功之处，对于进一步解释实验现象还有许多困难。

在人们认识到光具有波动和微粒的二象性之后，为了解释一些经典理论无法解释的现象，法国物理学家德布罗意于1923年提出了物质波这一概念。认为一切微观粒子均伴随着一个波，这就是所谓的德布罗意波。

1925年，海森堡基于物理理论只处理可观察量的认识，抛弃了不可观察的轨道概念，并从可观察的辐射频率及其强度出发，和玻恩、约尔当一起建立起矩阵力学；1926年，薛定谔基于量子性是微观体系波动性的反映这一认识，找到了微观体系的运动方程，从而建立起波动力学，其后不久还证明了波动力学和矩阵力学的数学等价性；狄拉克和约尔丹各自独立地发展了一种普遍的变换理论，给出量子力学简洁、完善的数学表达形式。

激光、电子显微镜、原子钟到核磁共振的医学图像显示装置，都关键地依靠了量子力学的原理和效应。核磁共振的基本原理是原子核的不同自旋取向在强磁场下发生能级分裂，从而可以共振吸收某特定频率的电磁辐射。

2.论述量子力学中力学量与算符的关系。

答：在量子力学中，当微观粒子处于某一状态时，它的力学量(如坐标、动量、角动量、能量等)一般不具有确定的数值，而是具有一系列可能值，每个可能值以一定的几率出现。当粒子所处的状态确定时，力学量具有某一可能值的几率也就完全确定。例如，氢原子中的电子处于某一束缚态时，它的坐标和动量都没有确定值，而坐标具有某一确定值r或动量具有某一确定值的几率却是完全确定的。量子力学中力学量的这些特点是经典力学中的力学量所没有的。为了反映这些特点，在量子力学中引进算符来表示力学量。

算符是对波函数进行某种数学运算的符号。在代表力学量的文字上加“∧”号以表示这个力学量的算符。

算符是指作用在一个波函数上得出另一个函数的运算符号。量子力学中采用算符来表示微观粒子的力学量。如果量子力学中的力学量F在经典力学中有相应的力学量，则表示这个力学量的算符符而得出的，即：

由经典表示式

中将

换为算

量子力学中力学量用算符

=λ，得到算符的本征值{λn}和相应的本表示，通过求解算符的本征值方程征值函数{n}；表示力学量的算符都是厄米算符，它们的本征函数构成完全系，即任何函数Ψx都可以用{

n}展开：Ψx=∑Cn

n(x)。当体系处于算符的本征态n时，力学量F有确定的值，这个值就是相应的本征值λn；当体系处于波函数Ψx所描写的一般态时，力学量F没有确定的值，这时测量F所得数值，必定是算符的本征值之一，测得λn的几率为|Cn|^2。

3.描述微观粒子波函数的物理意义，有何实验可以说明微观粒子具有波的性质。

答：微观粒子的运动所遵循的是统计性规律，波函数正是为描写粒子的这种统计行为而引入的。它既不描述粒子的形状，也不描述粒子运动的轨迹，它只给出粒子运动的几率分布。微观粒子波函数的确定要满足：单值，连续、有限的条件。此外，还需满足归一化条件：

。波函数是量子力学中用来描述粒子的德布罗意波的函数.为了定量地描述微观粒子的状态,量子力学中引入了波函数,并用ψ表示.一般来讲,波函数是空间和时间的函数,并且是复函数,即ψ=ψ(x,y,z,t).将爱因斯坦的“鬼场”和光子存在的概率之间的关系加以推广,玻恩假定就是粒子的概率密度,即在时刻t,在点(x,y,z)附近单位体积内发现粒子的概率.波函数ψ因此就称为概率幅.电子在屏上各个位置出现的概率密度并不是常数：有些地方出现的概率大，即出现干涉图样中的“亮条纹”；而有些地方出现的概率却可以为零,没有电子到达,显示“暗条纹”.由此可见,在电子双缝干涉实验中观察到的,是大量事件所显示出来的一种概率分布,这正是玻恩对波函数物理意义的解释,即波函数模的平方对应于微观粒子在某处出现的概率密度：即是说,微观粒子在各处出现的概率密度才具有明显的物理意义.据此可以认为波函数所代表的是一种概率的波动.这虽然只是人们目前对物质波所能做出的一种理解,然而波函数概念的形成正是量子力学完全摆脱经典观念、走向成熟的标志；波函数和概率密度,是构成量子力学理论的最基本的概念。

知道波函数就可以知道：波函数在空间某点的强度（振幅绝对值的平方

t时刻在(x,y,z)点附近单位体积内找和在该点找到粒子的几率成正比。到粒子的几率密度。电子的双缝衍射实验、电子在晶体表面的衍射实验、中子在晶体上的衍射实验从实验上揭示了微粒的波动性质。

4.论述原子结构理论并结合实验观测论述这个理论的发展过程。

答：基态原子具有核式结构，原子由原子核和核外带负电的电子组成，带负电的电子在一定的壳层轨道上绕核旋转，其中n代表不同的壳层，同时遵循泡利不相容原理和能量最低原理：n+0.7l 对原子结构的认识过程：

汤姆生原子模型：1897年汤姆逊从阴极射线中发现带负电的电子，1910年密立根用油滴实验发现了电子的电量值，从而算出电子质量，它比整个原子的质量小得多，后来J.J.汤姆孙提出“西瓜”原子模型，认为原子带正电部分是一个原子那么大的球，正电荷在球中均匀分布着，在球内或球上有负电嵌着，这些电子能在它们的平衡位置附近做简谐振动。后来，粒子的散射实验对汤姆孙模型提出了挑战，实验发现粒子在轰击铂箔时，绝大多数平均只有2~3度的偏转，但有大约1/8000的粒子偏转角大于90，其中有的接近180。

卢瑟福原子模型：经过对粒子散射实验的记过分析，卢瑟福在1911年提出了原子的核式结构模型，认为原子有一个带正电的原子核，所带正电的数值是原子序数Z和单位电荷e的乘积，原子核外散布着Z个带负电的电子围绕它运动，但原子核质量占原子质量的绝大部分。

玻尔原子模型：卢瑟福的原子模型虽然很好的解释了粒子的散射实验，但它又与经典电磁理论想矛盾，经典电磁理论认为电子加速运动辐射电磁波，能量不断损失，电子回转半径不断减小，最后落入核内，原子塌缩，与实际不符，因而陷入困境。1900年，德国物理学家普朗克提出了能量量子化的概念，解释了黑体辐射谱。1905年，爱因斯坦提出了光量子概念。这些结论给了玻尔很大的启发，玻尔把爱因斯坦提出的光量子的概念运用于卢瑟福原子模型中，提出了电子在核外的量子化轨道，解决了原子结构的稳定性问题，最终提出了氢原子的玻尔理论：

a.定态假设：电子只能在一些分立的轨道上运动，而且不会辐射电磁波。b.频率条件假设：能级差与原子吸收（或放出）的光子能量相同。c.角动量量子化假设：电子的轨道角动量是h的整数倍。之后，索末菲把玻尔的原子理论推广到包括椭圆轨道，并考虑了电子的质量随其速度而变化的狭义相对论效应，导出光谱的精细结构同实验相符。

5.玻尔原子结构理论是什么?量子力学理论是怎样得出原子状态量子化结果的，为了解释氢原子光谱，波尔提出一个什么假设？由玻尔假设得到的氢原子能量、电子的角动量和轨道半径与量子力学理论结果有什么异同。

答：（1）玻尔理论是指一种关于原子结构的理论。1913年由玻尔提出。是在卢瑟福原子模型基础上加上普朗克的量子概念后建立的。

玻尔在氢原子和类氢原子（即原子核核外只有一个电子的）的光谱以及普朗克的量子论、爱因斯坦的光子学说的基础上，提出了波尔原子结构理论的几点假设。

1．定态假设：核外电子只能在一系列分立的轨道上绕核运动，且不辐射电波，能量稳定。电子轨道与能量分立En=-1/2*e^2/4πε0r n=1,2,3...2．角动量量子化假设：电子在不同轨道上运动时，其能量是不同的。轨道离核愈远，能量愈高。当原子中的电子处于离核最近的轨道时，它们处于最低的能量状态，称为基态。当原子从外界获得能量时，电子可以跃迁到离核较远、能量较高的轨道上，这种状态称为激发态。电子定态轨道角动量满足量子化条件 Merv=nh/2π，它不可能处于两个允许的相邻轨道的能量之间。

3．跃迁假设：电子在能量不同的轨道之间跃迁时，原子才会吸收或放出能量。处于激发态的电子不稳定，可以跃迁到离核较近的轨道上，同时释放出光能。释放出光能（光的频率）的大小决定于两轨道之间的能量差，其关系式为：

（2）1913年，玻尔把量子观念应用在原子的辐射光谱，出色地解释了氢原子的光谱，成功地解决了原子有核结构的稳定性问题。玻尔氢原子理论的巨大成功，让人们了解到量子这个新的概念对于物理的重要作用，从此，全世界物理学人的眼光都转向到“原子理论”的研究，导致量子理论的最终成果——量子力学（海森堡的矩阵形式、薛定谔的波动形式、费曼的路径积分形式）的提出。

