以“史”為線 “方法”為綱落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)
——以原子和原子核復(fù)習(xí)課為例

李 娟 馮 爽

(1.北京市通州區(qū)潞河中學(xué),北京 101149;2.北京教育學(xué)院,北京 100120)

原子和原子核部分是近代物理的重要內(nèi)容,它為人們認(rèn)識(shí)微觀世界打開了一扇窗,也是將來學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的基礎(chǔ).此部分物理學(xué)史內(nèi)容比較多,有很多科學(xué)家,每個(gè)科學(xué)家的貢獻(xiàn)不同,知識(shí)點(diǎn)比較多,也比較散.復(fù)習(xí)課教學(xué)不是將學(xué)過的知識(shí)簡(jiǎn)單重復(fù),而是要引導(dǎo)學(xué)生從新的視角去審視學(xué)過的知識(shí)[1].通過復(fù)習(xí)把零散的概念系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化,使概念和思維之間建立有效的聯(lián)系,了解人類對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索歷程.面對(duì)眾多內(nèi)容就需要用“少而精”的大概念整合本部分內(nèi)容的分散概念和思維方式[2].

1 基于證據(jù),形成科學(xué)觀念

問題:原子是組成物質(zhì)的最小單元嗎?有哪些實(shí)驗(yàn)證據(jù)?原子核是組成物質(zhì)的最小單元嗎?有哪些實(shí)驗(yàn)證據(jù)?質(zhì)子和中子呢?

這三個(gè)問題給你哪些啟示?它們的共同的本質(zhì)屬性是什么?

學(xué)生分析:陰極射線和光電效應(yīng)等現(xiàn)象讓科學(xué)家認(rèn)識(shí)到原子可能不是組成物質(zhì)的最小單元,貝克勒爾天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)證明原子核可再分,后來的科學(xué)研究表明質(zhì)子和中子也都是有結(jié)構(gòu)的.這三個(gè)問題的共性就是物質(zhì)可以不斷進(jìn)行分割.

追問:物質(zhì)不斷進(jìn)行分割,是否可以看成物質(zhì)都是由很小的微粒構(gòu)成?宇宙中所有的物質(zhì)都是這樣嗎?

學(xué)生分組討論交流.

師生共同總結(jié):宇宙中所有的物質(zhì)都是由很小的微粒構(gòu)成.

設(shè)計(jì)意圖:四個(gè)問題層層遞進(jìn),讓學(xué)生回憶原子和原子核不是組成物質(zhì)最小單元的證據(jù),回憶不是目的,而是基于這些實(shí)驗(yàn)事實(shí),讓學(xué)生基于回憶知識(shí)的共同屬性,通過抽象、概括的科學(xué)思維,形成宇宙中所有的物質(zhì)都是有很小的微粒構(gòu)成的科學(xué)大觀念,達(dá)成深度學(xué)習(xí).

2 回顧研究方法,建立大思路

問題:陰極射線、天然放射線是什么物質(zhì)?該如何研究?

學(xué)生分析:陰極射線是電子,天然放射線其實(shí)是原子核衰變產(chǎn)生的,可能是α射線(He原子核)、β射線(電子)、γ射線(光).根據(jù)前面學(xué)習(xí)的知識(shí),帶電粒子在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn),中性粒子不偏轉(zhuǎn).粒子的電性、種類、初速度、場(chǎng)的方向和強(qiáng)弱決定了軌跡的唯一性.因此如果知道場(chǎng)的方向、強(qiáng)弱,軌跡等就可以算出粒子的比荷,從而確定粒子的種類.

追問:帶電粒子垂直進(jìn)入電場(chǎng)或磁場(chǎng)時(shí)在電場(chǎng)力或洛倫茲力的作用下會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn).因此將帶電粒子引入電場(chǎng)或磁場(chǎng)是確定帶電粒子種類的一般思路.

3 碰撞是研究微觀結(jié)構(gòu)的常用方法

問題:α粒子散射實(shí)驗(yàn)、核反應(yīng)(人工轉(zhuǎn)變、核裂變、核聚變)有哪些共同本質(zhì)屬性?

學(xué)生分析:碰撞.

圖1 α粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置示示意圖意圖

圖2 α粒子轟擊N原子核示意圖

設(shè)計(jì)意圖:通過對(duì)實(shí)驗(yàn)事實(shí)的抽象、概括,從方法論上認(rèn)識(shí)到:碰撞是科學(xué)家研究微觀世界物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一種科學(xué)方法.在碰撞過程中滿足動(dòng)量守恒.發(fā)展運(yùn)動(dòng)與相互作用觀和科學(xué)思維素養(yǎng).

4 回顧建模過程,落實(shí)核心素養(yǎng)

4.1 棗糕模型的構(gòu)建與局限性

問題:原子是電中性的,正電荷和負(fù)電荷在原子中是如何分布的?

學(xué)生分析:原子內(nèi)部具體是什么樣不清楚.但是我們可以用模型描述.湯姆孫提出了“棗糕模型”.

追問:“棗糕模型”正確么?說一說你的想法.

學(xué)生分析:不完全正確吧.這得從著名的α粒子散射實(shí)驗(yàn)說起.

從動(dòng)量角度:α粒子和電子的碰撞過程滿足動(dòng)量守恒,兩者的動(dòng)量變化量大小相等,由于α粒子的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子的質(zhì)量,因此α粒子的速度幾乎不變.也就是電子不可能使α粒子發(fā)生大角度散射.

