能级跃迁的模拟实验探究

【摘 要】介绍一种模拟能级跃迁规律的实验模型，并从物理教学论的角度分析模拟实验的理论依据、实验要点和实验的意义。以类比的形式把能级跃迁规律直观地展现给学生，使学生获得足够的感性认识，从而正确地理解和掌握概念、规律。

【关键词】能级跃迁 模型 模拟实验

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2016）05B-0098-02

能级轨道的思想和跃迁规律是学生接触近代物理学的第一站，因此让学生形成正确的概念、熟练掌握规律，并接受量子的思想显得尤为重要。但是能级轨道和跃迁规律描述的是远离日常生活经验的抽象的原子世界，甚至它的现象和规律与之前学习的经典物理学的某些规律是相互抵触的，学生难于接受，更难于理解。因此，对于看不见，也摸不着的微观世界，如何将它的现象在宏观世界简便地表现出来，让学生易于学习、乐于探索，又不太为难学生，是物理教育者需要研究的问题。

笔者正是为了解决上述的问题，精心设计了能级跃迁的模拟实验，以期能够对该知识点的教学做出有益的探索。

一、实验内容

（二）实验材料和装置

直径为2.5cm的钢球若干，约2米长的可弯曲的滑轨，滑轨的轨道宽度要适度，以使得钢球能自如地在滑轨上运动，木板、铁钉等作为制作支架的材料。

（二）实验设计

1.用木板作为支架，利用铁钉固定，将滑轨弯曲成如下图的形状。滑轨的左侧倾角要选择适当，使得放在上面的钢球有足够的动能将处于最低位置（基态）的“电子钢球”打出轨道之外。在弯曲轨道处，要特别注意能级梯度的设计，要直观地显现出“能级”的梯度。

2.把钢球放在任意的位置上，就代表相应的一个光子，高度越高钢球的重力势能越大，对应的“光子”能量就越大。

3.将一个钢球放在最低点的凹槽部位，代表氢原子内部的电子，处于基态，即处于最低点时。

二、实验设计的理论依据

（一）形成概念、掌握规律

在中学物理教学中，使学生形成清晰的物理概念，准确地掌握物理规律，是中学物理教学的核心问题。一般说来，必须从感觉和经验开始，即生动直观是形成概念掌握规律的基础。轨道量子化、能级、能级跃迁、光量子等是量子理论中最基础的概念，更重要的是它们是中学生初次接触量子思想的载体，它的教育意义不可轻视。但是这部分内容抽象而又深奥，课堂上单靠教师的口头讲授显得苍白无力，学生无法获取足够的知识信息。

鉴于此，笔者设计了该部分的模拟实验用于课堂教学，把能级跃迁的规律生动、形象地展现在学生面前，使学生获得精心设计的感性认识，更深刻地理解所学的新内容，激发学生的学习兴趣。

（二）模拟实验展示能级跃迁规律

本模型用阶梯代表能级、钢球代表光子、被撞击的钢球代表电子，这些都有极强的类比和关联性，它与弹性碰撞的过程具有相似性和可比性。因此基于此设计的模拟实验可以定性地给出能级跃迁及电离的五个规律。现分析如下：

1.光具有粒子性，能量是一份一份的，用钢球表示光子本身就具备了很好的说明性。但要注意说明是爱因斯坦的光粒子，而不是牛顿的光粒子，以免学生造成误解。

2.氢原子的状态不是连续的，而是分立的。模拟实验中，阶梯代表能级轨道。底部的钢球代表电子，被“激发”后处于某个阶梯上的钢球具有的重力势能是固定的，即代表电子处于固定的轨道上有固定的能量。

3.入射光子只有满足固定的频率（即具有一定的能量）才能被电子吸收。光子的频率太低或者过高都无法使电子发生跃迁。模拟实验中代表光子的钢球只有放在某个固定的位置上才能使“电子”跃迁到相应的“能级”。

4.当入射光子的能量足够大时，将使电子脱离原子核的束缚，发生电离。在模拟实验中“光子”在某一位置恰好使处于基态的“电子”发生电离；当“电子”处于激发态时，要使之恰好发生电离，“光子”也是处在另一相对较低的固定位置。

5.模拟实验中代表光子的钢球的位置越高，表示“光子”的能量越大，碰撞后越出轨道之外的“电子”的初速度越大，即初动能越大。所以，该实验模拟装置又可以作为光电效应的模拟实验。这个模型将波尔理论的能级思想和能级跃迁规律与光电效应联系在一起，整合为一个相对完整的知识体系，帮助学生将知识总结归纳合理化，形成系统。

三、实验要点

该实验设计以教师演示为主，帮助教师对知识规律进行讲解，通过观察帮助学生理解和掌握知识；以学生参与实验为辅。演示是教师引导式地向学生讲解知识理论，参与是为了学生自主探索，加深对概念的理解和对规律的掌握。实验的设计着重于学生类比、联系、推理、建模等思维活动，将知识巩固系统化。因此，要注意以下几点：

1.在设计装置时，教师应当提前将使“电子”跃迁到第一能级、第二能级的“光子”位置做标记，找出刚好能使“电子”电离的“光子”位置，做上标记。

2.只有一定频率的“光子”能使“电子”跃迁到“第一能级”。实验时，为了节省时间，要注意在先前标记的位置附近进行尝试实验，让学生发现恰好使“电子”跃迁到“第一能级”的“光子位置。

3.让学生自主实验，找出使处于基态的“电子”跃迁到“第二能级”的“光子”和刚好使“电子”电离的“光子”。

4.观察实验，“电子”离开轨道时的状态，比较不同“光子”入射，“电子”电离后的初速度大小。进行实验后，学生将会得出“光子”的能量越大，“电子”离开轨道时的初速度越大的结论。那么接着引导学生思考，使之与光电效应联系起来。问学生，该模拟装置能否用来模拟光电效应，它的道理如何，应该怎么样用它来解释光电效应，该怎么做。

5.让学生根据实验过程独立归纳总结实验规律，使之与能级跃迁规律类比。

6.完成实验后，可以让学生进行讨论，进行这样的模拟实验好不好，同学们是否想过微观世界的规律，我们可以通过宏观的实物进行模拟。教师所设计的这个实验模型是否帮助了你对量子现象的理解，让学生提出该模型还有哪些缺陷，或者还可以模拟哪些规律。集思广益，不断地完善模型。

该模型确实还存在一定的局限性，使用模型来模拟规律进行教学也是不得已而为之，至少它填补了学生对微观世界感性接触的空白。物理模型不是封闭的模型，而是开放的模型，教学中也可以让学生积极参与分析和思考，不断地完善我们的物理实验。

四、结束语

中学生学习物理，形成概念、掌握规律是一个十分复杂的认识过程。因此，我们就应该从物理实验着手，加强实验，特别是对于日常生活当中学生难于见到的、无法接触的内容，我们应当精心设计实验进行教学，使学生获得丰富的感性知识，形成鲜明的物理图景，为学生建立正确的概念、掌握规律奠定结实的基础。本模拟实验就是这样一个精心设计的实验。

这个模拟实验是笔者从美国高中物理教材中的光电效应的模拟实验中受到启发想到的，或者说是笔者对该模型的创新改进，然后用于能级跃迁理论的教学。在物理教育方面，国外的许多教学方法是值得我们借鉴的，特别是在现在进行课改的大背景下，更应值得探索学习。

【参考文献】

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