两者区别：在玻尔理论中，通过定态和能级描述电子在空间某处的最可能概率，它并没有描述电子在空间的分布，而仅仅是得到最大概率存在的几个能级。在量子力学中，通过波函数来描述自由电子在空间各处存在的概率。

玻尔理论利用三个量子数来描述电子轨道：n，nф，nΨ；其中n=1,2,3。量子力学利用三个量子数n，l，m来描述几率大小。

两者联系：当量子力学中l趋近于无穷大时，l和玻尔理论中的Pф近似相等。同时也表明当L越小时，量子化越明显。L越大时，量子理论越接近经典理论。

(2)其中R(r)仅是r的函数，Y(,)仅是和的函数。

（4）只是关于r的方程，称为径向方程，Y是球谐函数

当能量为正值时（E>0）无论E等于任何值（6）式的解都满足波函数的标准条件，即体系的能量具有连续谱，在无穷远处波函数不为零。能量为正值意味着电子不再受原子核的约束。然而作为氢原子体系，电子受到原子核的束缚，能量为负，这时，能量为：

旧量子论Pφ=nφh/2π当角动量很大时l=l+1此时二者一致。磁量子数与空间量子化L=mh/2π按量子力学理论，电子没有明确的轨道。6.已知一个微观粒子的状态波函数是Ψ(x.y,z),关于这个粒子可以知道哪些信息，怎样知道相关力学量，粒子出现在以坐标原点为心、半径为a的球内的几率是多少.2答：包括：波函数在空间某点的强度（振幅绝对值的平方，(r,t)）和在该点找到粒子的几率成正比，主量子数n，角量子数l，磁量子数m，能量，角动量，电子被发现的概率分布等等。

几率计算如下：dwdwdd00**2ao4a3*rsindr32（其中*为概率密度）

7.一个质量为μ的粒子被限制在半径为r=a和r=b(a

答：球坐标系下，能量本征方程可写成

设波函数

8.不考虑相对论效应和精细结构，氢原子的能级对角量子数是简并的，可碱金属原子能级对角量子数不简并，解释碱金属原子能级与氢原子能级差异的原因。

答：氢原子能量只取决于主量子数n，与角量子数l和磁量子数m无关，具有高度简并性，即对角量子数是简并的。碱金属的能级不仅由主量子数n确定，也与角量子数l有关，l不同的能级会产生分裂且能量相差较大，完全没有了氢原子中l的简并现象。碱金属原子能级对角量子数不简并有两个重要原因：原子实的极化和轨道的贯穿。

a.原子实的极化

原子实原是一个球形对称的结构，它里面的原子核带有Ze个正电荷，Z-1个电子带有(Z-1)e个负电荷，所以价电子好像处在一单位正电荷的库仑场中。但由于价电子的电场的作用，原子实中带正电的原子核和带负电的电子的中心会发生微小的相对位移。于是正、负电荷的中心将不再在原子核上，形成一个电偶极子，这就是原子实的极化。极化而成的电偶极子的电场又作用于价电子，使它感受到除库仑场以外的附加的吸引力，从而引起能量的降低。而且同一n值中，l值越小的轨道越扁，在扁轨道的一部分轨道上，电子离原子实很近，引起较强的极化，原子能量下降较多，所以能级较低；相反，l值越大的轨道越接近圆形，因而电子离原子实比较远，极化较弱，所以对能量的影响也小，能级相对较高。

b.轨道的贯穿

原子实的极化对原子能级的影响是有限的，另一个引起能级变化的更主要的原因是电子的轨道贯穿。对于偏心率很大（l很小）的轨道，接近原子实的部分可能穿入原子实发生轨道贯穿，结果是原子对电子起作用的有效电荷 Z*>1。从实验数据看出，碱金属的有些能级离相应的氢原子能级较远，这些能级的轨道必定是贯穿的，l 值一定较小；另一些比较接近氢原子能级，那些轨道大概不是贯穿的，l一定较大。比较同氢能级差别的大小，可以按次序定出l值。

9.碱金属原子能级的双重结构是从什么观察实验推断出来的? 又是如何从理论上解释的。

答：（1）碱金属能级得双重结构是从锂原子观察实验推断出来的

（2）碱金属原子光谱，特指碱金属锂、钠、钾、铷、铯等元素的光谱。它们具有相似的结构，明显地分成几个线系。通常观察到的有主线系、第一辅线系(漫线系)、第二辅线系(锐线系)和伯格曼线系(基线系)。

当用分辨本领足够大的分光仪器去观察碱金属原子的一条光谱线时,会看出它是由二条或三条锐线组成,这称为光谱线的双重结构(或复双重结构)，有时也称碱金属原子光谱的精细结构。例如钠光谱主线系的第一条实为589.0nm和589.6nm两条线组成，碱金属原子的光谱都有类似的双重结构。

碱金属原子谱线的双重结构是由于电子自旋与轨道运动相互作用的结果,设想电子具有某种方式的自旋，其角动量等于：1/2*h/2π，这个自旋角动量是不变的，是电子的固有矩。电子的自旋角动量等于即自旋量子数s=1/2。又由于电子自旋角动量相对于轨道角动量只可能有两个取向,故碱金属原子在满充壳层外面只有一个价电子，满充壳层的总角动量为零，所以价电子的总角动量就等于原子的总角动量。电子处在由于轨道运动而感受的磁场中，附加的能量可以表示为△E=-μsBcosΘ，Θ是磁矩和磁场的夹角，取0和180度。这能量加载未考虑自旋的原子能级上，就形成双层能级。

10.试描述一个可以测定原子具有分裂能级的实验，并简要说明原理。答：施特恩-盖拉赫实验、顺磁共振实验、塞曼效应。塞曼效应：当光源放在足够强的磁场中时，所发光谱的谱线会分裂成几条而且每条谱线的光是偏振的，这称为塞曼效应。

镉（Cd）的 6438.47 埃的谱线

把镉光源放在足够强的磁场中，从垂直于磁场的方向观察光谱，会发现这条谱线分裂成三条，一条在原位（波数为v），左右还各有一条。两边的两条离中间的距离用波数表示是相等的（波数分别为）。三条谱线是平面偏振的。中间一条的电矢量平行于磁场，记为π线，左右两条的电矢量垂直于磁场，记为σ线。如果沿磁场方向观察光谱，中间那条就不再出现；两边的两条仍在垂直方向观察到的位置，但已经是椭圆的了。两条的偏振转向是相反的．频率比原谱线频率高的那一条的偏振转向是沿磁场方向前进的螺旋转动的方向，频率较原谱线频率低的那一条的偏振转向相反。

11.详细论述单价电子原子的原子态表示方式以及磁矩公式。

答：用大写的字母S.P.D.F代表原子态，左上角标明能级数如2表示双重结构，右下角标明j量子数j=l+s或j=l-s。原子实的轨道角动量，自旋角动量和总角动量都等于零，单价电子的角动量就等于整个原子的角动量，价电子的诸量子数也就可以表示整个原子。

 自选磁矩

sepsme3,pshe4mes(s1),s1/2,B3Be2me

s 轨道磁矩

电子轨道运动相当于一个闭合电路，等效电流i和等效轨道磁矩l为：liA,i,Ae其中为周期，A为电路包围的面积，则

2012rd2e012d1rdt2dt2me0mer2dtpl2mel plepl2me2me而pll(l1)，所以l 总磁矩

hel(l1)l(l1)B

4me

12.对钾和钙原子，(1)写出基态、第一和第二激发态的电子组态;(2)写出基态、第一和第二激发态的原子态:(3)当价电子从4d态跃迁到4p态时，考虑精细结构，画出能级间的跃迁图。

（1）钾Z=19基态电子组态：1s22s22p63s23p64s；第一激发态电子组态：1s2s2p3s3p3d 第二激发态3d改为4p；钙Z=20基态4s4s4p 22626

2,一激4s3d，二激（2）钾原子态42S1/2;32D5/2,32D3/2；42P(1/2;3/2)钙原子态

2考虑精细结构，能级跃迁图如下（其中4d：42D5/2;42D3/2，4p：42P;4P3/21/2）

13.论述具有两个价电子的原子能级特征。

答：实验发现，第二主族元素原子光谱有两套线系，对应的能级也有两套，单重态能级和三重态能级，单重态能级对应单线光谱，三重态能级对应多线光谱，两套能级间没有跃迁。对于两个价电子的系统，S 只能取0或1。当 S=0时，原子的总角量子数 J=L，此时相同角动量的原子只有一个总状态，称为单一态，即只有一个能级。

当 S=1 时，原子的总角量子数 J=L+1，L，L-1，共有三个J值，此时相同角动量的原子有三种状态，称为三重态，即有三个能级。

原子能级的类型实质上是原子内部几种相互作用强弱不同的表现, L-S耦合和j-j耦合是两个极端情况,有些能级类型介于二者之间。由于原子实总角动量和磁矩为0，因此原子态的形成，只需考虑价电子即可。两个电子各自有轨道运动和自旋，每一种运动都产生磁场，对其它运动都有影响。四种运动将相互影响，可以形成六种相互作用：G1(s1,s2)，G2(l1,l2)，G3(l1,s1)，G4(l2,s2)，G5(l1,s2)，G6(l2,s1)，一般来说G5和G6很小，可以忽略。G1、G2远大于G3、G4时，遵循LS耦合，反之为JJ耦合。

