“近代物理实验I”教学笔记

2013/03/14 12:18

昨天下午代课时,和做实验的同学一起讨论了光磁共振实验中某个具体实验信号的特征,让同学介绍自己对信号特征的描述,也介绍了我的描述。过后,有一位同学开始认真地实践写记录。这表明:学生的学习需要这样的示范。 但我还会困惑:还能早一点让学生懂得这一点吗?

——2013/03/13

今天代课,中午1点去两个实验室,看了一下实验进度,查看了一下实验记录。惊奇地发现:大部分同学到现在为止的实验记录部分还没有任何内容。其中一位同学在玩着手机围观同伴做实验,问他:为什么不记录啊?他说:还没有做实验啊!对这个回答,我不知道该怎么再和他们来理论!

将MIT对实验记录的要求贴在此处,供大家参考。

大人物的学术腐败、学术不端马上都会成为丑闻。大家对这类行为都会表现得很不屑。

在平常的实验教学中,偶尔也能听到“借你的报告参考一下”这样的说法,而同学们在写实验报告的时候引文标注是很不规范的,甚至没有。不知道大家是否意识到:引文标注不规范或者没有标注也是一种学术不端。请大家千万不要以为这样的做法很普遍,“又不是只有我才这么做”,“这是小事”,而觉得没关系,不重视。我自己的感觉是:学术道德处处都会有体现,规范写作的习惯要及早培养。

学生在拿到发回的实验报告时,如果老师没有具体指出错误或改进建议,经常会说“只有一个阅字”。我觉得自己批改报告还是比较认真的,会认真阅读全文(包括预习和记录部分),会指出具体的错误、修改的建议,甚至包括错别字,批改每一份报告都会花比较长的时间,只是不知道同学拿到写了很多“红字”的报告后,会怎么想、怎么做?我是很少拿到同学订正或改进过的实验报告的。

周四拿到这学期第一份近代物理实验课的实验报告的订正,随后,同学还过来具体讨论了不短的时间。真心希望以后能多看到一些同学的“订正”。

总体上看,一二年级实验课上,订正实验报告的同学比例相对高一些。这是否说明:同学的学习热情在逐渐降低呢?

教学实验室一直有核物理实验,用到的探测器包括GM计数管和闪烁体探头。近期因为日本核泄漏,大家对核辐射都很关心。我们以用现有的仪器对背景辐射做了测量,也对放射源的剂量率做了检测,有一点初步的结果和大家分享。

需要提醒的是:这里使用的仪器在测量前没有进行严格的校准,测量结果仅供参考。

非常欢迎有兴趣的同学对这部分实验做更细致的测量和分析。 — 乐永康 2011/04/16 13:27

实验室辐射本底的能谱分析

这部分的测量选用的是中核(北京)核仪器厂的通用能谱仪(配NaI(Tl)闪烁体探头)。

我们分别对没有屏蔽(标记为“Free”,计数时间525秒)和有屏蔽(标记为“Covered”,计数时间3150秒)两种情形测量了本底的能谱,测量时的高压设为600V。结果如下图:

结果:有屏蔽时能谱的计数率(10.6次每秒)是没有屏蔽时能谱计数率(167次每秒)的十五分之一。

原来,合理设置实验参数时,γ能谱测量中的噪声计数率是很低的,“本底计数”来自于环境中的辐射。

放射源的剂量率

首先,我们测量了环境辐射剂量率,所用仪器是:中辐院三辐电子仪器厂生产的FJ-1辐射剂量率仪。仪器使用的探头是GM计数管,对象是X射线和γ射线,测量范围是10μSv/h-20mSv/h,能量响应范围和不确定度范围分别是:50KeV-1.3MeV -40%~+80%。剂量率测量相对误差:对137Cs< ±20%.测量在0.1~1999.9μSv/h,每一次测量的时间约40秒,相同的测量进行5次或以上。(下面只给出了前五次测量的结果)

