物理实验第22卷第7期 谈实验设计如何提高学生的兴趣 从X射线系列实验得到的启发 徐鹰干正卿马秀芳沈元华 (复旦大学物理系上海200433) 摘要:结合 Leybold x射线装置系列实验的若干具体实例从仪器的设计思想、实验方法与思路的精巧安 排、实验内容的选取等方面分析了提高学生对普通物理实验兴趣的方法,并提出了一些建议 关键词:实验教学;教学仪器设计;普通物理实验 中图分类号:G642.423 文獻标识码:B 文章编号:1005-4642(2002)07-0025-05 Design for improving students'interests in experiment -An enlightenment from X-ray apparatus experiments series XU Ying Gan Zheng-qing MA Xiu-fang SHEN Yuan-hua (Department of Physics, Fudan University, Shanghai, 200433) Abstract: Concerning with the ideas of apparatus design, ingenious arrangement of experimentation and selection of experiment content, methods for improving students interests in general physics experiments are discussed. Some proposals are offered through several concrete examples of the Leybold X-ray apparatus experiment series Key words: experimental teaching; teaching instrument design i general physics experiment 1引言 启发性,有利于提高学生的兴趣,以下分3方面 进行讨论 物理实验是物理理论正确与否的最终判 据,其重要性不言而喻,然而,学生对物理实验 2仪器的设计思想 的态度却不能令人满意,其突出表现在于学生 1)外观设计 对实验(特别是普通物理实验)缺乏兴趣.究其 一个设计优美的外观可给学生以良好的第 原因,很大程度上不是学生的过错,而与实验仪 印象,使学生感觉到自己是在使用一台优秀 器设计、实验思想、实验内容缺乏吸引力有关,的、现代化的仪器,产生实际搞科研的感受.当 这一问题不仅关系到实验人才的选拔与培养,然,仪器除了外观优美外,还要特别重视“教学 在全面推行学分制后,更关系到实验课程的生化”,这在教学仪器设计上是有别于科研仪器 死存亡,有必要引起我们的重视并设法予以解的教学仪器应突出直观性,尽量使学生从各种 决.“兴趣是最好的老师”,我们在做 Leybold X感官出发理解仪器的构造、原理和功能 射线装置系列实验时切身体会到这句话的含 Leybold X射线仪在这一点上采用了“透明化 义,该系列实验从仪器设计到实验内容都富于的处理,如图1所示,实验腔体前侧、上侧以及
26 物理实验第22卷第7期 X光管前都安装了铅玻璃,使实验操作的同时 拍摄劳厄相和德拜相等照片一般需要在暗 可以观察射线管,减少了神秘感.另外,作为辅盒中拍摄,在暗室中冲洗,这给实验室及学生带 助功能,增加了一个喇叭,在探测器工作时可以来许多麻烦,该实验仪器为底片设计了一种黑 发出随射线强度而变化的声音,使学生似乎能色方形塑料套,可很容易地装在底片架上(如图 听到”X射线,这使得实验更为生动、有趣,此3所示).这种塑料套一方面可以防止底片曝光 外还设计了透视用的荧光屏(如图2所示),增(而X射线可穿透塑料套,拍摄时不必打开); 加了直观性使学生兴趣大增 另一方面,又可用针筒将显影液、定影液先后直 接注入套中冲洗,效果很好,特别方便学生使 用.我们用这种方法拍摄的一张NaCl晶体的 劳厄相图如图4所示 , 图11 evI: X射线实验仪 图3无需暗室的摄影装置 图2从荧光屏上看到的计算器X光透视图 2)一机多用 台仪器可进行许多实验,为选做实验的 内容提供很大的空间,从而增加学生选择实验 的自由度和兴趣,也使仪器的性价比大为提高 图4NaCl的劳厄相图 leybold x射线仪配置一些附件,可完成十多 4)自动化处理 个实验,包括:X光透视,X射线摄影,X射线电 仪器的自动化程度也是很重要的问题.教 离和剂量测定,X射线随不同物质和厚度的衰学仪器既不能完全自动化,使学生失去各种调 减,X射线源的连续和特征谱线及其精细结构节训练,也不能完全手动,浪费时间,使实验枯 的测定,与能量有关的X射线吸收边缘,莫塞燥而繁琐.在该实验中,光缝的安置,样品台的 莱定律和里德伯常量的测定,康普顿效应,调节管电压和电流的设定特别是零点的校正 Duane-Hunt关系和普朗克常量的测定,用布拉和调节都要求学生自己来做,而数据的记录与 格衍射测定晶体的晶面间距,通过劳厄相和德传输则完全自动快速进行.该装置采用了计算 拜相研究晶体结构,在多晶金属箔和粉末样品机处理数据,设计了专用的软件,可方便地绘图 上进行X射线衍射分析等 与求值,减少了处理大量数据时重复性劳动,这 3)不需暗室 正是现代实验数据处理的大势所趋.特别是许