能级有精细结构：G1很强，使不同S 能级分开；G2又使不同L的能级分开；G3和G4分开不同J 值的能级。每个原子态对应一定的能级。由多电子组态形成的原子态，能级顺序遵循如下规律：

洪特定则（只适用于L-S耦合）：从同一电子组态形成的能级中

（1）重数较高的（S较大）能级位置较低；（2）重数相同的（S相同）能级中，L最大的位置最低。对于同一L不同J的能级，具有最小J值能级位置最低是正常次序，最大J值的能级位置最低是倒转次序。

朗德间隔定则：在一个多重的能级中，能级的二相邻间隔同有关的二J值较大那一值成正比。

14.铍原子共4个电子，已知其中3个始终处于基态。1)写出铍原子的三个最低能量的电子组态;(2)用L-S耦合模型分别写出以上三种电子组态的原子态；(3)画出当被激发的价电子从3S轨道回到基态时，可能的能级跃迁图。

15.一个原子有2个价电子，分别处在p态和d态，求它们可形成的原子态。LS耦合时，总角动量量子数最大的原子态的磁矩是多少。

16.锌原子的核电荷数Z=30.设价电子为LS耦合，1)写出基态电子组态与原子态；2)当一个价电子被激发到5s 时，写出此时的原子态，作出相应的能级跃迁图。

17.论述X射线谱的特征及原理，为什么说X射线谱对研究原子结构问题有重要意义。

答：X 射线谱，波长大致介于 700～0.1 埃范围内的电磁辐射，X 射线谱由连续谱和标识谱两部分组成，标识谱重叠在连续谱背景上，连续谱是电子在靶上被减速产生的（高速电子到了靶上，受靶中原子核的库伦场作用而减速，电子动能转成辐射能，就有射线放出，称为轫致辐射）。标识谱是由一系列线状谱组成，它们是因靶元素内层电子的跃迁而产生，每种元素各有一套特定的标识谱，反映了原子壳层结构的特征。同步辐射源可产生高强度的连续谱X射线，现已成为重要的X射线源。X射线谱的某些特性反映了原子内部结构的情况，通过X射线可以对原子结构问题进一步的探索。1.连续谱：连续谱 X 射线的短波限λ0与发射 X 射线的材料无关，而只与电压有关：λ 0 = hc /(ev)h为普朗克常数，e为电子电量，c为真空中的光速。

2、标识谱：标识谱是线状谱，由具有各别波长的谱线构成。

谱线的波长决定于靶子的材料，每一种元素有一套一定波长的线谱，成为这元素的标识，所以称为标识谱。

标识谱有下述特征：各元素的标识谱有相似的结构，清楚地分为几个线系，波长最短的一组线称为K 线系，这个线条一般可以观察到三条谱线称作 Kα,Kβ,Kγ。Kα线最强，它的波长最长，实际由两条线组成，Kγ线最弱，它的波长最短。

比K线系的波长更长一些，谱线也较多的一组谱线称为L线系，波长更长的还有M线系和N线系，线系的结构与化学成分无关。X射线管上需要加几万伏特的电压才能激发出某些线系，X射线的光子能量比可见光的光子能量大得多。

综上所述可以得出：X 射线的标识谱是靶子中的原子发出的，从它的不显示周期变化，同化学成分无关和光子能量很大来看，可以知道这是原子内层电子跃迁所发的。

关于各线系的谱线怎样由内层电子发射的问题早已研究清楚： K线系是最内层以外各层电子跃迁到最内层的结果。L线系是第二层以外各层的电子跃迁到第二层的结果。M线系是第三层以外各层的电子跃迁到最内层所发射的。K系中波长最长，强度最大的，是第二层的电子跃迁到最内层时所发射的。波长最短而且比较弱的 Kγ线是n=4那一层电子跃迁到最内层的结果。

标识谱反映了原子内层结构的情况，谱线的波长代表能级的间隔，谱线的精细结构显示能级的精细结构，所以 X 射线标识谱对研究原子结构问题有重要意义。

18.定量分析原子在外磁场B中所受到作用及运动情况。答：1.拉莫尔旋进

19.论述材料抗磁性与顺磁性原理。

答：有些物质放在磁场中磁化后，它的宏观磁矩的方向同磁场方向相反，这类物质称为抗磁性的。另一类物质在磁场中磁化后宏观磁矩的方向同磁场方向相同，这类物质称为顺磁性的。

1.抗磁性

抗磁性是磁场对电子轨道运动所起作用的结果；电子轨道运动在磁场中会发生旋进，旋进角动量的方向在任何情况下都是在磁场的方向，同电子轨道运动的速度和方向无关。在同一磁场下，旋进的速度是常数。因此一个原子中所有的电子构成一个整体绕着磁场旋进，形成一个电子的环流，但电子带负电，会产生磁矩指向磁场的相反方向，这就是抗磁性的来源。抗磁性既是磁场对电子轨道运动的作用的结果，应该发生有任何原子或分子中，因此是普遍存在的。

但是对于原子，只有在J=0，因而磁矩为0的情况下，抗磁性才显出来。如果J≠0，较强的顺磁性会掩盖了抗磁性。

2.顺磁性

顺磁性是具有磁矩的原子在磁场中各种取向的平均效果。

原子磁矩在磁场中的取向是量子化的，只能有2J+1个取向，相当于2J+1个能级，由于无规则热运动，原子相互碰撞，交换能量，当达到热平衡时，原子在诸能级的分布符合波耳兹曼分布律。每一个能级相当于磁矩的一个取向，具有较低能级的原子数比高能级的原子数要多，而磁矩是正值的能级低于负值的能级。所以大量具有总磁矩的原子的平均磁矩是正的，也就是平均磁矩是向着磁场的方向的。这就显出顺磁性。温度越高，顺磁性效应越弱。

因此：凡是总磁矩等于零的原子或分子都表现抗磁性，总磁矩不等于零的原子或分子表现顺磁性。

20.什么是塞曼效应，详细论述塞曼效应的理论解释。分析从2D3/2到2P1/2跃迁产生的谱线的塞曼效应结果。

答：当光源放在足够强的磁场中时，所发光谱的谱线会分裂成几条而且每条谱线的光是偏振的，这称为塞曼效应。

原子处在磁场中，其发出的谱线会比未加磁场时多出几条，对此我们可以类比原子光谱精细结构产生的机理（原子光谱精细结构是由于原子中电子自旋磁矩在电子轨道运动产生的磁场的作用下，在原子原来的能级上增加了附加能量，致使能级分层，出现谱线的精细结构），在这里，由谱线增多，我们也可以判断是原子中发生跃迁产生谱线的对应能级增多了，也就是说原子在未加磁场时的能级的基础上增加了附加能量，而这种附加能量实质是磁场对原子磁矩的作用所致。下面将讨论磁场与原子磁矩的作用的关系。1．原子的总磁矩

在构成物质的最小单元原子中，存在着复杂的运动，而原子中带电荷的电子和原子核的复杂运动使原子产生了磁矩。有以下三种：

遵循跃迁选择原则。

（3）能级分裂成(2J+1)层，能级间隔：EgjBB，朗德因子gj12J(J1)L(L1)S(S1)，则：

2J(J1)344D3/2能级分裂为214层；g2,E2BB

255122212g,EBB，第二问需要）（2P能级分裂为层；111/2233（4）谱线分裂为6条，格罗春图为：

M3/21/22/5-1/2-2/5-3/2-6/5M2g26/5M1g1M2g2-M1g11/3-1/3-1/1513/1511/15-11/15-13/151/15

11311111113()(M2g2M1g1)L(,,，,)L ***5131波数位移最小为L，最大为L

近代物理和原子物理考点追踪篇6

近代物理初步和原子物理属于非重点内容, 但每年高考都考、并且通常以选择题出现, 笔者对考点进行了分类归纳总结, 供大家参考.

一、玻尔理论

主要考查跃迁和能级相结合、以跃迁为基础的小综合题.

1.跃迁规律归纳如下

(1) 氢原子由高能级向低能级跃迁, 要释放能量, 通常以光子形式出现, 这就是原子发光的原理, 还可能转化为动能形式释放;并且释放的能量一定等于跃迁的两个能级的能量差, 数学表达式为:ΔΕ=Εm-En (m、n为跃迁的两个能级的量子数) ;

(2) 氢原子由高能级向相邻的低能级跃迁, 量子数n越大, 发出光子的频率γ越小、波长λ越长;否则n越小, γ越大、λ越短;

(3) 氢原子由某个确定的高能级向低能级 (量子数为n) 跃迁, n越小释放的光子频率γ越大、波长λ越短;否则n越大, 则γ越小、λ越长;

(4) 任何两能级之间的能级差一定等于这两能级之间各相邻的能级差之和;

(5) 氢原子由高能级 (量子数为m) 向低能级 (量子数为n) 跃迁放出的能量一定等于由低能级n向高能级m跃迁所吸收的能量, 吸收和发出光子的频率、波长一定相等;

(6) 一群氢原子由高能级 (量子数n) 向低能级跃迁, 发出的光子的频率最多有C $_{n}^{2}$ 种;

一个氢原子由高能级 (量子数n) 向低能级跃迁, 发出的光子的频率最多有 (n-1) 种;

(7) 通过电子 (外来) 的碰撞, 使处于低能级m的氢原子获得能量向高能级n跃迁, 获得的能量必等于这个低能级和一个高能级的能量差ΔE=En-Em才行, 则电子的动能一定要大于ΔE、小于En+1-Em.

