项目介绍

实验步骤

一、交互性操作关键要素

步骤序号	步骤目标要求	步骤合理用时（min）	目标达成度赋分模型	步骤满分	成绩类型
1	学习卢瑟福模型背景知识；观看α粒子散射实验；观看卢瑟福模型动画；完成练习。	6	学习卢瑟福模型背景知识（1分）；观看α粒子散射实验（1分）；用鼠标右键点击转动卢瑟福模型（1分）；完成练习（2分）。	5	■操作成绩 ■实验报告 ■预习成绩 □教师评价报告
2	学习玻尔模型背景知识；理解氢原子能级结构图，输入不同的电子能量，观察电子跃迁过程；完成练习。	6	学习背景知识（1分）；输入不同的电子能量值，观察电子在不同能级之间的跃迁过程（1分）；完成练习（2分）。	4
3	学习量子力学模型背景知识；输入不同l、m值，观察相应电子云图像；完成练习。	6	学习背景知识（1分）；输入正确的l,m 数值，观察相应的电子云图像（1分）；完成练习（1分）。	3
4	学习激光的实验背景知识。	5	学习背景知识得1分。	1
5	理解原子受激吸收过程；理解原子的自发辐射过程。	4	在规定时间内观看受激吸收过程得1分，观看自发辐射过程得1分。	2
6	理解原子的受激辐射过程。	3	在规定时间内观看受激辐射过程得1分。	1
7	学习粒子在三能级间的跃迁过程；理解激光的产生过程。完成练习。	6	在规定时间内学习激光产生的理论知识，并观看激光的产生过程得3.5分。完成练习，回答正确每个得0.5分。	6
8	学习夫兰克-赫兹实验背景知识；输入电子能量值，观察电子与原子的碰撞过程；完成练习（5个）。	10	学习夫兰克-赫兹实验背景知识1分，鼠标右键点击转动电子管示意图，从不同角度观察电子管的内部结构；输入4个不同区间电子能量值，观察电子与氩原子的弹性碰撞与非弹性碰撞实验现象，得4分。完成练习，回答正确每个得0.5分。	7.5
9	理解夫兰克-赫兹实验原理，理解电子在管中的运动规律；掌握第一激发电位的计算方法。	10	学习理论知识，得1分	1
10	熟悉夫兰克-赫兹实验仪面板，连接线路。	8	在三次以内正确连接线路，即可获得满分10分，否则，得5分。	10
11	点击模拟实验，完成实验操作过程。	6	打开电源，选择电流量程得1分，在三次以内正确设置电压参数得4分，否则，得分仅为2分。	5
12	观察电子管的伏安特性曲线，分析板流随加速电压变化的规律；再点击自动处理方式，得到实验数据；利用逐差法处理实验数据。	12	在实验数据找到电流极大值对应的电压值，并填入左边表格，然后进行计算。计算正确得10分。如有误，则系统给出正确结果，得分仅为5分。	10
13	学习核磁共振实验背景知识及经典解释下的实验原理，观看角动量矢量在空间中的围绕Z轴的进动和章动现象。完成练习（5个）。	15	学习实验背景知识和实验原理，观看角动量矢量在空间中的围绕Z轴的进动和章动现象得2分。完成练习，回答正确每个得0.5分。	4.5
14	学习核磁共振的量子力学理论知识；观察角动量在磁场中的进动和共振现象，理解核磁共振的量子解释。	8	观察核磁共振现象，得1分。	1
15	理解角动量在空间取向量子化的规律。	6	选定不同的自旋量子数，模拟角动量在空间的取向，操作正确得1分。	1
16	熟悉实验中各种仪器，连接线路。	6	在三次以内正确连接线路，即可获得满分12分，否则，得6分。	12
17	放置样品，设置参数。	3	样品正确放置，参数设置正确，得1分。	1
18	完成实验操作过程；完成习题检测（10个），提交实验报告。	15	调节频率，获得核磁共振信号，可获得10分；每个检测习题1.5分，全部答对共15分。	25

二、交互性步骤详细说明

① 打开虚拟仿真实验教学平台

学生在虚拟仿真实验室内或者在系统处于开放状态时，在联网的环境下，打开浏览器（推荐使用google、火狐浏览器），输入本项目网址：

http://210.43.246.182/virexp/yzcd，进入虚拟仿真实验教学平台（第一次打开系统可能需要安装所需的插件,图1）。插件启动后在电脑屏幕上可以看到注册对话框，学生使用自己的学号进行系统注册，只有在授权范围内的学号方具有注册资格。本虚拟仿真实验教学平台打开后的环境界面包括实验名称、实验类型、实验要求等信息，同时包括整个实验系统的知识点模块。

图1 虚拟仿真实验平台界面

图2 关键的交互性操作步骤

② 知识点预习与考察

学生学习理解相关的理论知识，了解实验目的、实验原理、相关仪器等。学生完成相应的预习任务之后，完成背景知识考核习题。同时，线上回答老师设置的问题。

③ 实验操作步骤

进入系统，可以看到项目名称“基于原子尺度的微观物理虚拟仿真实验”，整个实验项目分为四个单元模块，分别为原子结构、激光辐射原理、原子第一激发电位的测量以及核磁共振模块。不同模块对应的18个关键交互性操作以【Step+数字】形式标出（关键的交互性操作步骤见图2）。