物理实验第22卷第7期 27 多曲线的处理,是学生用坐标纸难以完成的 示性的实验,也是十分精彩的 3实验思路 2)康普顿效应 X射线经物体散射后波长会发生变化,这 这是实验中最能启发学生创造性的环节,是由于射线的光子与物体中自由电子发生碰撞 同时也是提高学生兴趣的关键之一该仪器能后将部分能量转化为电子的动能,而自身能量 做十多个实验也与它新颖而精巧的实验思想减小,表现为波长变长,这就是历史上著名的康 有关,以下选取两个有代表性的实验分述之 普顿效应.过去的康普顿效应实验仪要测量不 1)X射线的吸收边缘 同散射角的波长,因而价格相当昂贵. Leybold X射线的强度在穿过物质时会因吸收等原X光实验仪装置简单没有测量波长的装置,其 因而衰减.一般情况下,波长越大(X射线的能实验设计思想也十分巧妙:一般情况下,在从光 量越小)、吸收越大,透射率越小.但是,在透射源到接收器的光路中任意位置插入同一块吸收 率随波长增加而减少的过程中在某一波长处片,其透射率是不变的;但在该实验仪中令X 会突然增大称为“吸收边缘”.其原因是当X光经某铝块散射后由探测器在与X光入射方 射线的波长大于某值时,光子的能量小于原子向成0角的方向接收(如图6所示),则把铜吸 中电子的激发能,因而该光子不能被吸收,透射收片放在散射前或散射后测量的透射率是不同 率就突然上升了,这是原子能量量子化的生动 体现,有很丰富的物理内涵为了从实验上观察 这种现象,一般需要测量波长与透射率的关系 但该仪器难以实现连续改变波长的要求,实验 设计者采用了一块锆(Zr)片,它的吸收边缘为 68.8pm,恰巧位于产生X光的钼(Mo)的两条 特征谱线(入n=71.08pm,减g=63,09pm)之间 于是,在光源缝前加错片和不加锆片分别测量 两条X光对已知晶体(如NaCl)的衍射曲线 (如图5所示),就可以明显看到不加锆片时的 6康普顿实验 两个特征峰在加锆片后只剩一个了·即锆片对的典型的结果是,若0=145则铜片放在光缝 波长较短的有严重吸收,而对波长较长的灿后测得的透射率约为119%,铜片放在探测器 反而只有轻微吸收.这就清楚地看到了X光吸前测得的透射率约为7.1%.显然,透过率不同 收边缘的存在(这也给出了一种产生近似单色的原因只能是X光的波长改变了.当然,为了 射线的方法从教学的角度看该实验作为演进一步定量测量,还可以先测量出铜片对不同 波长的透射率,如图7所示,从图上可反推出入 射X光的波长λ和散射X光的波长λ,并可与 由康普顿公式算出的波长差△A相比较,其结 果是令人满意的,上述测量的典型结果是:A= 4.9pm将0=145°代 入康普顿公式,则有△A h(1-cos0) 70C 尽管这两个Δλ并不完全相等(如要求更精确, 图5zr吸收前后的衍射曲线 则测量时间要更长,这是一般学生实验所不允 许的),但作为解释物理现象已足够,且其方法
28 物理实验第22卷第7期 系列衍射曲线(如图8所示),从中可看到的 λmn的确存在,通过测量不同U对应的m,作 λamU关系曲线(如图9所示),就可从斜率得 出h值.这一确定普朗克常量的方法较传统的 光电效应方法精度高.我们在本实验值中测得 h=(6.64±0.06)×10-3J·s 图7铜的透射率与波长的关系 是难能可贵的,这种实验思路能启发学生思考, "" 使他们认识到间接测量的重要性和物理学在方 法上的普遍联系性 3.. 以上2例的实验设计均切合教学实际,在 实验中渗透了许多重要的物理实验思想,激发 了学生思考的兴趣 图8不同管电压下的轫致辐射和极限波长 4实验内容 这是使学生产生兴趣,认同实验重要性的 又一关键, Leybold X射线装置系列实验中有 大部分是模拟历史上的著名实验如劳厄相德 拜相、布拉格衍射康普顿效应、莫塞莱定律等, 均是在历史上产生过重要影响的实验,与学生 所学习的理论课程结合紧密.亲手做这些实验 会增强学生对物理实验和理论的信心此外,不 少这类实验在验证定律的同时还测定了基本常 量(如普朗克常量、里德伯常量等),而让学生亲 图9电压和波长的关系曲线 手测定基本常量,比仅测定一些如切变模量、劲 2)莫塞莱定律的验证和里德伯常量的测定 度系数等经验常量在教学效果上更有意义,也 莫塞莱定律的发现是理解元素周期律的重 更能激发学生的兴趣.以下举两例: 要里程碑,是X光光谱学的开端在历史上有 1) Duane-Hunt关系的验证和普朗克常量重要意义,该定律可表示为 的测定 /入=R(Z-b 轫致辐射存在极限波长km,1915年美国式中,λ是原子的K吸收边缘R是里德伯常 科学家 Duane和Hunt发现lmn与X光管的电量,Z是原子序数,b是屏蔽系数. 压U成反比,这就是 Duane-Hunt关系,显然, 由于原子序数Z介于40~50之间的物 这个关系可以用被激发的最大X光光子能量质屏蔽系数b基本上与Z无关因此本实验 h等于激发它的电子能量以U来解释,并得出测量锆(Zr,Z=40)钼(Mo,z=42)银(Ag,z λmin=hc/eU 47)和铟(In,Z=49)4种材料的K吸收边缘 本实验中,改变X光管电压U,可以得到并作1/AZ图(如图9所示)这样,(2)式就表
