基于核心素養的高中原子物理模擬實驗設計研究

【摘要】在學習高中原子物理內容過程中，受實驗條件所限，教師很難把原子物理中的相關實驗展示給學生，一般采用圖片或者動畫的形式呈現給學生，但不夠直觀，在培養學生的科學思維和物理觀念方面效果不理想。借助實驗室的器材以及生活用品模擬出原子物理中的幾個重要物理過程對高中原子物理教學非常迫切和必要。

【關鍵詞】結合能;裂變;聚變;鏈式反應

作者簡介：朱吳軍（1978.09-），男，浙江省杭州市富陽區第二中學，中級教師。

2020年1月開始實施的《浙江省普通高校招生選考科目考試說明》（以下簡稱《說明》）中高中物理關于結合能、裂變、聚變節內容考試要求是c級要求。在《說明》中，c級要求為簡單應用，指能將物理事實、現象與概念、規律建立聯系，認識規律適用的條件，并用以解決簡單問題。從要求中可以看出，這些內容有一定難度且要解決問題，從課堂和課后作業中來觀察和分析，學生尤其對結合能難以理解，對裂變和聚變過程不清，對鏈式反應更沒有直觀感受，掌握得并不如人意。

一、高中原子物理實驗實施分析

為什么高中原子物理實驗難以在課堂上展示，我們結合實際從以下幾個方面進行分析。

（一）高中原子物理章節分析

高三物理選擇性必修第三冊第四章為原子結構和波粒二象性，第五章是原子結構。

第四章第一節是黑體輻射。黑體是一個非常抽象的概念，缺乏具體形象且明顯的課堂實驗;第二節是光電效應，一般實驗室有配套的器材，課堂實驗可以開展;第三節為原子核式結構，一般也是通過講解和圖片展示;第四節是氫原子光譜和玻爾原子模型，其中氫原子光譜實驗室有配套課堂演示實驗，氣體放電實驗現象明顯且震撼;第五節為粒子的波動性和量子力學的建立，沒有配套演示實驗，目前高中物理課堂沒有合適的手段模擬粒子的波動性。

第五章第一節內容為原子核的組成，物理和化學實驗室有配套模型;第二節為放射性元素的衰變，實驗室有配套的放射性現象演示實驗;第三節為核力和結合能，沒有配套演示實驗，且難以模擬，結合能概念過于抽象難以理解;第四節為核裂變和核聚變，沒有配套演示實驗，難以模擬;第五節為基本粒子，沒有配套演示實驗。

通過教材分析，可以發現以下幾個問題。

1.原子物理實驗，能真實在課堂上展示出來的只有光電效應和氣體放電，其他的原子物理實驗幾乎不能在課堂上展示，至少在目前的高中不能展示，除非以后有更好的手段和辦法。

2.原子物理實驗現象發生在原子核內部，高中物理實驗室不能展示出真實動態變化過程。變化過程抽象，不夠形象，導致學生難以理解和進行科學探究，不利于培養學生的科學思維。

3.相關配套演示實驗裝置及器材缺乏，再加上原子物理現象微觀且抽象，教師主觀能動性很難發揮出來，導致日常課堂缺乏演示實驗支持，教師不想浪費時間去另外開發相應演示實驗。

（二）學生對原子物理認知分析

由于原子核過于微觀，學生對原子物理實驗沒有過多的要求，很多學生甚至認為差不多就是這樣，長期停留在被動接受教師的講解，很多原子物理知識只要求自己記住就行，不理解也不會去刨根問底。

（三）教師對原子物理演示實驗認知分析

在高中原子物理中，能在課堂中操作的實驗，只有氣體放電這個實驗，光電效應這個演示實驗也較難操作。很多教師不愿意花時間去鉆研相關實驗，認為是徒勞且費力的事情;并且在高考中原子物理占的分值也不夠多，教師常認為還不如讓學生多做幾道習題更直接。

（四）高中原子物理實驗設計面臨的問題

原子物理實驗器材貴重且精密，遠非高中物理實驗室所能承擔，性價比不高，操作難度大，維護成本較高，所以一般實驗室不會過多配置原子物理實驗儀器，導致教師苦于沒有器材而放棄做原子物理實驗的想法。