实验室本底剂量率

仪器放置方式剂量率(μSv/h)
水平放置0.70.30.10.30.6
垂直放置0.50.40.20.20.4

三块铯源

铯源重叠放置,测量从侧面进行
仪器到源的距离剂量率(μSv/h)
放射源直紧贴探头5.24.76.26.83.6
10cm0.40.90.60.50.5
30cm0.20.30.70.50.4

仪器相对于源的这种放置方式,与实验时实验者所处的情形相似,区别主要有三点:1)实验者到源的距离一般都在50cm以上;2)实验时,一组实验者只使用一块源;3)放射源前放置了一块厚度是6cm的铅砖起到“隔离”作用。因此,实验者在正常实验情况下受到的辐射剂量率肯定低于这里测得的值,甚至可以说:实验时,实验者在正常实验情况下受到的辐射剂量率接近于实验室的辐射本底。

铯源并排放置,仪器平行、正对放射源,仪器到源的距离是10cm
仪器放置方式剂量率(μSv/h)
“高”垂直于桌面0.60.51.10.60.2
“宽”垂直于桌面0.60.60.30.60.1
铯源重叠放置,仪器平行、正对放射源,辐射剂量率随仪器到源的距离的变化
仪器到源的距离剂量率(μSv/h)
放射源直紧贴探头8.68.97.810.09.5
5cm1.51.31.01.40.9
10cm0.80.40.80.70.7
20cm0.60.500.40.2

一块新购的钠源,仪器平行、正对放射源,辐射剂量率随仪器到源的距离的变化

仪器到源的距离剂量率(μSv/h)
放射源直紧贴探头57.463.262.962.465.7
5cm7.98.18.17.48.8
10cm3.92.33.63.23.8
20cm1.30.91.40.91.0
40cm0.60.40.40.80.5

结果:1)新购钠源的放射性活度远大于铯源;2)辐射剂量率随距离增大很快减小(因为这里的源是“面源”,在我们测量的距离范围里,还不能看成是“点源”,所以,减小规律不是“平方反比”关系);3)当距离大于40cm以后,钠源产生的辐射剂量率接近于本底剂量率。

这几学期,批改实验报告成了我最大的负担,几乎每学期都是被学生“催着要债”。

这学期,下定决心要及时改完报告,但现在已出现一点拖拉了。很费时间,但我还是不想草草地对付了事,也算是“苦中作乐”吧。只可惜,在我看来,写得好的报告比较少。

今晚,改了两份,每份半个多小时,都是难得的好报告,觉得这时间投入得很值得。真心希望我的批注也能让学生有收获。

想写点什么,但还不知道该怎么写,先挖个坑吧。 — 2011/03/26 23:05

交流时,我们常说:实验教学中黑箱子式的仪器太多了。一方面是自动化技术运用的结果,仪器的操作越来越简便,也掩盖了很多有关实验原理、技术的展示;另一方面,是学生在实验中只是简单地操作,而对仪器的工作原理不求甚解,也对测量精度、合理高效的仪器操作知之甚少,而对仪器的维护、改进更是无从谈起。所以,一方面,我们在实验建设中,选择仪器时会重点考虑:此仪器用于教学效果会如何?而不是简单地根据仪器的性能指标来选择;教学中,我们鼓励学生多去思考仪器的工作原理,能明白更多的“为什么”,甚至鼓励学生去打开仪器盖子,看看内部结构。开盖以后,不少学生的第一句话是:原来内部是这样啊?甚至惊奇于内部结构的简单。

但对于有些仪器,特别是贵重仪器,也不是随意就可以开盖的,更不是没有任何基础的人在没有指导的情况下说开就开。随着电子技术等的发展,仪器一般是越来越精密了,没有专业培训的人使用、检测仪器都可能出现问题,随意的开盖更可能导致性能下降,甚至损坏。贵重仪器的操作规范必须明确,而操作的权限等级也必须很清楚。