2.能级规律总结如下

(1) 能级总能量E等于处于该能级上的电子的动能Ek与势能EP之和, 即E=EK+EP;

(2) 量子数为n、轨道半径为Rn的能级上的电子的动能, 由库仑力提供向心力, 即 $\frac{Κ e^{2}}{R_{n}^{2}} = \frac{m v^{2}}{R_{n}}$ 可得 $E_{Κ} = \frac{Κ e^{2}}{2 R_{n}}$ , 而势能为 $E_{Ρ} = - \frac{Κ e^{2}}{R_{n}};$

(3) 能级总能量为E, 处于该能级上的电子的动能EK与势能EP的数量关系为:

EP=-2EK, E=-EK;

(4) 量子数越大, 能级总能量E越大、动能越小、势能越大.

例1 (2007年全国理综卷Ⅰ、19题) 用大量具有一定能量的电子轰击大量处于基态的氢原子, 观测到了一定数目的光谱线.调高电子的能量在此进行观测, 发现光谱线的数目比原来增加了5条.用Δn表示两次观测中最高激发态的量子数n之差, E表示调高后电子的能量.根据氢原子的能级图 (图1) 可以判断, Δn和E的可能值为 ( )

(A) Δn=1, 13.22 eV<E<13.32 eV

(B) Δn=2, 13.22 eV<E<13.32 eV

(D) Δn=2, 12.75 eV<E<13.06 eV

分析:首先搞清过程, 过程1:处于基态的氢原子受到电子轰击、跃迁到高激发态;过程2:高激发态的氢原子再向低能级跃迁, 发出光子、观察到光谱线.

解:光谱线增加5条, ΔN=5, 即C $_{n}^{2}$ -C $_{m}^{2}$ =5, 其中m<n, m、n可能取值为:

(1) m=2、n=6, 则Δn=2, 跃迁规律1中 (1) 可知ΔE1=E4-E1=12.75 eV、ΔE2=E5-E1=13.06 eV, 再根据跃迁规律1中 (7) 中可得12.75 eV<E<13.06 eV, 选项 (D) 对;

(2) m=5, n=4, 则Δn=1, 同理可判断 (A) 选项对;

所以此题正确答案为 (A) 、 (D) .

点评:熟练掌握跃迁规律和能级规律是解题的基础, 根据光谱线增加5条讨论是解题的重点和难点.

例2 (2007年全国理综卷Ⅱ、18题) 氢原子在某三个相邻能级之间跃迁时, 可能发出三种不同波长的辐射光.已知其中的两个波长分别为λ1和λ2, 且λ1>λ2, 则另一个波长可能是 ( )

$\begin{array}{l} (A) λ_{1} + λ_{2} (B) λ_{1} - λ_{2} \\ (C) \frac{λ_{1} λ_{2}}{λ_{1} + λ_{2}} (D) \frac{λ_{1} λ_{2}}{λ_{1} - λ_{2}} \end{array}$

解析:如图2, 相邻三个能级量子数分别为n1、n2、n3, 设n3向n1和n2跃迁时发出光子的频率分别为γ31和γ32, 设n2向n1跃迁时发出光子的频率分别为γ21.

由跃迁规律 (2) 可知γ21>γ32, 由 (3) 可知γ31>γ32, 则γ31>γ21>γ32.又根据跃迁规律 (4) 可知 $\frac{h c}{λ_{31}} = \frac{h c}{λ_{32}} + \frac{h c}{λ_{21}}$ , 即

$\frac{1}{λ_{31}} = \frac{1}{λ_{32}} + \frac{1}{λ_{21}} (*)$

题中两个波长λ1>λ2, 则λ1和λ2可能分别为λ32和λ21 (情形1) , 也可能分别为λ32和λ31 (情形2) .

情形1, 由 (*) 有 $\frac{1}{λ} = \frac{1}{λ_{1}} + \frac{1}{λ_{2}} (C)$ 对,

情形2, 由 (*) 有 $\frac{1}{λ_{2}} = \frac{1}{λ} + \frac{1}{λ_{1}} (D)$ 对,

此题正确答案为 (C) 、 (D) .

点评:注意抓住跃迁时的能量关系列方程, 然后分情况讨论.

例3 现有1200个氢原子被激发到量子数为4的能级上, 若这些受激氢原子最后都能回到基态, 则在此过程中发出的光子总数为多少? (假定处在量子数为n的激发态的氢原子跃迁到各较低能级的原子数都是处在该激发态能级上的原子总数的

$\begin{array}{l} \frac{1}{n - 1}) \\ (A) 2200 (B) 2000 \\ (C) 2400 (D) 1200 \end{array}$

解析:

用A表示能级上原子数目、n为量子数, 用表格的形式分析, 则为:

点评:抓住、理解题中信息“量子数为n的激发态的氢原子跃迁到各较低能级的原子数都是处在该激发态能级上的原子总数的 $\frac{1}{n - 1}$ ”, 分析出各种情况发出的光子数, 审题是关键.

二、科学史知识

归纳考查知识点:

1.1896年法国的贝克勒尔发现铀和天然放射现象, 揭示了原子核具有复杂结构, 揭开了原子核结构研究的序幕;注:1895年德国的伦琴用高速电子流撞击对阴极发现X射线;

2.1897年英国的汤姆生发现电子, 揭开了原子结构研究的序幕;

3.1909～1911年英国的卢瑟福根据α粒子散射实验提出了原子的核式结构;

4.1919年卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了质子, 这是第一次实现原子核的人工转变;查德威克用α粒子轰击铍原子核发现中子;

5.1905年, 爱因斯坦根据普朗克的量子理论提出了光子说, 成功解释了光电效应现象;

6.1913年丹麦的玻尔提出了原子结构假说 (玻尔理论) ;

7.1924年法国的德布罗意发现物质波 (德布罗意波) ;

8.核电站是利用重核裂变 (铀235) 释放的核能发电, 我国的核电站有浙江秦山核电站和广东大亚湾核电站;

9.太阳和很多恒星内部进行热核反应, 这是轻核聚变, 目前除了氢弹外还不能控制聚变反应, 和平利用聚变释放的核能;

10.我国自行研制的可控热核反应实验装置“中国环流器一号”于1984年已经顺利启动;

11.我国具有国际先进水平的可控热核实验装置“HT-7超导托卡马克”于1994年安装调试成功;

12.1939年德国的哈恩和斯特拉斯曼发现用中子轰击铀核发生裂变.

例4 (2007年北京理综卷14题) 下列说法正确的是 ( )

(A) 太阳辐射的能量主要来自太阳内部的核裂变反应

(B) 汤姆生发现电子, 表明原子具有核式结构

(D) 按照波尔理论, 氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时, 电子的动能减小, 原子总能量增加

解析:由知识点9可知 (A) 错, 由知识点2可知 (B) 错, 由光子能量E=hc/λ可知波长越长, 光子能量越小, 越不容易发生光电效应, (C) 错, 由能级规律4可知 (D) 对, 所以正确答案为 (D) .

点评:此题为一原子物理和光电效应相结合的小综合题, 熟练掌握知识点和规律是解题的关键.

例5 (2006年广东物理卷3题) 下列说法正确的是 ( )

(A) 康普顿发现电子

(B) 卢瑟福提出了原子的核式结构模型

(D) 伦琴发现了X射线

解析:由知识点2可知 (A) 错, 由知识点3可知 (B) 对, 由知识点1可知 (C) 和 (D) 对, 所以正确答案为 (B) 、 (C) 、 (D) .

三、核反应、核方程

1.核反应方程遵循的规律:

质量数守恒和电荷数守恒;在核反应中有四个守恒:质量数、电荷数、动量和能量.

2.核反应类型:

(1) 衰变:

α衰变和β衰变, 自然界中自然发生的核反应, 分别放出α粒子和β粒子;

(2) 人工转变:

人为地用α粒子轰击原子核而发生的核反应, 记住质子和中子发现的核反应方程.

质子发现: $_{7}^{14}$ N+ $_{2}^{4}$ He→ $_{8}^{17}$ O+ $_{1}^{1}$ H,

中子发现: $_{4}^{9}$ Be+ $_{2}^{4}$ He→ $_{6}^{12}$ C+10n;

(3) 重核裂变:

重核裂变成几个中等质量的原子核, 释放核能;

(4) 轻核聚变:

几个轻核结合成一个中等质量的原子核, 释放能量, 典型聚变核反应方程: $_{1}^{2}$ H+ $_{1}^{3}$ H→ $_{2}^{4}$ He+ $_{0}^{1}$ n.

例6 (2007年上海物理卷6题) $_{92}^{238}$ U衰变为 $_{86}^{222}$ Rn要经过m次α衰变和n次β衰变, 则m, n分别为 ( )

(A) 2, 4 (B) 4, 2

解析:抓住β衰变不改变原子核质量数的特点, 可知 $_{92}^{238}$ U衰变为 $_{86}^{222}$ Rn质量数减少16, 发生4次α衰变, 再根据电荷数守恒则可写出核反应方程为 $_{92}^{238}$ U→ $_{86}^{228}$ Rn+ (4) $_{2}^{4}$ He+ (2) $_{- 1}^{0}$ e, 所以正确答案为 (B) .