從模型結(jié)構(gòu)角度,由于“正電荷均勻分布”,α粒子穿過原子時(shí)受到各方向正電荷的斥力大部分被抵消,使α粒子偏轉(zhuǎn)的力不會(huì)很大.

學(xué)生質(zhì)疑:如果α粒子從原子的邊緣入射,會(huì)不會(huì)使α粒子發(fā)生大角度散射,因?yàn)榇藭r(shí)α粒子收到的排斥力最大.

教師:在物理學(xué)史上,科學(xué)家也有這樣的思考.經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)這種情況下的偏轉(zhuǎn)只有0.03度.

設(shè)計(jì)意圖:這兩個(gè)問題不是單純地讓學(xué)生去記憶知識(shí),更多的是讓學(xué)生學(xué)會(huì)基于證據(jù)進(jìn)行質(zhì)疑.根據(jù)事實(shí)建立模型,模型正確與否需要看理論預(yù)言和新實(shí)驗(yàn)事實(shí)是否符合,如果不符合需要對(duì)其進(jìn)行修正.通過追問發(fā)展學(xué)生的質(zhì)疑、創(chuàng)新精神[3].

4.2 盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建與局限性

問題:分析α粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果,你能想象一個(gè)原子結(jié)構(gòu)的模型么?說一說.

學(xué)生分析:基于α粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果,從運(yùn)動(dòng)和相互作用的角度,絕大多數(shù)不偏轉(zhuǎn),說明這些α粒子穿過時(shí)幾乎不受力,可以認(rèn)為原子內(nèi)部很空.少數(shù)α粒子的大角度偏轉(zhuǎn)和極少數(shù)α粒子的反彈說明在有些地方α粒子受到了很大的力,從動(dòng)量角度分析,被碰物體的質(zhì)量、電量要比α粒子大的多.這就是著名的盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型.

追問:核式結(jié)構(gòu)模型對(duì)棗糕有哪些繼承核創(chuàng)新?

學(xué)生分析:繼承的是球體模型.創(chuàng)新的是:原子核(體積小,帶正電)集中全部正電和絕大部分質(zhì)量,電子在核外繞核做勻速圓周運(yùn)動(dòng).

設(shè)計(jì)意圖:讓學(xué)生重新體驗(yàn)科學(xué)家的思考過程,發(fā)展模型建構(gòu),科學(xué)推理,科學(xué)論證,質(zhì)疑創(chuàng)新素養(yǎng).

4.3 玻爾模型及其局限性

問題:為了解決盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型遇到的困難,原子模型需要做哪些改進(jìn)?

學(xué)生分析:玻爾模型有三個(gè)假設(shè):①軌道假設(shè):軌道量子化——電子的可能軌道不連續(xù);②能級(jí)假設(shè):定態(tài)——不連續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài).雖加速但不輻射能量.這是針對(duì)原子的穩(wěn)定性提出;③躍遷假設(shè):從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài),它輻射或吸收一定頻率的光子.光子的能量由這兩個(gè)定態(tài)的能量差決定.這是針對(duì)原子光譜是線狀譜提出.

教師:玻爾也是站在巨人的肩上,他受當(dāng)時(shí)巴爾末公式、量子論、光子概念的啟發(fā)提出了自己的原子模型.因此科學(xué)研究不總是一帆風(fēng)順的,研究過程是曲折的[4].

設(shè)計(jì)意圖:從原子結(jié)構(gòu)的棗糕模型到玻爾模型學(xué)生逐步認(rèn)識(shí)模型對(duì)研究問題的重要性,體會(huì)基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)如何對(duì)原有模型進(jìn)行質(zhì)疑、創(chuàng)新.通過語(yǔ)言文字、表達(dá)式等多種方式進(jìn)一步理解玻爾模型,也進(jìn)一步體會(huì)玻爾模型的成功之處:可以解釋氫光譜的其他線系,并且還預(yù)言了新的譜線系,新的譜線系后來也被人們發(fā)現(xiàn).

教師總結(jié):玻爾的成功之處在于能完美解釋氫原子光譜,后來科學(xué)家發(fā)現(xiàn)玻爾模型不能解釋有兩個(gè)以上電子的原子的復(fù)雜光譜.玻爾模型的創(chuàng)新之處在于引入了量子化條件,造成問題的原因是保留了過多的經(jīng)典理論,如軌道的概念,用經(jīng)典理論計(jì)算軌道和能量.這也就預(yù)示要沖破經(jīng)典理論的束縛,新的理論呼之欲出.后來科學(xué)家經(jīng)過探索,建立了完整描述微觀規(guī)律的量子力學(xué).

討論交流:談?wù)勀銓?duì)模型的認(rèn)識(shí).

學(xué)生分析:模型對(duì)認(rèn)識(shí)物體提供了一個(gè)直觀表象.在分析問題、解釋已有現(xiàn)象和預(yù)言新現(xiàn)象中起到很大作用.當(dāng)模型與新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)不符時(shí),需要對(duì)其修正或放棄.

本節(jié)課以物理學(xué)史為主線[5],通過層層遞進(jìn)的開放性問題,引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣思考,降低學(xué)習(xí)難度,增加趣味性.讓學(xué)生在思考中掌握本部分的知識(shí)邏輯和思維結(jié)構(gòu),全面落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng).