朗伯-比爾定律實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)研究

李勁松

(安徽大學(xué),安徽合肥 230601)

朗伯-比爾定律實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)研究

李勁松

(安徽大學(xué),安徽合肥 230601)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容需要與時(shí)俱進(jìn)。探討了將科研中的物理定律引入到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,為有效推進(jìn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提出一種新的研究方法。豐富大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和提高大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量,充分發(fā)揮科研項(xiàng)目的素質(zhì)教育功能,才能更好地培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、思維能力和科學(xué)創(chuàng)新能力。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn);教學(xué)和科研;教學(xué)改革

大學(xué)物理專業(yè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)作為培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能的重要途徑,是高等院校理工科學(xué)生的必修課程和教學(xué)體系的重要組成部分。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容,亦需要不斷的改革和創(chuàng)新,才能提升大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量[1-3]。教學(xué)和科研雙肩挑的教師把成熟的科研內(nèi)容引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,不但可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲,提高教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平,同時(shí)亦讓學(xué)生了解了物理科學(xué)發(fā)展的前沿動(dòng)態(tài)和相關(guān)專業(yè)的最新技術(shù)狀態(tài),從而使學(xué)生自覺主動(dòng)的去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和思考問(wèn)題,有目的有計(jì)劃地融入到教師的研究性科研項(xiàng)目中[4]。利用學(xué)生所學(xué)知識(shí)與技能幫助老師解決問(wèn)題,真正實(shí)現(xiàn)學(xué)有所和學(xué)以致用,實(shí)現(xiàn)教師的教學(xué)和科研雙贏。為此開展了將科研項(xiàng)目?jī)?nèi)容中起重要理論支撐的物理定律引入到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)研究。

1 歷史回顧

早在1729年,德國(guó)物理學(xué)家皮埃爾·布格(Pierre Bouguer)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),用固定強(qiáng)度的單色光照射吸收介質(zhì)時(shí),透射光的強(qiáng)度對(duì)吸收介質(zhì)厚度的具有一定的依賴性。1760年他的學(xué)生約翰·海因里?！だ什?Johann Heinrich Lambert)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)光通過(guò)吸收介質(zhì)時(shí),光的衰減程度與介質(zhì)厚度成正比例。直到1852年奧古斯特·比爾(August Beer)又提出光的吸收程度和吸光物質(zhì)濃度也具有類似關(guān)系,于是后人把兩者結(jié)合起來(lái),即得到有關(guān)光吸收的基本定律——布格-朗伯-比爾定律,簡(jiǎn)稱“比爾-朗伯”定律[5]。如今,朗伯-比爾定律(Lambert-Beer law),作為光吸收的基本定律,不僅適用于所有的電磁輻射,而且適用于所有的吸光物質(zhì),包括氣相、固相和液相,以及原子、分子和離子,等。朗伯-比爾定律作為吸光光譜的定量基礎(chǔ),已被廣泛的應(yīng)用于各學(xué)科領(lǐng)域。如:可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS),具有實(shí)時(shí)原位測(cè)量、無(wú)需采樣和處理過(guò)程、響應(yīng)迅速、測(cè)量精度和靈敏度高等顯著優(yōu)勢(shì),使得該技術(shù)已被推廣應(yīng)用于大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)處理控制、生物醫(yī)療和高溫燃燒成分診斷等領(lǐng)域。

2 理論基礎(chǔ):朗伯-比爾定律(Lambert-Beer law)

當(dāng)一束光通過(guò)吸收介質(zhì)時(shí),介質(zhì)引起光強(qiáng)衰減的因素主要有吸收效應(yīng)和散射效應(yīng)。因此,描述入射光強(qiáng)I(ν)和出射光強(qiáng)I0(ν)之間變化關(guān)系的朗伯-比爾定律可表示為:

式中α(ν)為頻率ν處的分子吸收系數(shù),包含著分子吸收線強(qiáng)和吸收線型信息。C為分子的濃度,L為光與分子相互作用長(zhǎng)度,β(ν)和γ分別為瑞利散射(Rayleigh)散射系數(shù)和和米(Mie)散射系數(shù),f(ν)為探測(cè)器的響應(yīng)函數(shù)。實(shí)際上,吸收線強(qiáng)是一個(gè)對(duì)溫度T依賴的物理量,可通過(guò)查閱光譜數(shù)據(jù)庫(kù)(如:HITRAN)獲得。低壓和高壓下,分子的吸收線型分別受Doppler加寬效應(yīng)和碰撞加寬效應(yīng)影響,對(duì)應(yīng)線型由高斯函數(shù)(Gaussian)和勞倫茲函數(shù)(Lorentzian)描述:

上式中兩種線型皆滿足歸一化條件,γD和γL分別為高斯半寬和勞倫茲半寬。對(duì)于均勻的氣體分子介質(zhì),在忽略散射效應(yīng)和探測(cè)器理想的響應(yīng)情況下,得到簡(jiǎn)化的朗伯-比爾定律為:

