HPS教育模式下《玻爾的原子模型》教學(xué)案例設(shè)計(jì)

一、HPS教育簡介

HPS是History、Philosophy and Pociology of science 的縮寫，即科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)與科學(xué)社會學(xué)。HPS教育是融科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)與科學(xué)社會學(xué)為一體的科學(xué)教育的新型教學(xué)模式。我國基礎(chǔ)教育課程改革目標(biāo)是從知識與技能、過程與方法及情感態(tài)度與價值觀這三個維度對學(xué)生進(jìn)行能力培養(yǎng)的。通過教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解，不但使學(xué)生學(xué)到科學(xué)的知識與技能，而且培養(yǎng)他們的科學(xué)精神和創(chuàng)新能力。

二、教學(xué)案例

我們以《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書》(人民教育出版社，2010年4月第3版)選修3-5中《玻爾的原子模型》一節(jié)為例，嘗試在物理教學(xué)中融入物理學(xué)史，使學(xué)生體會知識產(chǎn)生的過程與方法。

【教學(xué)目標(biāo)】

知識與技能：了解物理學(xué)史以及有關(guān)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)；了解玻爾理論的內(nèi)容；了解量子化、能級以及基態(tài)、激發(fā)態(tài)的概念。

過程與方法：讓學(xué)生認(rèn)識科學(xué)家所進(jìn)行的科學(xué)探究；通過對玻爾理論的學(xué)習(xí)，會用它來解釋氫光譜。

情感態(tài)度與價值觀：學(xué)習(xí)科學(xué)家勇于質(zhì)疑的勇氣；理解玻爾理論的重要意義：從宏觀現(xiàn)象的“連續(xù)”概念到微觀世界的“不連續(xù)”概念的轉(zhuǎn)變，是人類認(rèn)識物質(zhì)世界的一次飛躍。

【教學(xué)設(shè)計(jì)】

1.提出問題

教師提問：盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型能很好地解釋α粒子散射實(shí)驗(yàn)，但是，當(dāng)時很少有物理學(xué)家能接受這種電子繞核旋轉(zhuǎn)的模型，大部分物理學(xué)家認(rèn)為這種模型是不穩(wěn)定的，為什么？

學(xué)生回答：根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)理論，電子在庫侖引力的作用下繞核旋轉(zhuǎn)會激發(fā)電磁波，電子就會將自己繞核旋轉(zhuǎn)的能量以電磁波的形式輻射出去，它會失去能量，早晚會落到原子核上，故認(rèn)為原子是不穩(wěn)定的。

2.玻爾的原子理論

教師：正當(dāng)物理學(xué)家們?yōu)楸R瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型爭論不休時，玻爾敏銳地看到：應(yīng)該否定的不是盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型，而是經(jīng)典物理學(xué)對它的解釋。繼而，他提出了自己的原子結(jié)構(gòu)假說。假說的內(nèi)容主要有哪些呢？

學(xué)生：假說的內(nèi)容主要有兩個方面。

第一個假設(shè)：原子中的電子在庫侖力的作用下繞核運(yùn)動的半徑不是任意的，必須滿足一定的條件，只能是某些分立的數(shù)值。電子在這些軌道上繞核旋轉(zhuǎn)不產(chǎn)生電磁輻射，是穩(wěn)定的。電子在不同軌道上具有不同的能量，故原子的能量是量子化的，這些量子化的能量值叫能級，這些狀態(tài)叫做定態(tài)。

第二個假設(shè)：只有電子在不同軌道間，即不同能級間躍遷時，才會放出或吸收一定頻率的光子，光子的能量由兩能級間的能量差決定，即hν = Em - En( m > n )。

3.玻爾理論對氫光譜的解釋

教師：玻爾理論是如何對氫原子光譜進(jìn)行解釋的呢？

學(xué)生：根據(jù)玻爾理論，原子從高能級向低能級躍遷時會放出光子，放出光子的能量等于兩能級之差。由于原子的能級是分立的，故放出光子的能量也是分立的。因此，原子的發(fā)光光譜是分立的線狀譜。

根據(jù)玻爾理論，可以推導(dǎo)出巴耳末公式，從理論上算出里德伯常量，其值與實(shí)驗(yàn)值符合得很好。玻爾理論不但成功地解釋了氫光譜中的巴耳末系、帕邢系，還預(yù)言了當(dāng)時尚未發(fā)現(xiàn)的氫原子的其他譜線系。

4.證明能級存在的實(shí)驗(yàn)——弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)

教師：激發(fā)原子的手段除了讓它吸收電磁輻射外，還可以利用加熱或使粒子碰撞等方式。

1914年，弗蘭克和赫茲利用電子轟擊汞原子。他們測量電子與汞原子碰撞后損失的能量和汞原子在這些碰撞中獲得的能量，發(fā)現(xiàn)能量的損失或獲得是分立的，從而證明了玻爾關(guān)于原子存在著不連續(xù)能級的假說是正確的，具體的實(shí)驗(yàn)原理和方法請大家課后閱讀“科學(xué)足跡”。

5.玻爾模型的局限性

教師：玻爾首次將量子觀念引入原子領(lǐng)域，成功地解釋了氫光譜，但是用來解釋稍微復(fù)雜的原子光譜時卻遇到了困難，理論結(jié)論與實(shí)驗(yàn)事實(shí)出入很大。問題出在哪兒呢？

學(xué)生：玻爾理論的成功之處在于它引入了量子觀念，不足之處在于過多地保留了經(jīng)典物理理論。

教師：實(shí)際上，原子中的核外電子并沒有確定的軌道，我們只能知道電子在原子內(nèi)各處出現(xiàn)的概率。玻爾的電子軌道，只不過是電子出現(xiàn)概率最大的地方。電子在原子核外的運(yùn)動情況，通常用“電子云”來描述。電子云圖形象地給出了電子在原子核周圍各處出現(xiàn)的概率。

玻爾理論雖有瑕疵，但他開創(chuàng)了原子核物理學(xué)，引領(lǐng)著量子力學(xué)的發(fā)展。通過對量子力學(xué)、狹義相對論和原子核物理的研究，人類找到了核能，建立了以計(jì)算機(jī)控制為主導(dǎo)的現(xiàn)代工業(yè)，步入了信息時代。

三、教學(xué)反思

在本節(jié)課中，我們沿著科學(xué)發(fā)展的脈絡(luò)，將科學(xué)史、科學(xué)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)概念有機(jī)結(jié)合，在問題情境中讓學(xué)生思考，體會科學(xué)發(fā)展的歷程，感受科學(xué)家追求真理、鍥而不舍的精神，使學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)是不斷發(fā)展的，科學(xué)理論是不斷更新的，加深了他們對科學(xué)本質(zhì)的理解。

(責(zé)任編輯：黃春香）