物理实验第22卷第7期 示为一直线,通过求斜率和截距,确定R与b 1)仪器美观,增加透明度; 精确程度可达2%左右.我们在本实验中测得 2)用计算机做快速的数据记录和繁琐的计 R=(1.07±0.03)×10m 算与作图 还要指出,这些实验都突显了电磁波的粒 3)精巧的实验设计思路; 子性,处处渗透着量子观念,从而能用实验事实 4)在普通物理实验中做历史著名实验; 引导学生从经典物理向近代量子论过渡,从多 5)与近代物理思想挂钩. 种途径看到量子观念在实验上的体现,使理论 所有这些均需要实验及仪器设计者充分从 学习不再是纸上谈兵 教学出发,开阔思路,积极探索,才能提高物理 总之,在实验内容上选择历史上重要的实实验课在学生心目中的地位,使学生乐于做实 验,特别是构成理论框架基础的实验,必然会得验,并从实验中得到最大的收获 到学生对其意义的认同,也自然会引起学生的 兴趣.当然,历史著名实验进入普物实验教学 6参考文献 需要设计者将原实验简化,又不失其可信性和1杨福家.原子物理学[M].北京:高等教育出版社, 历史真实性,并可使学生在短时间内完成 2沈元华,访德报告[J1物理实验,2002,22(2):44~ 5结束语 通过以上分析,我们体会到实验设计可以 3 Leybold X-ray apparatus instruction list[Z] (2002-03-28收稿) 从以下几方面提高学生对普物实验的兴趣: (上接16页)200nm时,最佳写人光夹角分 al. Monolithic photorefractive molecule with 别减少为34°,27和22°;系统振动对小角度的 excellent transparency in the visible region [J] 写人影响较小,对大角度的写入影响较大修正 Appl.Phys,Let.,2000,77(10):1422~1424 结果与定性解释是一致的,说明引入振动调制5 Barrett C J. Rochon P L, Natansohn A L. Model 因子进行的修正是合理的因此,在光存储实验 of laser-driven mass transport in thin films of dy 中,实验系统的振动是不可忽略的影响因素 Chem. Phys 1998,109(4):1505~1516 4参考文献 6 Todorov t, Nikolova L, Tomoya n. polarization Holography. 2: Polarization holographic gratings in 1 Zhang Guoquan, Tomita Yasuo, Xu Wusheng et photoanisotropic materials with and without al. Nonvolatile two-color holography in indium birefringence [J]. Appl. Opt.,1984,23(24):4 doped lithium niobate [j]. Appl. Phys. Lett. 7 Jiang X L, Li L, Kumar J et al. Polarization 2 Herlocker JA, Fuentes-Hernandez C, Ferrio K B dependent recordings of surface relief gratings on [J]. Appl lymers ]. Appl. Phys. Lett Phys.Let,1996,68(19):2618~2620 8 Couture JJ A, Lessard R A. Modulation transfer G, Mazzulla A, Alto s P et al function me Permanent polarization gratings in photosensitive Langmuir-Blodgett films[J]. Appl. Phys.Lett ral[J]. Appl. Opt.,1988,27(16):3368 2000,77(14):2106~2108 Sohn Jiwon, Hwang Jaehoon, Park Soo Young et (2001-09-22收稿,2002-05-29收修改稿)