例7 (2006年全国理综卷Ⅰ、14题) 某原子核AZX吸收一个中子后, 放出一个电子, 分裂为两个α粒子.由此可知 ( )

(A) A=7、Z=3 (B) A=7、Z=4

解析:由题意可写出核反应方程为

AZX+ $_{0}^{1}$ n→2 $_{2}^{4}$ He+ $_{- 1}^{0}$ e, 根据质量数和电荷数守恒分别有A+1=8、Z=4-1, 所以正确答案为 (A) .

四、光电效应

1.光电效应的四点规律

(1) 频率的极限性:各种金属都存在着极限频率和极限波长.入射光的频率大于极限频率才能发生光电效应现象, 与入射光的强弱、照射时间长短均无关;

(2) 最大初动能:发生光电效应逸出光电子的最大初动能与入射光的频率有关, 随入射光的频率的增大而增加.注意:首先以金属不变为前提, 其次不是与频率成正比的增加, 最大初动能不是初动能;

(3) 时间的短暂性:大于极限频率的入射光照射到金属表面上, 几乎同时产生光电效应, 时间差不超过10-9s;

(4) 光电子数:在发生光电效应的前提下, 逸出的光电子数目与入射光的强度有关, 入射光越强, 逸出的光电子数越多.

2.光子说:光子是不连续的、是一份一份的, 每一份叫做一个光子, 光子能量为E=hγ, 其中γ为光子的频率.

3.光电效应方程EK=hγ—W, 式中EK为最大初动能、γ为入射光的频率、h为普朗克常量、W为金属的逸出功;逸出功:使电子脱离金属做功的最小值, 称之为这种金属的逸出功, 由金属本身来决定, 同种金属的逸出功都相同.

由方程可知,

当EK=0时, $\frac{W}{h}$ 称为极限频率;只有当 $γ > \frac{W}{h} ‚ E_{Κ}$ 大于0, 发生光电效应, 这便是每种金属都有极限频率的原因;逸出功W一定的前提下, 最大初动能EK随入射光频率γ的增大而增大.

例8 (2007年天津理综18题) 图3为氢原子能级的示意图, 现有大量的氢原子处于n=4的激发态, 当向低能级跃迁时辐射出若干不同频率的光.关于这些光下列说法正确的是 ( )

(A) 最容易表现出衍射现象的光是由n=4能级跃到n=1能级产生的

(B) 频率最小的光是由n=2能级跃迁到n=1能级产生的

(D) 用n=2能级跃迁到n=1能级辐射出的光照射逸出功为6.34 eV的金属铂能发生光电效应

解析:这是一道跃迁和光电效应的综合题.波长越长、频率越小的光越容易表现干涉、衍射现象, (A) 错;根据跃迁规律 (2) 可知n=4向n=3的能级跃迁发出的光子的频率最小, (B) 错;由跃迁规律 (6) 可知大量氢原子从n=4的激发态向低能级跃迁发出的光子频率的种类最多为6种, (C) 错;由跃迁规律 (1) 可知从n=2能级跃迁到n=1能级辐射出的光子的能量为hγ=10.2 eV>6.34 eV, 根据光电效应规律2可知能发生光电效应, (D) 对.正确答案为 (D) .

例9 (2006年广东物理卷13题) 已知能使某金属发生光电效应的极限频率为γ0, 则 ( )

(A) 当用频率为2γ0的单色光照射该金属时, 一定能产生光电子

(B) 当用频率为2γ0的单色光照射该金属时, 产生光电子的最大初动能为hγ0

(D) 当入射光的频率γ大于γ0时, 若γ增大一倍, 则光电子的最大初动能也增大一倍

解析:此题考查光电效应知识.每种金属的逸出功W都相同, (C) 错;由光电效应方程可知W=hγ0, 若入射光频率为2γ0时, 最大出动能为EK=h (2γ0) -W=hγ0, (A) 、 (B) 对;由光电效应规律 (2) 可知 (D) 错, 所以正确答案为 (A) 、 (B) .

五、质能方程

核反应中放出的能量称为核能.物体的能量和质量存在着一定的数量关系E=mc2.核子在结合成原子核时出现质量亏损, 所以要放出能量, 大小为ΔE=Δmc2.注意1 μ相当于931.5 MeV的能量, 质量亏损为mμ, 释放的能量为 (m×931.5) MeV.

例10 如图4所示为原子核的核子平均质量m与原子序数Z的关系图象, 则下列说法中正确的是 ( )

(A) 若F、E结合成D, 结合过程一定要释放能量

(B) 若F、E结合成D, 结合过程一定要吸收能量

(D) 若A分裂成B、C, 分裂过程一定要吸收能量

解析:A对B、C来讲为重核, 核子平均质量, 分裂成B、C出现质量亏损, 释放能量;同理E、F对D来讲为轻核, 核子平均质量大, 结合成D出现质量亏损, 释放能量, 所以正确答案为 (A) 、 (C) .

例11 (2006年四川理综16题) 某核反应方程为 $_{1}^{2}$ H+ $_{1}^{3}$ H→ $_{2}^{4}$ He+X.已知: $_{1}^{2}$ H的质量为2.0136μ、 $_{1}^{3}$ H的质量为3.0180 μ、 $_{2}^{4}$ He的质量为4.0026μ、X的质量为1.0087μ, 则下列说法正确的是 ( )

(A) X是质子, 该反应释放能量

(B) X是中子, 该反应释放能量

(D) X是中子, 该反应吸收能量

解析:根据核反应中质量数和电荷数守恒可知X为中子, 又 $_{1}^{2}$ H和 $_{1}^{3}$ H的质量之和为5.0316μ、 $_{2}^{4}$ He和X的质量之和为5.0113 μ, 显然出现了质量亏损, 则反应释放能量, 所以正确答案为 (B) .

点评:此题考查核反应中的质量数、电荷数守恒和质能方程, 注意培养守恒思想, 如质量、电量、能量和动量的守恒.

例12 (2006年江苏省物理18题、有改动) 把氢核聚变反应简化为4个氢核 ( $_{1}^{1}$ H) 聚变成氦核 ( $_{2}^{4}$ He) , 同时释放出2个正电子 ( $_{1}^{0}$ e) 和两个中微子 (ve) , 请写出氢核聚变反应的方程, 并计算一次氢核聚变反应释放的能量.已知原子质量单位1μ=1.66×10-27kg, 1μ相当于1.5×10-10J的能量, 电子质量为me=0.0005 μ, 氦核质量为mα=4.0026 μ, 氢核质量为mP=1.0078 μ, 中微子的质量为0.

解析:根据质量数和电荷数守恒可知氢核聚变反应的方程为4 $_{1}^{1}$ H→ $_{2}^{4}$ He+2 $_{1}^{0}$ e+2ve;

一次反应质量亏损为Δm=4mP- (mα+2me) =0.00276 μ, 根据质能方程ΔE=ΔmC2=0.00276×1.5×10-10J=4.14×10-12J.

衔接练习:

1.下列说法中正确的是 ( )

(A) 玛丽·居里首先提出原子的核式结构学说

(B) 卢瑟福在α粒子散射实验中发现了电子

(D) 爱因斯坦为解释光电效应的实验规律提出了光子说

2. (2008年全国卷理综18题) 三个原子核X、Y、Z, X核放出一个正电子后变成Y核, Y核与质子发生核反应后生成Z核并放出一个氦核 ( $_{2}^{4}$ He) , 则下面说法正确的是 ( )

(A) X核比Z核多一个质子

(B) X核比Z核少一个中子

(D) X核与Z核的总电荷数是Y核电荷的2倍

3. (2007年四川省理综卷16题) 关于天然放射现象, 下列说法正确的是 ( )

(A) 放射性元素的原子核内的核子有半数发生变化所需的时间就是半衰期

(B) 放射性物质放出的射线中, α粒子动能很大, 因此贯穿物质的本领很强

(D) 放射性的原子核发生衰变后产生的新核从高能级向低能级跃迁时, 辐射出γ射线

4. (2006年全国理综卷Ⅱ、14题) 现有三个核反应:

① $_{11}^{24}$ N→ $_{12}^{24}$ Mg+ $_{- 1}^{0}$ e

② $_{92}^{235}$ U+ $_{0}^{1}$ n→ $_{56}^{141}$ Ba+ $_{36}^{92}$ Kr+3 $_{0}^{1}$ n

③ $_{1}^{2}$ H+ $_{1}^{3}$ H→ $_{2}^{4}$ He+ $_{0}^{1}$ n

下列说法正确的是 ( )

(A) ①是裂变, ②是β衰变, ③是聚变

(B) ①是聚变, ②是裂变, ③是β衰变

(D) ①是β衰变, ②是聚变, ③是裂变

5. (2006年广东省物理卷5题) 据新华社报道由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置 (又称“人造小太阳”) 已完成了首次工程调试.下列关于“人造太阳”的说法正确的是 ( )

(A) 人造太阳的核反应方程是

$_{1}^{2}$ Η+ $_{1}^{3}$ Η→ $_{2}^{4}$ He+ $_{0}^{1}$ n

(B) 人造太阳的核反应方程是

$_{92}^{235}$ U+ $_{0}^{1}$ n→ $_{56}^{141}$ Ba+ $_{36}^{92}$ Kr+3 $_{0}^{1}$ n

(D) “人造太阳”释放核能的大小的计算公式为 $E = \frac{1}{2} m c^{2}$

参考答案:

