计算模拟在“近代物理实验”教学中的应用

摘 要 “近代物理实验”是物理类专业的一门必修课程，结合近代物理实验课程的特点以及培养目标，将前沿的科学研究思想和方法引入到教学实践是实验课程改革的重要方向之一。本文介绍了我校在近代物理实验中开设计算模拟实验，以常规光电效应实验内容为基础设计物理建模和模拟内容，通过研究光电阴极材料的结构和特性增强基础实验的内涵和深度，加深学生对相关物理概念、计算模拟过程与思路的理解掌握，提高学生的科创水平，提升综合应用知识的能力，为高校实验课程改革提供一定的参考价值。

关键词 近代物理实验;光电效应;物理建模;计算模拟

物理学是一门以实验为基础的学科，物理实验教学在物理专业学生的培养中具有非常重要的作用。我校“普通物理实验”针对低年级（大一、大二）物理专业学生开设，主要涉及力、热、电、光等基础实验，向学生传授实验设计思想、实验方法，培养学生的动手实践能力，提升科学素养。《近代物理实验》面向物理专业高年级学生（大三），课程更多强调物理思想的建立，科学思维的锻炼，综合能力的提高。近年来随着科学技术的快速发展，大学教育的教学内容和模式进入了革新阶段，这就要求在物理实验课程中也与时俱进地注入教学新理念和教学新模式[1]，在教学实践中更加注重培养学生的工程思维、创新意识和独立分析问题、解决问题的综合能力。

利用计算机进行计算模拟是解释实验现象、验证假说、优化实验或工程设计、解决复杂物理问题的一种新兴科学研究方法，已被广泛应用于物理、材料、化学、生物制药、机械等领域[2，3]。计算模拟对实验场所要求较低，不受时空的限制，因此在教学中可广泛开展，许多高校已经开始在一些专业课程的教学中利用计算模拟将抽象的物理化学过程进行再现，使学生在深入理解相关专业概念的同时了解计算模拟，培养学生的分析能力和创新能力，开拓研究性思维[4-7]。另外计算模拟实验可以综合应用量子力学、固体物理、计算物理等相关专业知识，因此，在物理类高年级《近代物理实验》课程中，我们设计了以基础实验为立足点，开设使用计算模拟方法的研究性实验内容，通过建模计算、数据分析等环节激发学生的学习兴趣，将理论用于实践，培养科研思维，提升科学实验素养，开阔思维和眼界。

光电效应实验在物理学发展史上具有里程碑意义。自1887年赫兹发现光电效应以来，许多研究者对光电效应理论及实验进行了深入的研究。利用光电效应制造的光电转换器可以实现光信号与电信号之间的相互转换，这些光电转换器如光电管、光敏电阻、光电耦合器、光敏二极管、光电池、光电倍增管等已广泛应用于电影、电视、制造、医疗、环保、红外探测、光纤通信、自动控制等领域。在华东理工大学《普通物理实验》中开设了光电效应相关实验，实验内容包括记录光电管光伏特性曲线，读取阈值电压计算普朗克常数，通过实验实践理解和掌握光电效应的原理和科学规律。为了开拓科创思维，将前沿研究方法引入实验教学，在《近代物理实验》中我们设计了一个与光电效应相关的使用计算模拟的探究型实验，使学生通过计算模拟深入研究光电效应实验背后的物理机理。相关的实验内容主要包括以理论计算辅助研究光电阴极材料的结构和特性，通过计算材料功函数加深对其物理概念的理解，掌握以理论计算筛选阴极材料的原理和方法，了解计算模拟用于科学研究的基本思路，学时为4学时。将计算机模拟手段与实验教学相结合，可在学生通过实验验证光电效应规律的基础上，深入理解实验现象背后的物理实质及实验设计思路，了解相关操作，实现数字化赋能实验教学，培养学生的创新思维和科研素养，以及利用现代信息化手段解决复杂问题的能力，实现高质量教学。

1 实验内容

光电效应测试仪中光电管的常用阴极材料有银铯氧（Ag-Cs-O）和锑铯（Sb-Cs）等[8]，其中银铯氧是最早出现的一种实用光电阴极材料，对可见光和近红外敏感，我校光电效应测试仪中光电管使用的即为此类阴极材料。新设实验要求学生通过计算模拟来分析判断阴极材料中Ag、O、Cs三种元素的可能结合方式，比如是形成了三元化合物还是构建了异质结构，使用密度泛函理论计算结构的功函数及其他物理性质，判断是否能产生光电效应并分析原因。目前，基于量子力学原理的密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT）是研究材料多电子体系电子结构的一种普遍方法[9]。这种计算模拟方法可以预测材料的结构参数和物理化学性质，通过与实验结果进行对比能进一步解释实验现象的本质和反应[10，11]。通过该实验使学生初步了解计算模拟方法、计算思路以及核心物理概念，进而理解计算模拟的原理和作用，培养学生的团队协作、自主学习、科研分析、创新思维等多项能力，提高科研素养。

2 计算模拟环节

整个模拟过程采用具有友好操作界面的MaterialsStudio （MS）软件中Castep计算程序包完成，选用广义梯度近似GGA 中的Perdew-Burke-Ernerhof（PBE）[12]。在结构弛豫过程中，收敛精度SCF取Fine，能量收敛标准为10-5eV/atom，赝势选择OTFG 超软（OTFG ultrasoft），平面波截断能设定为574eV，布里渊区采用5×5×1Monkhorst-Pack网格采样，具体软件界面及参数设置如图1所示。真空层厚度为15Å 来避免层间的相互影响。