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【摘 要】介紹一種模擬能級(jí)躍遷規(guī)律的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并從物理教學(xué)論的角度分析模擬實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)、實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)的意義。以類(lèi)比的形式把能級(jí)躍遷規(guī)律直觀地展現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生獲得足夠的感性認(rèn)識(shí)，從而正確地理解和掌握概念、規(guī)律。

【關(guān)鍵詞】能級(jí)躍遷 模型 模擬實(shí)驗(yàn)

【中圖分類(lèi)號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2016）05B-0098-02

能級(jí)軌道的思想和躍遷規(guī)律是學(xué)生接觸近代物理學(xué)的第一站，因此讓學(xué)生形成正確的概念、熟練掌握規(guī)律，并接受量子的思想顯得尤為重要。但是能級(jí)軌道和躍遷規(guī)律描述的是遠(yuǎn)離日常生活經(jīng)驗(yàn)的抽象的原子世界，甚至它的現(xiàn)象和規(guī)律與之前學(xué)習(xí)的經(jīng)典物理學(xué)的某些規(guī)律是相互抵觸的，學(xué)生難于接受，更難于理解。因此，對(duì)于看不見(jiàn)，也摸不著的微觀世界，如何將它的現(xiàn)象在宏觀世界簡(jiǎn)便地表現(xiàn)出來(lái)，讓學(xué)生易于學(xué)習(xí)、樂(lè)于探索，又不太為難學(xué)生，是物理教育者需要研究的問(wèn)題。

筆者正是為了解決上述的問(wèn)題，精心設(shè)計(jì)了能級(jí)躍遷的模擬實(shí)驗(yàn)，以期能夠?qū)υ撝R(shí)點(diǎn)的教學(xué)做出有益的探索。

一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

（二）實(shí)驗(yàn)材料和裝置

直徑為2.5cm的鋼球若干，約2米長(zhǎng)的可彎曲的滑軌，滑軌的軌道寬度要適度，以使得鋼球能自如地在滑軌上運(yùn)動(dòng)，木板、鐵釘?shù)茸鳛橹谱髦Ъ艿牟牧稀?/p>

（二）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.用木板作為支架，利用鐵釘固定，將滑軌彎曲成如下圖的形狀?；壍淖髠?cè)傾角要選擇適當(dāng)，使得放在上面的鋼球有足夠的動(dòng)能將處于最低位置（基態(tài)）的“電子鋼球”打出軌道之外。在彎曲軌道處，要特別注意能級(jí)梯度的設(shè)計(jì)，要直觀地顯現(xiàn)出“能級(jí)”的梯度。

2.把鋼球放在任意的位置上，就代表相應(yīng)的一個(gè)光子，高度越高鋼球的重力勢(shì)能越大，對(duì)應(yīng)的“光子”能量就越大。

3.將一個(gè)鋼球放在最低點(diǎn)的凹槽部位，代表氫原子內(nèi)部的電子，處于基態(tài)，即處于最低點(diǎn)時(shí)。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)

（一）形成概念、掌握規(guī)律

在中學(xué)物理教學(xué)中，使學(xué)生形成清晰的物理概念，準(zhǔn)確地掌握物理規(guī)律，是中學(xué)物理教學(xué)的核心問(wèn)題。一般說(shuō)來(lái)，必須從感覺(jué)和經(jīng)驗(yàn)開(kāi)始，即生動(dòng)直觀是形成概念掌握規(guī)律的基礎(chǔ)。軌道量子化、能級(jí)、能級(jí)躍遷、光量子等是量子理論中最基礎(chǔ)的概念，更重要的是它們是中學(xué)生初次接觸量子思想的載體，它的教育意義不可輕視。但是這部分內(nèi)容抽象而又深?yuàn)W，課堂上單靠教師的口頭講授顯得蒼白無(wú)力，學(xué)生無(wú)法獲取足夠的知識(shí)信息。

鑒于此，筆者設(shè)計(jì)了該部分的模擬實(shí)驗(yàn)用于課堂教學(xué)，把能級(jí)躍遷的規(guī)律生動(dòng)、形象地展現(xiàn)在學(xué)生面前，使學(xué)生獲得精心設(shè)計(jì)的感性認(rèn)識(shí)，更深刻地理解所學(xué)的新內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（二）模擬實(shí)驗(yàn)展示能級(jí)躍遷規(guī)律

本模型用階梯代表能級(jí)、鋼球代表光子、被撞擊的鋼球代表電子，這些都有極強(qiáng)的類(lèi)比和關(guān)聯(lián)性，它與彈性碰撞的過(guò)程具有相似性和可比性。因此基于此設(shè)計(jì)的模擬實(shí)驗(yàn)可以定性地給出能級(jí)躍遷及電離的五個(gè)規(guī)律?，F(xiàn)分析如下：

1.光具有粒子性，能量是一份一份的，用鋼球表示光子本身就具備了很好的說(shuō)明性。但要注意說(shuō)明是愛(ài)因斯坦的光粒子，而不是牛頓的光粒子，以免學(xué)生造成誤解。

2.氫原子的狀態(tài)不是連續(xù)的，而是分立的。模擬實(shí)驗(yàn)中，階梯代表能級(jí)軌道。底部的鋼球代表電子，被“激發(fā)”后處于某個(gè)階梯上的鋼球具有的重力勢(shì)能是固定的，即代表電子處于固定的軌道上有固定的能量。

3.入射光子只有滿(mǎn)足固定的頻率（即具有一定的能量）才能被電子吸收。光子的頻率太低或者過(guò)高都無(wú)法使電子發(fā)生躍遷。模擬實(shí)驗(yàn)中代表光子的鋼球只有放在某個(gè)固定的位置上才能使“電子”躍遷到相應(yīng)的“能級(jí)”。

