原子物理實驗的計算機(jī)模擬實現(xiàn)

張娟榮 羅建華

摘要本文簡要敘述了原子物理實驗計算機(jī)模擬實現(xiàn)的現(xiàn)狀及必要性。并系統(tǒng)介紹了原子物理實驗計算機(jī)模擬實現(xiàn)的途徑,尤其對自設(shè)計實驗仿真課件的制作的介紹,以期為原子物理實驗的模擬仿真提供一定參考。

關(guān)鍵詞計算機(jī)原子物理實驗仿真

中圖分類號:TP399文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

1 引言

20世紀(jì)末人類進(jìn)入了信息化時代,其重要的標(biāo)志是計算機(jī)技術(shù)的使用。為了培養(yǎng)出符合新世紀(jì)要求的人才,就必須不斷的使我們的教育現(xiàn)代化。如何將計算機(jī)與物理學(xué)課程的教學(xué)體系、內(nèi)容和方法有機(jī)結(jié)合起來,是教學(xué)現(xiàn)代化的一項內(nèi)容。在國外,早在20世紀(jì)80年代末就已經(jīng)使用計算機(jī)作為物理學(xué)課程的學(xué)習(xí)工具。而在國內(nèi),這方面的進(jìn)展并不理想。計算機(jī)輔助教學(xué)以其獨有的優(yōu)勢在物理實驗教學(xué)中發(fā)揮著越來越重要的作用。然而,目前各校在這方面的發(fā)展很不平衡,應(yīng)用情況也不盡如人意。

2 原子物理實驗計算機(jī)模擬的必要性

原子物理作為普通物理的近代物理部分,反映了20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展,包括1999年在內(nèi),共有96項若貝爾物理學(xué)獎,其中有66項是關(guān)于原子物理、原子核物理和粒子物理方面。這些著名的物理實驗是人類認(rèn)識物質(zhì)世界的重要里程碑,是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)。講清楚這些著名的物理實驗,不僅可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的濃厚興趣,更重要的是可以使學(xué)生理解前輩物理學(xué)家是如何創(chuàng)造性的研究這些問題的。然而,由于原子物理研究的是微觀客體,其真實的物理過程無法直接觀察,因而,許多方面更適合用計算機(jī)模擬仿真,用圖形和動畫來展示和研究原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)及運動過程的模型,使抽象的問題形象化,便于學(xué)生理解和掌握。

3 原子物理計算機(jī)模擬實現(xiàn)的途徑

3.1利用現(xiàn)成的實驗仿真軟件

現(xiàn)成的實驗仿真軟件以其實驗體系完整、功能強(qiáng)大而成為實驗仿真的主要途徑之一。目前市場上還沒有專門的原子物理實驗仿真軟件。

3.1.1一般實驗仿真軟件的特點

(1)強(qiáng)調(diào)對實驗環(huán)境的整體模擬。(2)儀器實現(xiàn)了模塊化。(3)通過解剖實驗教學(xué)過程,充分體現(xiàn)教學(xué)指導(dǎo)思想,培養(yǎng)學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上通過思考進(jìn)行操作。

3.1.2一般實驗仿真軟件在教學(xué)中的意義

(1)開設(shè)了實驗教學(xué)的新模式。(2)實現(xiàn)了理論教學(xué)和實踐教學(xué)的結(jié)合。

3.1.3幾種常見的可實現(xiàn)原子物理實驗的模擬仿真的軟件

(1)《大學(xué)物理仿真實驗V2.0》。中國科技大學(xué)推出并由高等教育出版社出版,它是國內(nèi)第一套具有一定規(guī)格和水準(zhǔn)的實驗教學(xué)軟件。該軟件中涉及原子物理部分的實驗有:夫蘭克——赫茲實驗、G-M計數(shù)管和核衰變的統(tǒng)計規(guī)律、光電效應(yīng)測普朗克常數(shù)、電子自旋共振等6個實驗。

(2)中央電大《大學(xué)物理虛擬實驗》軟件簡介?！洞髮W(xué)物理虛擬實驗》應(yīng)用虛擬技術(shù)、人工智能技術(shù)、控制學(xué)原理建造物理實驗和教學(xué)模型,總結(jié)了中央廣播電視大學(xué)和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)多年物理實驗教學(xué)經(jīng)驗基礎(chǔ)上設(shè)計完成的。

(3)《原子物理學(xué)多媒體計算機(jī)輔助教學(xué)》(MCAI)簡介。有哈爾濱師范大學(xué)自行設(shè)計的一套實用性強(qiáng),可直接用于原子物理學(xué)教學(xué)的多媒體輔助教學(xué)軟件。

3.2原子物理實驗的自設(shè)計模擬仿真

目前市場上流行的各種圖像、動畫及課件制作軟件為自設(shè)計實驗的計算機(jī)模擬仿真提供了充分有利的條件。如三維動畫制作軟件3DMAX,多媒體課件制作軟件Authorware及Powerpoint,專業(yè)的動畫制軟件Flash。我們結(jié)合原子物理實驗的具體情況,運用這些軟件進(jìn)行模擬仿真,使一些抽象的微觀過程形象化。

自設(shè)計原子物理實驗?zāi)M仿真的特點:(1)靈活性強(qiáng)?，F(xiàn)成的仿真軟件其內(nèi)容固定,在實際教學(xué)中由于教學(xué)情況的差異比較大,有時難免不能滿足我們的需要,所以我們可以可以根據(jù)自身的教學(xué)情況,在自設(shè)計實驗仿真中,對實驗的相關(guān)內(nèi)容、歷史背景和意義、現(xiàn)代應(yīng)用等方面可作自行擴(kuò)展,實現(xiàn)理論教學(xué)和實踐教學(xué)相結(jié)合。

(2)針對性強(qiáng)。原子物理作為普通物理中的近代物理部分,在物理學(xué)的相關(guān)專業(yè)中基本上都開設(shè)了這門課。所以在不同的學(xué)校,不同的專業(yè)中對教材的選取及教學(xué)的差異都比較大,而自行設(shè)計的實驗仿真就能更好的適應(yīng)我們的教學(xué)。

4 總結(jié)

隨著計算機(jī)應(yīng)用的普及和發(fā)展,運用計算機(jī)實現(xiàn)原子物理實驗的模擬仿真已成為現(xiàn)實。而且,專業(yè)的實驗仿真軟件也日益增多,但在教學(xué)中,為了提高教學(xué)效率,除了有效地利用現(xiàn)有資源外,我們也要發(fā)揮主觀能動性,制作也剖針對性的實驗仿真課件,這樣才能真正做到仿真與真實實驗的有機(jī)結(jié)合。