1. (C) 、 (D) 2. (C) 、 (D) 3. (D)

4. (C) 5. (A) 、 (C)

近代物理实验篇7

然而很多学校对近代物理知识的要求并不高, 有的学校甚至只介绍一点狭义相对论的知识, 对于量子力学部分根本不介绍, 近代物理在高科技中应用更是避而不谈。在这种情况下, 势必会存在两种弊端, 第一, 那些再也不接触物理课程的学生有可能永远都不会知道相对论力学与量子力学在研究什么, 也不可能知道相对论力学与量子力学的发展对科学的发展、社会的进步起着怎样的推动作用。这对于上过大学的学生来说无疑是一件悲哀的事情;第二, 在这种情况下, 使得对大学物理神往的学生一接触到大学物理课程, 就大失所望, 因为大学物理中许多内容与高中所学的内容重复。所以如果我们再以传统的方式花大力气在这些经典内容上, 势必会扼杀学生的学习兴趣。

为了能使学生感到大学物理内容新颖、有学头, 为了适应当代科技和社会发展对物理教学的要求, 为了给国家培养既能掌握新技术, 又能创造新技术的高素质人才, 我们应该精简经典物理内容, 提高讲课起点, 着重加强那些新理论、新技术所需要的近代物理基础知识, 主要是近代物理中的基本概念、基本理论和基本方法, 加强近代物理和现代科学技术知识。这样不但能提高学生对科技前沿问题的兴趣, 而且启发了学生进行创造性研究的欲望, 提高学生科学素质和综合应用能力。

然而, 我们面对的是工科类学生, 他们的数学基础相对薄弱, 单纯的讲述近代物理的理论部分, 势必会将学生讲的云里雾里, 或者是知其然不知其所以然, 久而久之, 他们也会产生厌学心理。所以我们给工科学生讲述近代物理时, 应该简单讲述基本概念, 基础知识, 在此基础上, 多讲述与近代物理知识相对应的新科技, 或者介绍近代物理这一方面的科研热点, 如量子保密通讯, 量子计算机等, 这不但能够激发学生的学习兴趣, 还能达到学以致用的效果。例如, GPS现在已经广泛应用于日常生活中, 比如在手机、汽车、轮船、飞机等领域都有应用。就是这样一个跟我们密不可分的一项新科技, 就用到了近代物理中的相对论知识。

早期的GPS接收器确定物体位置的误差是在15米范围内, 这个误差实际是相对论效应使导航星时钟较地面时钟产生了相对偏差[1], 需要爱因斯坦相对论来修正。每个GPS卫星载原子钟每天要比地球上的钟慢7微秒。卫星所受的较弱引力添加了另一种相对论效应, 使得时钟每天快45微秒。因此, 为了得到准确的GPS数据, 将星载时钟每天拨回38微秒的修正项必须计算在内。因为广域增强系统依赖从地面基站发出的额外信号, 配备了该系统的GPS接收器, 就消除了相对性误差。

讲完这个相对论的应用后, 相信学生的体会一定是:相对论离我们并不遥远, 它就在我们的身边, 而且我们时时都在受益。

另外一个例子是关于量子信息方面的。我们熟知的信息传递是经典信息的传递, 包括发电报, 电话通话等, 这些信息在传递时, 容易被窃听, 信息传递时不安全的。而量子信息的传递, 信息不会被截获, 所以国家乃至世界范围内掀起了量子信息传递的热潮。量子信息传递的一个关键技术是量子态隐形传输, 量子态隐形传输就是指利用“量子纠缠”技术 (在量子世界中存在一种类似“心电感应”的现象, 即通常所说的“量子纠缠”。) [2], 借助卫星网络、光纤网络等经典信道, 传输量子态携带的量子信息。利用量子纠缠技术, 需要传输的量子态如同科幻小说中描绘的“超时空穿越”, 在一个地方神秘消失, 不需要任何载体的携带, 又在另一个地方瞬间神秘出现。量子态隐形传输利用的就是量子的这种特性, 我们首先把一对携带着信息的纠缠的光子进行拆分, 将其中一个光子发送到特定位置, 这时, 两地之间只需要知道其中一个光子的即时状态, 就能准确推测另外一个光子的状态, 从而实现类似“超时空穿越”的通信方式。

2012年8月, 中国科学家潘建伟等人在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发, 为发射全球首颗“量子通讯卫星”奠定技术基础。

相信这样的前沿性科研问题, 必定能引起学生的学习兴趣, 而这样的讲述方式, 也能引导学生提前走进科学研究。

总之, 在给工科学生讲述近代物理时, 应该少讲数学推理, 多讲述与近代物理知识相对应的新科技, 这样才能激发学生的学习兴趣, 提高学生的接受程度。S

摘要：近代物理有两大分支, 相对论力学和量子力学, 在这两大分支的理论基础上, 科学技术突飞猛进的发展。为了给国家培养既能掌握新技术, 又能创造新技术的高素质人才, 我们在讲授大学物理时, 应该提高讲课起点, 加强近代物理知识和现代科学技术的讲解。这样不但能提高学生对科技前沿问题的兴趣, 而且启发了学生进行创造性研究的欲望, 提高学生科学素质和综合应用能力。

关键词：近代物理,相对论,量子力学,高素质人才

参考文献

[1]邹来智.导航星全球定位系统与相对论[J].现代物理知识, 1997 (1) :20-21.

近代物理学课程双语教学的探讨篇8

关键词：双语教学,近代物理学,教学模式

在竞争日益激烈的今天, 高等学校培养高素质人才的压力越来越大, 而既懂专业又要具有较高英语综合素质、较强国际交流与合作能力的高层次人才更受到用人单位的青睐。为了提高我国高等教育的国际竞争力, 国家提倡在本科教育中开展“双语教学” (bilingual education) , 即将母语以外的另一种语言直接应用于语言科以外的其他学科的教学, 使第二语言的学习与各学科知识的获取同步。在双语教学中, 学科知识的获得是主要目的, 同时也是给学习者创造学习和使用第二语言的空间, 使学生在掌握学科知识的同时, 能够尽可能地使用需要他们掌握的第二语言。终极目的是让学生同时使用母语和第二语言进行思维, 能在这两种语言之间根据交际对象和工作环境的需要切换, 使他们具有跨文化交流的能力, 并树立跨文化的意识。现在这已成为高等院校一项重要而紧迫的任务, 也是教学改革的一个战略要点。作为师范专业的学生, 他们的外语水平和专业素养尤为重要, 作为未来的人民教师其自身的素质对于他们所从事的教育事业具有非常大的影响。

一、“近代物理学”开展双语教学的优势

在师范类物理专业学生所学课程中, “近代物理学”起到了承前启后的关键作用, 它对于经典物理学的原理进行了根本性的改造, 并以相对论和量子力学作为理论核心, 是经典物理和量子力学的纽带, 被广泛地应用于很多领域。

在“近代物理学”教学中开展双语教学具有很多优势。学校的“近代物理学”是在第六学期开课, 学生处于大三阶段, 比较成熟, 在面临科技革命的挑战和人才市场竞争激烈的社会大环境下, 学生对于提高外语应用能力的自我意识空前觉醒, 学习动机和求知欲日益增强;有很多学生已经通过了大学英语四级的考试, 听、说、读、写、译的能力已经建立, 英语单词有了一定的积累, 学生已初步掌握了3 000～4 000个基本英语词汇和系统的语法技能;已有系统的中学物理知识基础和大学物理学习阶段对有关物理概念的了解, 这些都为双语教学作了前期准备;已经学习了微积分, 数学分析过程是中英文物理教材中共同的逻辑语言和思维工具, 借助于数学推导, 会促进学生对英文表达的物理内容的理解;由于物理专业词汇以极高的重复率在课文中出现, 学生完全可以在阅读中记忆。这些优势条件也是师生建立使用英文物理教材进行双语教学自信心的基础。

二、“近代物理学”双语教学的探讨

1.认真选择原版教材

双语教学必须使用原版英文教材, 因为原版教材的英语书写流畅、用词广泛贴切, 既提供了常规近代科技英语的样本, 又含有丰富的本土人文知识的大量信息。而且英文教材的物理内容相对国内教材来讲比较浅, 着力于对概念定律的物理意义的定性分析和说明, 非常注重用生动的例子来理解物理概念, 注重理论联系实际, 让人感觉物理与生活息息相关。但是我们必须清晰地认识到, 不管是国内教材还是国外英文教材, 其水平都有很大的差别, 进行双语教学的教师必须根据教学需要对教材内容进行取舍, 结合国内物理教材, 以保证双语教学的质量。经过几年的教学实践, 对比了多种教材, 最后选定由高等教育出版社出版的, Jeremy Bernstein等编著的《Modern Physics近代物理学 (改编版) 》作为双语教学的原版教材。该教材的内容紧密联系实际, 比较全面系统地论述了近代物理学的内容, 图文并茂, 语言优美;在内容的安排上, 由浅入深, 便于教与学。