4.當(dāng)入射光子的能量足夠大時(shí)，將使電子脫離原子核的束縛，發(fā)生電離。在模擬實(shí)驗(yàn)中“光子”在某一位置恰好使處于基態(tài)的“電子”發(fā)生電離；當(dāng)“電子”處于激發(fā)態(tài)時(shí)，要使之恰好發(fā)生電離，“光子”也是處在另一相對(duì)較低的固定位置。

5.模擬實(shí)驗(yàn)中代表光子的鋼球的位置越高，表示“光子”的能量越大，碰撞后越出軌道之外的“電子”的初速度越大，即初動(dòng)能越大。所以，該實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置又可以作為光電效應(yīng)的模擬實(shí)驗(yàn)。這個(gè)模型將波爾理論的能級(jí)思想和能級(jí)躍遷規(guī)律與光電效應(yīng)聯(lián)系在一起，整合為一個(gè)相對(duì)完整的知識(shí)體系，幫助學(xué)生將知識(shí)總結(jié)歸納合理化，形成系統(tǒng)。

三、實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)

該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以教師演示為主，幫助教師對(duì)知識(shí)規(guī)律進(jìn)行講解，通過(guò)觀察幫助學(xué)生理解和掌握知識(shí)；以學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)為輔。演示是教師引導(dǎo)式地向?qū)W生講解知識(shí)理論，參與是為了學(xué)生自主探索，加深對(duì)概念的理解和對(duì)規(guī)律的掌握。實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)著重于學(xué)生類(lèi)比、聯(lián)系、推理、建模等思維活動(dòng)，將知識(shí)鞏固系統(tǒng)化。因此，要注意以下幾點(diǎn)：

1.在設(shè)計(jì)裝置時(shí)，教師應(yīng)當(dāng)提前將使“電子”躍遷到第一能級(jí)、第二能級(jí)的“光子”位置做標(biāo)記，找出剛好能使“電子”電離的“光子”位置，做上標(biāo)記。

2.只有一定頻率的“光子”能使“電子”躍遷到“第一能級(jí)”。實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了節(jié)省時(shí)間，要注意在先前標(biāo)記的位置附近進(jìn)行嘗試實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)恰好使“電子”躍遷到“第一能級(jí)”的“光子位置。

3.讓學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)，找出使處于基態(tài)的“電子”躍遷到“第二能級(jí)”的“光子”和剛好使“電子”電離的“光子”。

4.觀察實(shí)驗(yàn)，“電子”離開(kāi)軌道時(shí)的狀態(tài)，比較不同“光子”入射，“電子”電離后的初速度大小。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生將會(huì)得出“光子”的能量越大，“電子”離開(kāi)軌道時(shí)的初速度越大的結(jié)論。那么接著引導(dǎo)學(xué)生思考，使之與光電效應(yīng)聯(lián)系起來(lái)。問(wèn)學(xué)生，該模擬裝置能否用來(lái)模擬光電效應(yīng)，它的道理如何，應(yīng)該怎么樣用它來(lái)解釋光電效應(yīng)，該怎么做。

5.讓學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程獨(dú)立歸納總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律，使之與能級(jí)躍遷規(guī)律類(lèi)比。

6.完成實(shí)驗(yàn)后，可以讓學(xué)生進(jìn)行討論，進(jìn)行這樣的模擬實(shí)驗(yàn)好不好，同學(xué)們是否想過(guò)微觀世界的規(guī)律，我們可以通過(guò)宏觀的實(shí)物進(jìn)行模擬。教師所設(shè)計(jì)的這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠駧椭四銓?duì)量子現(xiàn)象的理解，讓學(xué)生提出該模型還有哪些缺陷，或者還可以模擬哪些規(guī)律。集思廣益，不斷地完善模型。

該模型確實(shí)還存在一定的局限性，使用模型來(lái)模擬規(guī)律進(jìn)行教學(xué)也是不得已而為之，至少它填補(bǔ)了學(xué)生對(duì)微觀世界感性接觸的空白。物理模型不是封閉的模型，而是開(kāi)放的模型，教學(xué)中也可以讓學(xué)生積極參與分析和思考，不斷地完善我們的物理實(shí)驗(yàn)。

四、結(jié)束語(yǔ)

中學(xué)生學(xué)習(xí)物理，形成概念、掌握規(guī)律是一個(gè)十分復(fù)雜的認(rèn)識(shí)過(guò)程。因此，我們就應(yīng)該從物理實(shí)驗(yàn)著手，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)，特別是對(duì)于日常生活當(dāng)中學(xué)生難于見(jiàn)到的、無(wú)法接觸的內(nèi)容，我們應(yīng)當(dāng)精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，使學(xué)生獲得豐富的感性知識(shí)，形成鮮明的物理圖景，為學(xué)生建立正確的概念、掌握規(guī)律奠定結(jié)實(shí)的基礎(chǔ)。本模擬實(shí)驗(yàn)就是這樣一個(gè)精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)。

這個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)是筆者從美國(guó)高中物理教材中的光電效應(yīng)的模擬實(shí)驗(yàn)中受到啟發(fā)想到的，或者說(shuō)是筆者對(duì)該模型的創(chuàng)新改進(jìn)，然后用于能級(jí)躍遷理論的教學(xué)。在物理教育方面，國(guó)外的許多教學(xué)方法是值得我們借鑒的，特別是在現(xiàn)在進(jìn)行課改的大背景下，更應(yīng)值得探索學(xué)習(xí)。

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