其原理示意圖如圖1所示。

圖1 激光吸收光譜的原理示意圖

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

教學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用的光源為Agilent公司的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器(波長(zhǎng)調(diào)諧范圍1 641~1 496 nm),所選氣體介質(zhì)為乙炔(C2H2)氣體,密封在4 cm長(zhǎng)的光學(xué)玻璃吸收池中,光探測(cè)器為New Focus公司的InGaAs紅外探測(cè)器,探測(cè)器輸出的電信號(hào)由美國(guó) National Instruments公司的數(shù)據(jù)采集卡(NI-6212),實(shí)時(shí)傳輸?shù)焦P記本電腦中,再通過(guò)基于Labview軟件自編的可視化圖形界面實(shí)時(shí)顯示光信號(hào)對(duì)應(yīng)的電壓值。實(shí)驗(yàn)中將以上三個(gè)主要光學(xué)器件水平集成到光學(xué)平臺(tái)中,借助紅外卡片(或可見紅光源)調(diào)整光路,使吸收池透射光垂直入射到探測(cè)器光敏面中心,保證光耦合效率最高。

實(shí)驗(yàn)中首先選定C2H2分子吸收譜線波長(zhǎng)位置為1520.085 78 nm,為了便于觀察整個(gè)吸收線型輪廓,設(shè)定激光器的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍為1 519.8~ 1 520.3 nm,波長(zhǎng)調(diào)諧率為0.001 nm/s,且與數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集顯示速度保持一致,實(shí)驗(yàn)中選擇1 Hz,便于學(xué)生觀察光強(qiáng)實(shí)時(shí)變化。依據(jù)公式(4)可知,每一個(gè)波長(zhǎng)/頻率對(duì)應(yīng)一個(gè)光強(qiáng)值,理論上沒有介質(zhì)吸收光時(shí),探測(cè)器輸出的電壓值保持不變。當(dāng)入射光頻率與C2H2分子躍遷頻率相匹配時(shí),光強(qiáng)即被C2H2分子吸收衰減,相應(yīng)的探測(cè)器輸出電信號(hào)變小。實(shí)際上,分子吸收譜線受加寬效應(yīng)的影響,在分子躍遷頻率中心位置的兩側(cè)將出現(xiàn)不同程度的吸收,且吸收輪廓呈一定的對(duì)稱性分布。

為了讓學(xué)生更直觀的學(xué)習(xí)朗伯-比爾定律,實(shí)驗(yàn)中記錄不同壓力和濃度下的C2H2吸收光譜,如圖2所示。低壓下(1-6毫巴),隨著純的C2H2壓力的增加,吸收物分子數(shù)增加,對(duì)應(yīng)光強(qiáng)吸收量增加,吸收深度增加。高壓下(102-103毫巴),保持C2H2濃度不變,隨著壓力的增加,壓力加寬效應(yīng)起主導(dǎo)地位,線寬明顯變寬,且吸收深度隨著壓力的增加而逐漸變小。此外,可以鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合公式(2)-(4),利用一些商業(yè)化數(shù)據(jù)處理軟件(如:Origin和Matlab)對(duì)觀測(cè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析處理,反演出樣品的壓力或濃度信息,并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比對(duì)。

圖2 不同壓力條件下觀察的C2H2分子吸收譜線

4 總結(jié)和展望

探討了將科研項(xiàng)目中的物理定律,即激光吸收光譜的核心思想:朗伯-比爾定律,引入到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,為有效推進(jìn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提出一種新的研究方法。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的就是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力、思考問(wèn)題能力和創(chuàng)新意識(shí)。將科研中的普適定律帶入課堂,把科研項(xiàng)目的成果轉(zhuǎn)化成實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、思考問(wèn)題的能力,提升學(xué)生數(shù)據(jù)分析處理技能,激發(fā)學(xué)生對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生融入到研究性科研項(xiàng)目的積極性,將學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)與技能解決問(wèn)題,真正實(shí)現(xiàn)學(xué)有所思和學(xué)以致用,及實(shí)現(xiàn)教學(xué)和科研雙贏。

[1] 于兵川,吳洪特.實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研有機(jī)結(jié)合培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和能力[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2010, 29(2):76-87.

[2] 於黃忠.提高大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量探討[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2011,9(4):106-107.

[3] 張敏,何龍慶,張波.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2011,22(1):100-102.

[4] 朱湘萍,熊文元,包本剛.用科研項(xiàng)目推進(jìn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的研究與探索[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn), 2011,24(3):110-113.

[5] 吳一微.對(duì)光吸收定律教與學(xué)的建議[J].湖北師范學(xué)院學(xué)報(bào),2006,26(2):82-84.

The Study of Teaching Design on Lambert-Beer Law in College Physics Experiments Education

LIJin-song
(Anhui University,Anhui Hefei230601)

The teachingmethod and content of college physics experiment(CPE)need to reform and innovate constantly.This paper discusses the introduction of the physical law of scientific research into the teaching of CPE,which provides a new method to effectively promote the reform of CPE teaching.Enriching content of CPE and improving the quality of CPE,as well as giving full play to the function of quality education of the scientific research project,will be better to cultivate the students hands-on ability,thinking ability and creative ability.

CPE;teaching and science research;teaching reform

G 420

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.006.016

1007-2934(2015)06-0055-03

2015-07-02

安徽省高等學(xué)校省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目(2014tszy004);安徽大學(xué)本科教育質(zhì)量提升計(jì)劃項(xiàng)目(xjtszy1401)資助;安徽大學(xué)科研建設(shè)費(fèi)資助(10117700014)。