怎样更好地培养学生的动手能力?什么情况下可以、需要拆开仪器?不是容易回答的问题,希望在今后的工作中能更好地把握相关的“度”。 — 2011/04/08 21:22

过去的周四,来实验室的同学有好几位预习不充分。有因为有事想另约时间来做的,有看了实验讲义不太明白,也无从下手的。在实验室让他们预习,慢慢地似乎也能完成“基本的要求”。是讲义的问题?还是学生的问题?还是教学目标、教学方式的问题?面向很多人的课程,总会有这样,那样的问题。感到困惑,但单靠想是不会有答案的。

和李聊得比较多,他自己说:和你,总能聊很多。近物实验定位为“模拟科研训练”,但同学们不这么认为。近代物理实验还是折腾,只不过比低年级时的实验课更折腾。很能引起思考的反馈!

上周三、周四各有一个Gama能谱的探头因为操作不当出现了不能正常工作的情况。根据不当操作的情况,我的基本判断是电子线路部分出现了问题。上学期也出现过这样的问题,假期里两个探头送到北京的公司维修,每一个收费2000元。如果再次把探头送去维修,估计还是这个收费标准,而且来回的时间至少一周以上,教学进度的安排不允许这样的等待。

这两天花时间做了些尝试,确认了自己的判断。找了一个已损坏的探讨的电子线路部分,接上后,得到了预期的信号。正常的教学可以保证了。还需再花点时间找出不能正常工作的电子线路的问题,然后更换元件,可以作为备用设备。

一点体会:只要愿意花时间,教学仪器中少有搞不定的问题(非常专用的电路除外)。

光泵磁共振的实验设备无论设计和性能都让我很不满意,日常教学中的问题也很多。可惜时间,总是不够用。

实验中,我们需要处理各种数据,处理过程中,能否比较敏锐地看到数据中的“不正常”可以反映基础知识是否扎实的情况。近日,有关核辐射的问题大家都非常关心,环保部公布的“主要城市辐射水平检测结果”无疑是消除人们的核恐惧的一个重要证据。但让我很疑惑的是,3月16日发布的测量结果和3月19日测量结果中的“本底水平”有很大的差别,这让我对这些结果的可信度有了很大的怀疑。

  • 图1:国内主要城市3月16日的辐射检测数据

  • 图2:国内主要城市3月16日的辐射检测数据

(以上图片摘自相关网站)

从上面两张图的对比可以发现:北京、深圳、广州、重庆、长沙、海口(仅仅举例说明)等城市的天然辐射本底有很大的差别(图中蓝色的柱子)。

虽然检测结果公布的说明中没有明确天然本底是怎么测量的,但根据常理,这里能够具有参考价值的天然本底应该是在日本核泄漏之前很长一段时间内检测数据的统计结果。如此,天然辐射本底不可能会出现大的变化。于我,这些数据有很大的疑问。

当然,以我并不太全面的专业知识来判断,日本核泄漏对我国的影响是非常小的,我们完全没有必要有任何的担忧和恐惧。

以上事例说明:(一)有关工作人员对自己提供的数据和相关文字的逻辑合理性没有认真考虑;(二)撰写各种实验(检测)报告的时候,必须认真思考数据的合理性,否则,可信度和说服力将大打折扣。

  • 部分学生的预习不够充分:到了实验室要做点什么?怎么做?该怎样做实验记录?没有清楚的思路;对实验过程背后的物理了解得非常少。这样的问题在今天学生来补做实验时还表现得很明显。
  • 实验仪器不工作了,该怎么去找问题,学生很少有想法,是“没有物理图像”的表现?还是“动手能力弱”的表现?
  • 实验仪器因为不当操作而受损,老师的问题还是学生的问题?怎样才能更好地避免出现仪器受损?演示一遍过程对于近代物理实验课,还是必要的环节吗?
  • 尝试一下实验前讨论实验操作步骤。
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  • 最后更改: 2013/09/22 14:54
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