2.改进现有教学手段

在“近代物理学”双语教学过程中, 以多媒体教学为主, 以传统的黑板板书为辅助。“近代物理学”是一门理论性强且与经典物理差距较大的课程, 多媒体中的FLASH动画能够将原子中电子的运动过程等以仿真动画的形式生动形象地展现给学生, 便于学生理解与掌握理论知识。考虑到中国学生普遍存在的阅读能力强而口语相对较差的特点, 教师在组织教学时应该特别注意英文课件的使用。形象生动的课件不仅可以提高课堂授课的信息量, 还大大提高了学生的学习兴趣, 对于双语教学而言, 它又起着在中文教学中不曾有的作用——教师与学生之间语言沟通的桥梁。适当的板书是获得良好教学效果所必需的, 提纲挈领、言简意赅的板书是保证课堂教学效果非常重要的手段。对于双语教学来说, 这一点显得更为重要。对于学生来说, 使用非母语学习最大的障碍就在于语言的沟通, 而对中国学生来说, 外语的书面文字交流能力要比其他任何的交流手段都要强很多。另外还可以利用丰富的网络资源。网络为教学提供了一种新的、功能强大的、集成性的信息传递媒介, 把超大容量的、形式多样的物理双语教学资源智能化地整合在一起, 让学生突破时空限制, 充分发挥学生学习潜能, 解决学生个性差异问题, 促进学生个性化学习, 大面积提高教学质量。

3.多样化的教学方法

(1) 循序渐进, 逐步加大英语所占比例

双语教学的具体方式有很多种, 大体可以分为三大类:第一类, 全程英语教学, 采用原版英语教材, 外语授课, 使用少量的中文解释, 这种教学方式对教师英语表达能力和学生的英语基础要求都比较高。第二类, 常规双语教学, 采用原版英语教材, 中、英文结合讲授, 讲授以中文为主、英文为辅, 要求教师具备较高的外语表达能力, 学生具备较好的外语基础。第三类, 掺入式双语教学, 采用中文教材, 以中文讲授为主, 适当掺入英文表述。部分章节采用原文教材, 以中文讲授为主, 以外文为辅, 外语的掺入量可以因教师和学生的英语水平的不同而有较大差异。

作为地处黑龙江的省属高校, 生源英语成绩差异较大, 不可能达到全英文听课的程度, 只能在常规双语教学和掺入式双语教学之间探索合适的课堂教学方法。为了达到双语教学的目的, 掌握英语和汉语使用的比例是决定双语教学效果的一个非常关键的因素。在课程学习之初, 教师应适当多用中文进行解释, 等学生对课程专业词汇比较熟悉、有了一定的英文学习习惯之后, 再逐步增加课堂英文授课的比例。要循序渐进, 切不可为了一时片面追求双语教学而影响学生对知识的掌握。在起始阶段, 应采用英文板书, 以汉语为主以英语为辅来进行讲述;汉语讲述侧重于该课程的推理和逻辑关系, 而对其中的重要概念、原理、术语等则用英语讲述。学生会在耳濡目染中熟悉本门课程基本内容的英文表达方式。第二阶段采用以英语为主、以汉语为辅的教学方式。这个阶段汉语的作用主要集中在对本门课程的难点进行诠释, 便于学生理解和掌握。经过上两个阶段的铺垫, 如果学生能够达到一定的水平, 第三阶段便尝试着全英文授课, 达到双语教学的最理想阶段, 时间的长短可以根据学生的英文水平、接受能力等实际情况灵活安排。

(2) 寻找合适的切入点, 提高学生学习兴趣

为了提高学生的学生兴趣, 需要在物理和英文之间寻找合适的切入点。第一, 物理符号的英文来历。物理中大量的物理符号其实都来源于相应的英文表达。简单的, 如力F—force, 质量m—mass, 速度v—velocity, 频率f—frequency等。其他的音译词如康普顿效应 (Compton effect) , 直接告诉学生其原始说法是最好的, 实际中也更受到学生的欢迎。第二, 物理学史的介绍。我们都知道对近代物理学的发展作出重大贡献的基本都是欧美的科学家, 其中很多人都是以英语为母语的。在对这些物理学史做相应介绍的时候, 直接采用其相应的英文资料不仅会提高学生的英语阅读能力, 而且会加深他们的印象, 获取的资料也更全面, 使英语这种语言的工具真正地得以运用。第三, 英语是世界上使用最广泛的外语, 物理学科中许多有影响的刊物都是用英语出版的。培养学生用英语思维物理的能力, 以便高效地获取相关领域研究发展的最新信息, 进而能提高与国际交往的能力, 对于他们进一步的成长是极其重要的。

(3) 采用多种形式, 提高学生语言能力

学生的语言能力是指阅读能力和表达能力。在双语教学的初始阶段, 专业内容较简单, 在教学过程中要适时提醒学生使用专业词汇, 熟习专业内容的表达方式和特点, 对涉及到的典型表达方式进行剖析, 使其逐步提高阅读速度和表达能力。要注意培养学生“猜词”的能力, 即对生疏的词汇根据上下文的意思对词汇含义进行猜测, 培养他们用英文进行思考、进行口头和书面表达的习惯。在实际教学过程中, 用英语向学生提出问题, 要求学生也用英语来回答, 同时课后作业题用英文的形式给出, 要求学生用英文来作答。刚刚开始时, 学生可能有些不适应, 然而随着学生所学知识的增加, 他们会逐步适应双语教学。然后, 适当增加每堂课的教学内容, 加快教学速度。当学生语言能力达到一定程度后, 可以根据课程内容, 指定一些英文文献或选讲内容, 让学生阅读, 写出阅读报告, 每讲授完一章内容之后, 布置一些讨论专题, 让学生课后阅读、收集和整理相关的资料, 要求他们在讨论课上用英语发言, 教师给予适当的点评和指导。

(4) 采用灵活多样的双语教学考核方法

为了取得更好的双语教学效果, 应该围绕双语教学的目的开展灵活多样的考核方式。高校开展双语教学, 目的在于培养学生在学习专业课时, 能够运用两种语言的思维和表达能力, 并能够根据交际对象和工作环境需要进行母语和外语间的自由切换, 以适应各学科科研发展的需要。双语教学的优势不仅仅在于选用国外知名大学的优秀教材帮助学生学习本学科的前沿知识, 更重要的在于将国外的教学方法和教学理念带给中国高校, 即重视学生学习能力的培养, 注重学习过程的考评, 并结合学生的自身情况, 充分发挥学生的潜质。因此, 考核也应该以人为本, 不仅仅局限于期末考试, 学生的课堂表现、平时的大小作业等都可以作为考核方法。考核内容不仅要注重专业知识的理解和掌握, 而且要注重英语表达能力, 双管齐下。合理的考核方式能使学生的学习过程和教师的教学过程形成一个稳定的、性能良好的“闭环系统”。

三、双语教学需要加强的方面

双语教学作为近年来出现的新生事物, 尽管国内很多高校对双语教学工作都非常重视, 进行了大量的探索性研究与实践工作, 但到目前为止, 双语教学仍处于探索阶段, 双语教学中许多问题需进一步探索与研究。目前亟待解决的问题有:授课教师自身口语水平的提高;学生使用外语汲取知识的习惯、能力的培养;通过网络建立良好的课程外语学习环境;先进合理的课程考核方式的建立等。

“近代物理学”作为高等院校师范类物理专业学生必修的一门课程, 开展这门课程的双语教学工作的研究, 必将对高校双语教学工作产生积极的影响。

参考文献

[1]王洪, 唐宇, 唐孟培.浅析大学物理双语教学的理论与实践[J].教育理论与实践, 2007, (27) .

[2]阎专怀.对近代物理学教学的几点思考[J].中国校外教育, 2009, (8) .

[3]阔永红, 石光明.双语教学考核方法的研究[J].电气电子教学学报, 2007, (4) .

近代物理实验篇9

1 液态金属黏滞性测定的历史回顾

黏滞性是表征液态金属中原子间力和动量传递即原子输运性质的重要物理量,是液态金属流体力学的基本特征,是反应金属熔体的重要物性参数之一和研究金属液态特性的重要途径.研究液态金属黏滞性不仅能够揭示液态金属黏滞性的物理机制,而且对材料制备具有重要的实际意义.因此,国内外诸多学者曾致力于这一课题的研究.

历史上,金属液体黏滞性的测量方法分为流动法和衰减法[5].最早采用的是毛细测量法即流动法.此法仅适用于熔点1127℃～1227℃以下的金属,而且对金属纯度要求很高,实验时极易由于堵塞毛细管而造成测量结果的失误.

1860年,德国物理学家亥姆霍兹(Helmholtz H,1821-1894)和俄国的皮奥特罗夫斯基(Piotrowski CG,1876—1929)运用衰减法设计了双线悬挂旋球法测定液体黏度,适合于测量大温度范围的黏度,因为实验时保持恒温,故容易读数,使液体黏滞性的测量有了历史性的转变[6].但这种方法计算很复杂,又常导致一些错误的结论,依旧存在误差大、精度不高等缺点.

1890年,库埃特发明了同心圆柱式黏度测量装置.这种方法是将待测液体充满在两圆柱之间,外筒匀速转动时,液体将使内筒的悬挂细线扭转,通过测定扭矩即可计算出液体黏度.但是,这种方法测量时,会由于液体剪切层的流动不稳定引起内筒所受力矩随转速而非线性变化,因为未得到广泛使用.