二、原子物理模擬實驗可行性分析

（一）原子物理實驗可操作性分析

高中原子物理實驗可操作性很低，除了光電效應和氣體放電這兩個實驗，其他實驗不具備操作性，實驗室也沒有相關的配套器材，也沒有必要花很大的代價去配備相應的器材，對學生的幫助有限。

（二）原子物理模擬實驗可行性分析

高中原子物理實驗可操作性低，從培養學生科學探究、科學思維以及形成原子物理相關的物理觀念來看，是一件很遺憾的事情。那么教師是不是就沒有辦法了呢？其實不然，教師可以開發一系列宏觀的模擬實驗替代真實實驗直觀展示，便于學生直觀感受并培養學生的科學思維。可以基于以下幾點開發原子物理模擬實驗。

1.原子核式結構借助身邊的球狀物體便于模擬，且方便在課堂上展示。如果讓這些模型動起來，能進一步模擬動態變化過程，比如核子結合成原子核過程中釋放出核能，可以借助身邊的一些生活用品形象模擬，方便觀察。

2.生活中某些宏觀裝置的變化其實非常像微觀的原子核內部變化，可以借助這些宏觀裝置進行模擬。比如，老鼠夾被觸動，彈出誘餌，這個現象很像裂變過程。

3.生活中的食物和一些用品，造價低廉，現象明顯，可以用來模擬原子物理中的現象和變化。比如杭州特產凍米糖可以模擬棗糕模型，用紙箱子或者空心鐵殼球來模擬黑體和黑體輻射。

基于以上幾點，我們其實可以模擬幾個原子物理中難以理解的物理變化過程和現象，只有粒子的波動性目前沒有更好的實驗手段來進行模擬。

三、原子物理模擬實驗設計和操作研究

經過高中原子物理模擬實驗可行性分析，筆者設計了以下幾個實驗。

（一）黑體模擬實驗設計

所謂黑體，是指完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發生反射的物體。對于黑體定義的前因后果，學生都不了解，建議教師在課堂上把黑體這個理想模型的建立過程詳細地講清楚，便于學生理解。之所以要建立黑體這個理想模型，就是為了研究熱輻射的規律，而要把其他的跟物體有關聯的因素排除，所以物理學家把只吸收電磁波而不發生反射的這種物體稱為黑體。黑體嚴格意義來說并不總是黑色的，并且溫度大于絕對零度的黑體一定要向外輻射電磁波，即所謂的黑體輻射。長期以來，物理學家很難解釋溫度跟黑體輻射的關系。直到普朗克能量量子理論誕生才完美地解釋了黑體輻射，所以我們學習黑體的意義就是了解量子論的發展起點。

在學生理解了前因后果后，教師可以引導學生自己設計一個黑體模具。所需要的器材包括一個紙盒子和一支激光筆。在黑暗中用激光筆照射紙盒子的孔洞，幾乎觀察不到反射出來的激光，說明該紙盒子可以看作黑體，但是學生不能理解黑體輻射，經過改進如圖1和圖2，把紙盒子換成打細孔洞空心鐵球，用噴槍加熱鐵球直到發紅發亮，在黑暗中用激光筆照射鐵球細孔洞，可以清楚地看到激光幾乎不能反射出來，加熱后鐵球發紅發亮，能觀察到明顯的熱輻射，若繼續加熱，隨著溫度增加，會越來越亮，且顏色發生變化。這就是一個非常形象的黑體模擬實驗，這時學生能形象具體地去認知黑體和黑體輻射。

通過實驗模擬和操作以及手工制作出具體形象的模型，加上科學思維和探究，學生能對黑體有深刻認識和理解。

（二）核力和結合能實驗設計

在核力和結合能這一節中，核力的飽和性導致核子相互作用只有在近距離才會有明顯強有力的作用效果，距離遠則不會有明顯的作用效果。根據這個特性，可以知道重核分裂生成新核會釋放能量，輕核聚變生成新的元素過程也會釋放能量。沒有形象的模擬實驗，學生難以理解。

筆者從教材和學生科學思維出發，設計出相關模擬實驗來進行核力作用演示。核力飽和性模擬實驗如圖3，用一個磁體吸引幾個鋼珠，結合得較緊密，然后增加鋼珠，當鋼珠增加達到一定數量后，其他的鋼珠不能被牢牢吸引，能模擬核力的飽和性。

