以“史”为线 “方法”为纲落实物理学科核心素养——以原子和原子核复习课为例

李 娟 冯 爽

(1.北京市通州区潞河中学,北京 101149;2.北京教育学院,北京 100120)

原子和原子核部分是近代物理的重要内容,它为人们认识微观世界打开了一扇窗,也是将来学生学习量子力学的基础.此部分物理学史内容比较多,有很多科学家,每个科学家的贡献不同,知识点比较多,也比较散.复习课教学不是将学过的知识简单重复,而是要引导学生从新的视角去审视学过的知识[1].通过复习把零散的概念系统化、结构化,使概念和思维之间建立有效的联系,了解人类对物质结构的探索历程.面对众多内容就需要用“少而精”的大概念整合本部分内容的分散概念和思维方式[2].

1 基于证据,形成科学观念

问题:原子是组成物质的最小单元吗?有哪些实验证据?原子核是组成物质的最小单元吗?有哪些实验证据?质子和中子呢?

这三个问题给你哪些启示?它们的共同的本质属性是什么?

学生分析:阴极射线和光电效应等现象让科学家认识到原子可能不是组成物质的最小单元,贝克勒尔天然放射现象的发现证明原子核可再分,后来的科学研究表明质子和中子也都是有结构的.这三个问题的共性就是物质可以不断进行分割.

追问:物质不断进行分割,是否可以看成物质都是由很小的微粒构成?宇宙中所有的物质都是这样吗?

学生分组讨论交流.

师生共同总结:宇宙中所有的物质都是由很小的微粒构成.

设计意图:四个问题层层递进,让学生回忆原子和原子核不是组成物质最小单元的证据,回忆不是目的,而是基于这些实验事实,让学生基于回忆知识的共同属性,通过抽象、概括的科学思维,形成宇宙中所有的物质都是有很小的微粒构成的科学大观念,达成深度学习.

2 回顾研究方法,建立大思路

问题:阴极射线、天然放射线是什么物质?该如何研究?

学生分析:阴极射线是电子,天然放射线其实是原子核衰变产生的,可能是α射线(He原子核)、β射线(电子)、γ射线(光).根据前面学习的知识,带电粒子在电场、磁场中会发生偏转,中性粒子不偏转.粒子的电性、种类、初速度、场的方向和强弱决定了轨迹的唯一性.因此如果知道场的方向、强弱,轨迹等就可以算出粒子的比荷,从而确定粒子的种类.

追问:带电粒子垂直进入电场或磁场时在电场力或洛伦兹力的作用下会发生偏转.因此将带电粒子引入电场或磁场是确定带电粒子种类的一般思路.

3 碰撞是研究微观结构的常用方法

问题:α粒子散射实验、核反应(人工转变、核裂变、核聚变)有哪些共同本质属性?

学生分析:碰撞.

图1 α粒子散射实验装置示示意图意图

图2 α粒子轰击N原子核示意图

设计意图:通过对实验事实的抽象、概括,从方法论上认识到:碰撞是科学家研究微观世界物质结构的一种科学方法.在碰撞过程中满足动量守恒.发展运动与相互作用观和科学思维素养.

4 回顾建模过程,落实核心素养

4.1 枣糕模型的构建与局限性

问题:原子是电中性的,正电荷和负电荷在原子中是如何分布的?

学生分析:原子内部具体是什么样不清楚.但是我们可以用模型描述.汤姆孙提出了“枣糕模型”.

追问:“枣糕模型”正确么?说一说你的想法.

学生分析:不完全正确吧.这得从著名的α粒子散射实验说起.

从动量角度:α粒子和电子的碰撞过程满足动量守恒,两者的动量变化量大小相等,由于α粒子的质量远大于电子的质量,因此α粒子的速度几乎不变.也就是电子不可能使α粒子发生大角度散射.

从模型结构角度,由于“正电荷均匀分布”,α粒子穿过原子时受到各方向正电荷的斥力大部分被抵消,使α粒子偏转的力不会很大.

学生质疑:如果α粒子从原子的边缘入射,会不会使α粒子发生大角度散射,因为此时α粒子收到的排斥力最大.

教师:在物理学史上,科学家也有这样的思考.经过计算发现这种情况下的偏转只有0.03度.

设计意图:这两个问题不是单纯地让学生去记忆知识,更多的是让学生学会基于证据进行质疑.根据事实建立模型,模型正确与否需要看理论预言和新实验事实是否符合,如果不符合需要对其进行修正.通过追问发展学生的质疑、创新精神[3].

4.2 卢瑟福核式结构模型的构建与局限性

问题:分析α粒子散射实验结果,你能想象一个原子结构的模型么?说一说.

学生分析:基于α粒子散射实验结果,从运动和相互作用的角度,绝大多数不偏转,说明这些α粒子穿过时几乎不受力,可以认为原子内部很空.少数α粒子的大角度偏转和极少数α粒子的反弹说明在有些地方α粒子受到了很大的力,从动量角度分析,被碰物体的质量、电量要比α粒子大的多.这就是著名的卢瑟福核式结构模型.

追问:核式结构模型对枣糕有哪些继承核创新?

学生分析:继承的是球体模型.创新的是:原子核(体积小,带正电)集中全部正电和绝大部分质量,电子在核外绕核做匀速圆周运动.

设计意图:让学生重新体验科学家的思考过程,发展模型建构,科学推理,科学论证,质疑创新素养.

4.3 玻尔模型及其局限性

问题:为了解决卢瑟福核式结构模型遇到的困难,原子模型需要做哪些改进?

学生分析:玻尔模型有三个假设:①轨道假设:轨道量子化——电子的可能轨道不连续;②能级假设:定态——不连续的稳定状态.虽加速但不辐射能量.这是针对原子的稳定性提出;③跃迁假设:从一个定态跃迁到另一个定态,它辐射或吸收一定频率的光子.光子的能量由这两个定态的能量差决定.这是针对原子光谱是线状谱提出.

教师:玻尔也是站在巨人的肩上,他受当时巴尔末公式、量子论、光子概念的启发提出了自己的原子模型.因此科学研究不总是一帆风顺的,研究过程是曲折的[4].

设计意图:从原子结构的枣糕模型到玻尔模型学生逐步认识模型对研究问题的重要性,体会基于实验事实如何对原有模型进行质疑、创新.通过语言文字、表达式等多种方式进一步理解玻尔模型,也进一步体会玻尔模型的成功之处:可以解释氢光谱的其他线系,并且还预言了新的谱线系,新的谱线系后来也被人们发现.

教师总结:玻尔的成功之处在于能完美解释氢原子光谱,后来科学家发现玻尔模型不能解释有两个以上电子的原子的复杂光谱.玻尔模型的创新之处在于引入了量子化条件,造成问题的原因是保留了过多的经典理论,如轨道的概念,用经典理论计算轨道和能量.这也就预示要冲破经典理论的束缚,新的理论呼之欲出.后来科学家经过探索,建立了完整描述微观规律的量子力学.

讨论交流:谈谈你对模型的认识.

学生分析:模型对认识物体提供了一个直观表象.在分析问题、解释已有现象和预言新现象中起到很大作用.当模型与新的实验事实不符时,需要对其修正或放弃.

本节课以物理学史为主线[5],通过层层递进的开放性问题,引导学生像科学家一样思考,降低学习难度,增加趣味性.让学生在思考中掌握本部分的知识逻辑和思维结构,全面落实物理学科核心素养.