1907年,拉登布格尔的沉球式黏度实验克服了斯托克斯实验遇到的困难,但测量方法对液体是否做稳定的流动等条件要求过高.当时,所有这些测量方法都因金属具有较高的熔化温度而遇到了相当大的困难,测试精度也不理想,因而成为流体力学重点解决的难题.

2 江仁寿关于液态金属黏滞性的实验设计与实验测量

2.1 惯性棒双线悬挂球实验设计

1910年,安德雷德开始流体力学黏滞性的研究,他的《金属的黏滞性流动及有关现象》(On the viscous flow in metals,and allied phenomena)一文发表在皇家学会会刊上,江仁寿正是在这一时期跟随导师从事液体黏滞性的测定与实验研究.当时的实验室很是简陋,测定液体黏滞性装置只有一个球形玻璃瓶,装水后悬挂作旋转振动,观察周期和衰减来计算黏滞系数.江仁寿每天泡在实验室里,熟悉实验仪器、实验过程及影响实验因素的分析,他利用一个多学期的时间,对测定液体黏滞系数的理论和实验有了自己的见解.江仁寿通过研究发现:电磁法起动后,实验仪器转动会带动其他装置摆动从而影响测量的精确度.而如果改进装置就可使外部阻尼减小到忽略不计,进而数据的精度会大幅度提高.于是,他设计完成了一套带有惯性棒的双线悬挂球球形容器(图1)[7].

惯性棒双线悬挂球形容器是在容器内装上待测液体,以共振幅衰减来计算液体的黏滞度.惯性棒的作用是避免容器发生任何摆动,使容器只有纯转动.同时,他还发现了精确的机械起动法,用照相记录容器扭振幅度的方法,从而利用共振振幅衰减来计算液体的黏滞性,较大地提高了测量液体黏滞性的精确度.与传统的毛细管法相比较,实验不仅操作简单,而且具有适用于高温、高压环境的优点,又无需考虑毛细管法所必需作的各种修正,测量误差约在理论值的0.5%以内.

2.2 液态钠、钾及钠钾合金黏滞性的实验测量

江仁寿首先试测了不同温度的水的黏滞性(表1),证明了经他改进的旋球法具有很高精度和优点,实验数值得到了国际公认[8].

当时,对液态金属黏滞性的测量数据甚少,江仁寿基于对水黏滞性的测量,选择原子结构及晶体形状简单的钠和钾作为研究对象,测量单晶钠和钾金属液体的黏滞性补充实验比较数据.

为了不影响黏滞性的数据测定,他对实验装置进行改进(图2)[9],该装置适用于在各种温度下的真空测量黏滞度的方法,后来被广泛地应用于测定其他液态金属.

实验前,江仁寿首先对金属在300℃真空下进行提纯.实验步骤如下:(1)对盛金属液体的玻璃球直径进行校准;(2)在实验中保持金属箱中惯性棒恒定并测定其转动惯量;(3)测定液态钠、钾金属的热膨胀效应.(4)采用照相记录法测定、计算盛金属液体的球形容器振幅的对数衰减;(5)以蒸气套代替电炉作热源,测定实验时的温度,根据黏度公式ηm=4mv/(3σ)计算黏滞系数.

实验时江仁寿发现:当温度接近熔点时,金属的晶体结构依旧保持不变,然而,黏滞性却出现反常.他通过大量的实验最后得到影响黏度测量准确性的因素,结果测得:钠和钾在熔点时的黏度值分别为63mp和52mp(在CGS单位制中,黏度系数单位为泊,符号为p,在SI单位制中,黏度系数为帕斯卡秒,符号为Pa·s),即0.0063 Pa·s和0.0052Pa·s,而实验值分别为0.00695Pa·s和0.00537Pa·s,实验值与测量值误差较小.通过实验测定,证明了钠、钾即使在熔点处的实验结果也较好地符合安德雷德的黏度公式,完成了论文《用旋球法测定流体的黏滞性》和《液态钠和钾的黏滞性》,发表在英国皇家学会期刊上,国际上称为“江氏”黏滞性数值.

1960年,江仁寿指导研究生平一梅、田阴棠采用惯性棒双线悬挂球完成了℃～300℃的温度范围内合金NaK的黏滞性测定[10].NaK在常温下一般呈液态,沸点高,比热和导热系数大,且吸收中子本领小,所以在反应堆中是一种颇有前途的载热剂.因此,液体NaK的黏滞性测定,一方面是工程技术所需要,另一方面又可为正在发展的液体理论提供必要的数据.江仁寿指导他们利用图2实验装置,采用空球法对3种NaK (K含量分别为49.55%,51%,74%)样品的黏滞性进行了测定.实验表明,这3种液体合金在所测的温度范围内,相当统一地遵守安德兰规律

其中,B和e为常数,T为绝对温度.

空球法是把空球装满液体悬挂起来,让它在真空中做衰减振动,通过记录空球的对数衰减确定液态的黏滞性,在理论和计算上较复杂,但是对化学性质活泼的钠钾合金而言,既便利又可靠,是对单质碱金属黏滞性测定的重要发展.

3 江仁寿关于金属液体表面张力的研究

1955～1960年间,江仁寿主要从事金属液体表面张力的研究.他注意到国外学者们曾用电子论对金属液体表面现象进行研究并取得了初步成就.但是,通过理论分析,他发现国外学者仅仅考虑了电子论,忽视了液体金属的的分子力.即他认为这些观点都是电子论的,只计算电子在单分子层中的平均动能而没有考虑分子,从而忽略了液体表面是一个液体的内外综合现象.对于这一问题,江仁寿认为有必要从分子观点重新认识,开始对金属液体表面张力进行研究[11].

液体表面是能量的场所,这是由于表面分子与内部分子比起来,处于特殊的地位.1940年,江仁寿曾与研究生王治樑根据电子论对金属液体提出假设——固体溶化后(尤其在熔点附近),分子依旧以原来特征频率对缓慢移动的平衡点做振动,然后他结合安德鲁德教授导出的熔点金属液滞公式与液态准晶体结构、表面层两个假定,得到一个近似金属液体在熔点时的表面张力Sm的公式

其中,C是常量,M是原子或分子量,v是特征频率.

他把金属液体表面层看作二度固体,假定表面分子以v做二维简谐振动,应用热力学关系,从能量观点得出液体在熔点时的表面张力公式,计算出40余种元素在熔点的表面张力,通过分析金属液体表面张力的数值,列出了表面张力特别大的金属(表2)[12].由于当时关于金属液体的表面张力缺乏实验参考数据,仅有的数值也不十分精密可靠,精密、系统地测定金属液体的表面张力是一项急迫的工作,江仁寿有关液体表面张力的实验结果为刚刚兴起的半导体材料提供了重要的理论基础.

除此,江仁寿还指导青年教师对典型的液体金属汞的接触角进行了一系列研究,经多次实验,发现在真空下,毛细管中水银的弯月面消失变为平面,即接触角为90°,并推断其他液体也会如此,这对液体表面现象的研究开辟了新的领域.

4 结语

金属熔体黏滞性的研究不仅可以揭示黏度的内涵,而且可以深入认识金属的液态物性-液态结构-固体性能之间的相互关系及影响,对探索金属熔体变质、晶粒细化、精炼等金属熔体处理技术的作用机理具有重要作用.目前中科院物理研究所、山东大学和哈尔滨工业大学等都开展了液态金属方面的试验及研究,但由于缺乏高精度的黏度数据及配套计算参数等,对液态金属黏滞性的研究还十分薄弱.

江仁寿从20世纪30年代开始专注于液态金属物理性质黏滞性的研究,采用设计、改进的实验装置对水、钠、钾及金属合金黏滞性进行测量和研究,对液体金属熔点的表面张力进行了系统研究,首次在国际上精确测定了液态金属钠钾合金的黏滞性及液态碱金属的黏滞性,并被公认和采用,对中国近代流体力学、分子物理学以及非平衡态理论发展做出了贡献.

参考文献

[1]姚远.西北大学学人谱.西安:西北大学出版社,1997.280-281

[2]中国科学技术协会编.中国科学技术专家传略理学编——物理学卷1.石家庄:河北教育出版社,1996.371-377

[3]尹晓冬,周金蕊.安德雷德的三位中国学生——江仁寿、钱临照、周如松成就研究.大学物理,2013,32(9):43-50

[4]白秀英,姚远.物理学家江仁寿生平与其金属黏滞性研究.西北大学学报(自然科学版),2014,209(22):326-331

[5]周晓薇,陈金玉.液态金属黏滞性的研究进展.沈阳师范大学学报(自然科学版),2003,21(4):255—259

[6]刘燕,耿浩然,孙民华等.液态金属黏滞性的研究现状与展望.铸造,2000,49(12):875—878

[7]戴念祖主编.20世纪上半叶中国物理学论文集萃.长沙:湖南教育出社,1933.439—448

[8] Andrade ENdaC,Chiong YS.On the determination of viscosity by the oscillation of a vessl enclosing a fluid.Proc Roy Soc,1936,48(2):247-260

[9] Chiong YS.Viscosity of liquid sodium and potassium.Proc Roy Soc,1936,157(891):264-277

[10]平一梅,田荫棠.液体合金NaK的黏滞性.物理学报,1966,22(7):749-756

[11]江仁寿.金属液体的表面张力.西北大学学报:自然科学版,1957,(1):99-105