摘 要 “近代物理實(shí)驗(yàn)”是物理類專業(yè)的一門必修課程，結(jié)合近代物理實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)以及培養(yǎng)目標(biāo)，將前沿的科學(xué)研究思想和方法引入到教學(xué)實(shí)踐是實(shí)驗(yàn)課程改革的重要方向之一。本文介紹了我校在近代物理實(shí)驗(yàn)中開設(shè)計(jì)算模擬實(shí)驗(yàn)，以常規(guī)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)物理建模和模擬內(nèi)容，通過研究光電陰極材料的結(jié)構(gòu)和特性增強(qiáng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵和深度，加深學(xué)生對(duì)相關(guān)物理概念、計(jì)算模擬過程與思路的理解掌握，提高學(xué)生的科創(chuàng)水平，提升綜合應(yīng)用知識(shí)的能力，為高校實(shí)驗(yàn)課程改革提供一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞 近代物理實(shí)驗(yàn);光電效應(yīng);物理建模;計(jì)算模擬

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)在物理專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)中具有非常重要的作用。我?！捌胀ㄎ锢韺?shí)驗(yàn)”針對(duì)低年級(jí)（大一、大二）物理專業(yè)學(xué)生開設(shè)，主要涉及力、熱、電、光等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，向?qū)W生傳授實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想、實(shí)驗(yàn)方法，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，提升科學(xué)素養(yǎng)?！督锢韺?shí)驗(yàn)》面向物理專業(yè)高年級(jí)學(xué)生（大三），課程更多強(qiáng)調(diào)物理思想的建立，科學(xué)思維的鍛煉，綜合能力的提高。近年來隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，大學(xué)教育的教學(xué)內(nèi)容和模式進(jìn)入了革新階段，這就要求在物理實(shí)驗(yàn)課程中也與時(shí)俱進(jìn)地注入教學(xué)新理念和教學(xué)新模式[1]，在教學(xué)實(shí)踐中更加注重培養(yǎng)學(xué)生的工程思維、創(chuàng)新意識(shí)和獨(dú)立分析問題、解決問題的綜合能力。

利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算模擬是解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、驗(yàn)證假說、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)或工程設(shè)計(jì)、解決復(fù)雜物理問題的一種新興科學(xué)研究方法，已被廣泛應(yīng)用于物理、材料、化學(xué)、生物制藥、機(jī)械等領(lǐng)域[2，3]。計(jì)算模擬對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所要求較低，不受時(shí)空的限制，因此在教學(xué)中可廣泛開展，許多高校已經(jīng)開始在一些專業(yè)課程的教學(xué)中利用計(jì)算模擬將抽象的物理化學(xué)過程進(jìn)行再現(xiàn)，使學(xué)生在深入理解相關(guān)專業(yè)概念的同時(shí)了解計(jì)算模擬，培養(yǎng)學(xué)生的分析能力和創(chuàng)新能力，開拓研究性思維[4-7]。另外計(jì)算模擬實(shí)驗(yàn)可以綜合應(yīng)用量子力學(xué)、固體物理、計(jì)算物理等相關(guān)專業(yè)知識(shí)，因此，在物理類高年級(jí)《近代物理實(shí)驗(yàn)》課程中，我們?cè)O(shè)計(jì)了以基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為立足點(diǎn)，開設(shè)使用計(jì)算模擬方法的研究性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，通過建模計(jì)算、數(shù)據(jù)分析等環(huán)節(jié)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，將理論用于實(shí)踐，培養(yǎng)科研思維，提升科學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)，開闊思維和眼界。