A.“原子结构”模块：包含三个知识单元，即卢瑟福模型、玻尔模型和量子力学模型。

a. 卢瑟福模型

图3 卢瑟福模型

【Step 1】点击“背景知识”按钮，阅读相关知识；观看α粒子散射实验；以鼠标右键点击拖动卢瑟福模型，观察电子围绕原子核旋转的过程，注意观察不同轨道上电子的运动速度（图3）；完成练习题。

图4 电子跃迁

b. 玻尔模型

【Step 2】点击“波尔模型简介”按钮，阅读相关知识；给电子输入不同的能量，观察电子在不同能级之间的跃迁行为（注意电子跃迁时的能量值与能级差值之间的关系，图4）；完成练习题。

c. 量子力学模型

【Step 3】点击“背景知识”按钮，了解量子力学的产生历程，以及利用薛定谔方程去求解氢原子模型（图5）。

图5 薛定谔方程解氢原子模型

点击“电子云图”按钮，观察不同l、m值情形下的电子云形状（图6，7），加深对原子的量子力学模型的理解；完成练习题。

图6 电子云图像(l=2, m=0)

图7 电子云图像 (l=3, m=1)

“激光辐射原理”模块：包含两个知识单元，即光与物质的相互作用和激光产生过程。

a. 光与物质的相互作用

【Step 4】点击“背景知识”按钮，阅读相关知识；点击“受激吸收”按钮，观察处于基态的原子吸收光辐射能量之后向高能级跃迁的过程（图8）。
图8 原子的受激吸收

【Step 5】点击“自发辐射”按钮，观察处于高能态的原子跃迁回到基态，并释放光子的过程（图9）。

图9 原子的自发辐射

【Step 6】点击“受激辐射”按钮，观察处于高能级的原子在外来光子作用下跃迁回到基态，并释放光子的过程（图10）。

图10 原子的受激辐射

b. 激光产生过程

观察基态原子在光泵作用下从低能级跃迁到高能级，然后经过无辐射跃迁回到亚稳态，并在亚稳态上聚集的过程。

在外界光辐射的作用下，亚稳态的原子发生雪崩，产生激光。

【Step 7】点击“图文解释”按钮，可查看激光产生过程的文字解释（图11），加深对激光产生过程的理解；完成练习题。

图11 激光辐射原理的图文解释

C.“原子第一激发电位的测量”模块：含有四个知识单元，即电子与原子的碰撞、实验原理、仪器介绍、模拟实验等。

a. 电子与原子的碰撞

【Step 8】点击“背景知识”按钮，阅读相关知识；给电子输入不同的能量值，观察电子与氩原子碰撞过程中氩原子与电子的运动状态的变化（图12），分析电路中电流的产生原因。理解在不同电子能量条件下的弹性碰撞和非弹性碰撞过程。同时，思考拒斥电压对电子运动的影响；完成练习题。

图12 电子与原子的碰撞

【Step 9】点击鼠标右键拖动夫兰克-赫兹管，从不同角度观察其结构（图13）；完成练习题。

图13 夫兰克-赫兹管示意图

b. 实验原理

学习原子第一激发电位的测量的相关理论知识，理解电子与氩原子发生碰撞时其能量的变化情况。结合原子结构模型知识，理解氩原子的第一激发电位的物理意义。

学习使用逐差法处理实验数据。

c. 仪器介绍

【Step 10】了解仪器结构，连接好线路（图14）。点击任一连线接口，可以看到有对应的接口在闪动，点击即可连线，连续三次错误，系统会自动帮助连接好线路。

理解控制面板上各按钮开关的功能，掌握调节电压和电流的基本过程。

图14 原子第一激发电位的测量实验线路图

d. 模拟实验

【Step 11】进入实验场景，模拟实验。打开电源开关，进入手动方式，按照实验要求选择电流量程，在表格中依次输入灯丝电压、第一栅压、拒斥电压以及第二栅压值（图15）；点击启动按钮和自动按钮，查看示波器屏幕上显示的夫兰克-赫兹管的伏安特性曲线。

图15 原子第一激发电位的测量模拟实验

【Step 12】从得到的实验数据中找到极大电流值对应的电压值（图16），依次填入界面对应的位置，然后利用逐差法进行数据处理。计算获得氩原子的第一激发电位，进一步加深对原子内部能量量子化的理解。

D.“核磁共振”模块：包含四个知识单元，即经典解释、量子力学解释、仪器介绍和模拟实验

a. 核磁共振的经典解释

图16 数据输入界面

学习原子核自旋和磁矩等理论知识。

理解核磁共振的经典解释，掌握进动、磁位能的相关概念。

【Step 13】点击“角动量轨迹球”按钮，观看核自旋角动量的方向在空间中的变化（图17）。可以看到核自旋角动量矢量在空间的取向是任意的，其端点描出一个轨迹球，且与Z轴方向的夹角是连续变化的；完成练习题。

图17 角动量轨迹球

b. 核磁共振的量子解释

学习角动量的空间量子化知识。

了解磁场作用下原子在不同能级上的磁位能，理解原子核在不同能级之间的跃迁。

【Step 14】点击“量子解释动画”按钮（图18）。在Z轴方向的磁场为零时，注意观察核自旋角动量在空间中的指向。在z轴加上磁场之后，观察核自旋角动量围绕磁场的进动现象，可以看到角动量在空间中的取向是特定的。然后在xy平面上加上旋转磁场，当旋转磁场的频率与角动量的进动频率相等时，可观察到核磁共振现象。