結合能演示如圖4，磁力球和鋼球相距一段距離，然后用磁力球和鋼珠靠近后，會相互猛地吸引到一起，發出非常響亮的碰撞聲，這個過程可以模擬核能釋放的過程，這些吸引在一起的磁力球和鋼球需要能量才能分開，這種能量叫結合能，與結合過程釋放的能量相等。

通過動態模擬演示，學生能立足演示過程了解核能釋放的過程，了解不同元素的比結合能會有差異，進一步可以理解“比結合能越大，原子核結合得越緊密”這個難點。

（三）核裂變和核聚變實驗設計

我們知道中等質量大小的元素比結合能大，重核比結合能小一點，輕核比結合能更小，如果輕核結合成質量更大的核比結合能變大，意味著要釋放出能量;同理，重核分裂成中等質量的核，比結合能變大，也要釋放能量。這個過程看似很容易理解，實際上一直是學生面對的難點。教師想了很多辦法，常常會感到乏力。不過筆者通過研究和設計，能模擬出核裂變和核聚變的過程。

在核裂變日常教學中，只要引導學生理解比結合能增加就會釋放能量就可以了，學生的問題在于很難理解重核裂變過程生成新的核比結合能為什么會增加。學生如果看到這個模擬過程，很容易就理解裂變過程比結合能增加釋放能量。其實從核力的飽和性來分析，重核里面的核子數較多，相對而言結合得不是很緊密，核子間距較大，一旦分裂，核子重新組合成新核的過程中會結合得更加緊密，即核力作用下核子之間距離靠近，所以要釋放出能量。設計核裂變過程的難點在于，不是簡單地把原子核分開，而是在分開過程中各部分新核的核子間距離要有明顯的靠近過程才能演示出各部分新核比結合能增大，從而分析出能釋放出核能。設計如圖5，實際操作時，拔去中間兩小鋼球之間的插銷后，分裂成兩部分即兩個新核，且兩鋼球被磁性小球分別吸引靠得更近，碰撞時發出響聲，說明新核內的核子間距進一步減少會釋放能量，也說明新核的比結合能變大。

我們通過分析可以知道氘氚聚變過程中，氘氚各自間的核子間距比較大，在超高溫和超高壓作用下，核子進一步靠近，到達核力作用范圍內，在核力作用下靠得更近，會釋放出能量。在設計過程中，我們只要把氘氚模型中的核子靠近后，能看到核子間距離明顯變小，并且靠近后相互碰撞發出響亮的聲響，那么就可以說明靠近過程會釋放能量，說明生成的新核比結合能變大，如圖6從左圖變化到右圖。

通過模擬實驗大致可以知道，裂變和聚變本質都是由于核力作用下核子間距變小，從而釋放能量。

（四）鏈式反應模擬實驗設計

核裂變的鏈式反應，教材上有一個簡圖來展示過程，或者通過動畫展示，經過研究，可以設計模擬實驗進行展示。鏈式反應模擬實驗最大的難點就是擊發延續下去，并且要釋放出中子，這兩個難點很難有好的辦法解決。根據鏈式反應特點，改進并設計出模擬實驗。如圖7所示，用老鼠夾來模擬原子核，用彈性球來模擬中子，把大量老鼠夾按順序擺放在一片小的空地上，并且在夾子上放上一到兩個彈性球，周圍用柵欄圍住，如圖7左圖;把一個彈性球（中子）從上空瞄準一個老鼠夾釋放，彈性球（中子）撞擊并擊發老鼠夾，老鼠夾機關打開彈出兩個（或一個）彈性球（中子），兩個（或一個）彈性球（中子）降落后又擊發其他老鼠夾，這樣反復擊發，形成可持續的擊發過程，如圖7右圖，即我們說的鏈式反應，可以形象而且準確描述出鏈式反應。

經過一系列的原子物理模擬實驗，課堂明顯更活躍，學生在觀看這些模擬實驗過程中能更好地體會和掌握黑體、核力飽和性、結合能這些抽象的概念，能觀看到裂變、聚變、鏈式反應模擬過程，除了感受到物理實驗的震撼和妙趣外，更容易理解和接受這些物理過程，能最大限度激發科學思維和科學探究精神。這一過程更加生動和形象，充分體現了高中物理課堂有實驗支持這一鮮明特點，彌補了高中原子物理課堂中實驗不足的缺陷。

【參考文獻】

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