光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)發(fā)展史上具有里程碑意義。自1887年赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)以來，許多研究者對(duì)光電效應(yīng)理論及實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了深入的研究。利用光電效應(yīng)制造的光電轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)光信號(hào)與電信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換，這些光電轉(zhuǎn)換器如光電管、光敏電阻、光電耦合器、光敏二極管、光電池、光電倍增管等已廣泛應(yīng)用于電影、電視、制造、醫(yī)療、環(huán)保、紅外探測(cè)、光纖通信、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。在華東理工大學(xué)《普通物理實(shí)驗(yàn)》中開設(shè)了光電效應(yīng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括記錄光電管光伏特性曲線，讀取閾值電壓計(jì)算普朗克常數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)實(shí)踐理解和掌握光電效應(yīng)的原理和科學(xué)規(guī)律。為了開拓科創(chuàng)思維，將前沿研究方法引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在《近代物理實(shí)驗(yàn)》中我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)與光電效應(yīng)相關(guān)的使用計(jì)算模擬的探究型實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生通過計(jì)算模擬深入研究光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)背后的物理機(jī)理。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括以理論計(jì)算輔助研究光電陰極材料的結(jié)構(gòu)和特性，通過計(jì)算材料功函數(shù)加深對(duì)其物理概念的理解，掌握以理論計(jì)算篩選陰極材料的原理和方法，了解計(jì)算模擬用于科學(xué)研究的基本思路，學(xué)時(shí)為4學(xué)時(shí)。將計(jì)算機(jī)模擬手段與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，可在學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證光電效應(yīng)規(guī)律的基礎(chǔ)上，深入理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的物理實(shí)質(zhì)及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，了解相關(guān)操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化賦能實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和科研素養(yǎng)，以及利用現(xiàn)代信息化手段解決復(fù)雜問題的能力，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量教學(xué)。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

光電效應(yīng)測(cè)試儀中光電管的常用陰極材料有銀銫氧（Ag-Cs-O）和銻銫（Sb-Cs）等[8]，其中銀銫氧是最早出現(xiàn)的一種實(shí)用光電陰極材料，對(duì)可見光和近紅外敏感，我校光電效應(yīng)測(cè)試儀中光電管使用的即為此類陰極材料。新設(shè)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生通過計(jì)算模擬來分析判斷陰極材料中Ag、O、Cs三種元素的可能結(jié)合方式，比如是形成了三元化合物還是構(gòu)建了異質(zhì)結(jié)構(gòu)，使用密度泛函理論計(jì)算結(jié)構(gòu)的功函數(shù)及其他物理性質(zhì)，判斷是否能產(chǎn)生光電效應(yīng)并分析原因。目前，基于量子力學(xué)原理的密度泛函理論（Density Functional Theory，DFT）是研究材料多電子體系電子結(jié)構(gòu)的一種普遍方法[9]。這種計(jì)算模擬方法可以預(yù)測(cè)材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)和物理化學(xué)性質(zhì)，通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比能進(jìn)一步解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的本質(zhì)和反應(yīng)[10，11]。通過該實(shí)驗(yàn)使學(xué)生初步了解計(jì)算模擬方法、計(jì)算思路以及核心物理概念，進(jìn)而理解計(jì)算模擬的原理和作用，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作、自主學(xué)習(xí)、科研分析、創(chuàng)新思維等多項(xiàng)能力，提高科研素養(yǎng)。

2 計(jì)算模擬環(huán)節(jié)

整個(gè)模擬過程采用具有友好操作界面的MaterialsStudio （MS）軟件中Castep計(jì)算程序包完成，選用廣義梯度近似GGA 中的Perdew-Burke-Ernerhof（PBE）[12]。在結(jié)構(gòu)弛豫過程中，收斂精度SCF取Fine，能量收斂標(biāo)準(zhǔn)為10-5eV/atom，贗勢(shì)選擇OTFG 超軟（OTFG ultrasoft），平面波截?cái)嗄茉O(shè)定為574eV，布里淵區(qū)采用5×5×1Monkhorst-Pack網(wǎng)格采樣，具體軟件界面及參數(shù)設(shè)置如圖1所示。真空層厚度為15? 來避免層間的相互影響。