高中物理“原子结构与原子核”教学研究

专题讲座高中物理“原子结构与原子核”教学研究范鸿飞（首师大附中，中学一级教师）第一部分对该主题内容的深层次理解一、该主题内容的知识结构1.原子结构部分对于该部分内容而言，教材大致是以人们探索原子结构的历史进程为序，先后介绍了三个具有代表性的原子结构模型以及建立模型的实验与理论依据。在这里，新教材突出了理论与实践相互检验，物理模型不断修改完善，向着事物的本真不断逼近的科学探索的过程。2.原子核部分该部分内容主要围绕两个问题展开，一是探索原子核的组成，二是原子核反应以及反应过程中的能量转化。围绕这两个问题，教材介绍了天然放射现象的发现、原子核的天然衰变、放射性同位素、核能及利用、探测射线的方法以及粒子与宇宙等内容。二、在学科知识体系中的地位和关系原子物理学研究的是原子的结构和性质及其相关内容，是关于物质微观结构的一门科学。它是人类深入认识物质结构及宇宙起源与演化的开始。原子物理学是近现代物理学的重要组成部分，也是一门基础学科。它的发展使我们能够解释很多新问题，获得新知识，影响到物理学的全部领域。同时，它与化学、天文学、矿物冶金学、生物学等众多其他学科有着密切的联系。原子物理学的一些基本研究方法也同样可以适用在其他生产和科学研究领域中。本单元是高中物理学科中的最后部分。之前学生在对《波粒二象性》一章的学习中，已经初步认识了微观物质世界的物理法则，这为学生学习原子物理学部分做好了知识和规律上的准备。本主题分为两部分。首先从认识原子的组成及结构开始，建立原子结构的微观图景，然后再进一步认识原子核的组成及变化规律，介绍与核变化有关的知识等。该单元涉及的内容较为浅显，主要以识别和记忆为主。作为现代人，了解一些相关知识是必要的，也为学生未来的专业深造做好了铺垫。三、从三个维度深入认识和把握学科内容1.从知识维度（1）概念方面发现电子的过程及意义、原子的组成及原子的结构模型（“枣糕”模型、核式结构模型、量子化模型），理解各个模型建立过程的实验依据及其成功与局限。天然放射现象及意义、原子核的组成、放射性同位素、核子、核力、结合能、比结合能、质量亏损、放射性的应用与防护等。（2）规律方面氢原子光谱谱线（巴耳末公式）、波尔的原子理论假设（跃迁规律）、原子核衰变规律（质量数和电荷数守恒）、爱因斯坦质能方程、核裂变与核聚变反应及条件等。2.从过程与方法维度（1）了解在建立原子模型和认识原子核内部结构过程中的主要实验，体会依据对宏观实验现象观测，推断物质微观结构的方法。（2）了解原子模型的建立、修改和完善的过程，进一步体会建立物理模型的方法。渗透物理学学科思想，体会在物理学（科学）研究中理论与实践之间的关系。（3）了解电子的发现与测定过程及对射线的研究，体会利用电磁场分析测定微观粒子性质的方法。3.从情感态度与价值观维度（1）通过了解原子模型的建立过程，树立辩证的唯物主义世界观和科学观。任何科学或真理均有其历史局限性，都会受到各种相关因素与条件的制约。科学没有绝对，“绝对”不是科学。科学总是在不断地“肯定”、“否定”、“再肯定”中前行的，科学发展的动力即源于此，是螺旋式上升过程。科学是“发展中的科学”。（2）通过学习波尔的氢原子模型和氢原子光谱实验事实的对应关系，体会物理模型的每一次演化都意味着新模型具有了更广泛的适应性，更简洁的形式，同时也更加具有科学的美。（3）了解原子物理学发展史，使学生体会科学的每一次进步，都需要忘我的付出、创造性的思维以及突破前人旧有观念束缚的勇气，从而树立科学精神，提高综合素养。第二部分该主题内容的教学策略一、教学重点与难点1.教学重点：α粒子散射实验及卢瑟福的核式结构模型波尔的原子模型假设及跃迁规律。原子结构模型的提出与建立过程及通过观测实验现象进行科学推理的方法。原子核的组成、原子核衰变规律及射线的性质。通过核反应过程中的质量亏损，利用质能方程计算核能。2.教学难点：波尔的原子模型及跃迁规律。对结合能、比结合能物理意义的理解。二、教学指导意见1.将陌生抽象的事物形象化对学生而言，微观世界的图景是陌生的，相关知识是贫乏的。同时，中学一般难以具备相关实验的条件。这些都为本章教学增加了难度。为此，教师应尽可能地利用照片、图解、课件、动画等现代化多媒体手段将物理景象展现出来，将实验装置和过程复现出来，甚至将物理规律的内涵表达出来，让学生能够“亲眼所见”。2.简要了解相关的物理学史了解原子物理学的建立过程和历史背景，有利于学生对理论的形成过程有较为全面、连续的认识。介绍学史，不仅是为了使学生有一个全面的认识，更重要的是其中渗透着重要、鲜活的研究方法。不要将学史当作历史常识（或事件）来学习，应将学史看作是重要的学习内容（历史线索、理论线索、方法线索）。这就要求教师对这段时期的物理学史有概括性的了解。只有这样，教师在教学中才能做到深入浅出、融会贯通、引人入胜。建议教师在讲授前参阅一些有关方面的书籍。推荐书目：《物理学史》/郭奕玲，沈慧君编著，-2版，-北京：清华大学出版社，2005.83.适当丰富教师的知识储备高中教材中的这部分内容主要是介绍性的，这是与高中学生知识水平和能力要求相一致的，课程标准对本章知识的要求也较低。因此教材不可能面面俱到，将所有问题都阐述清楚全面。在教学中，学生往往会提出教材中未涉及的各种问题，这就需要教师尽可能地在一定程度上加以解释。因此，教师应事先估计学生的问题，通过查阅相关资料，做一定的准备。例如，学生的问题有：（1）阴极发出的电子打到屏上后去哪了？发射电子的物质会越来越少吗？（2）卢瑟福如何通过α粒子散射实验估算原子尺度？（3）α粒子散射实验为何一定要用金箔？（4）既然能量和轨道是量子化的，为何存在连续光谱？（5）氢原子基态能级能量为何是负值？4.关于教学主线以探索原子结构的历史进程作为该主题的教学主线，是一个较为理想的选择，它有利于学生对理论的形成过程有较为全面、连续的了解。三、具体教学策略与教学建议1.关于电子的发现的教学（1）介绍相关历史背景，引出问题1854年，德国玻璃工盖斯勒发明了以他的名字命名的真空管，为研究真空放电、发光现象提供了物质手段。1858年，德国物理学家普吕克尔在实验中观察到了玻璃壁上的荧光，成功地实现了人工放电。1869年，德国物理学家希托夫证明，放在阴极与玻璃壁之间的障碍物，可以在玻璃壁上投射阴影。1876年，德国物理学家戈德斯坦认为管壁上的荧光是由于玻璃受到阴极发出的某种射线撞击引起，并把这种射线叫做阴极射线。阴极射线是粒子流？还是电磁波？（2）介绍汤姆孙的研究教师可根据学生情况，在教材“思考与讨论”的指导下分析问题，也可由学生依据以前学过的电磁场知识，自行设计实验方案。教师的问题引导：采用何种方法可以方便地判断阴极射线是否带电？如果阴极射线是带电粒子流，如何能够测定粒子的速度或比荷？你在《磁场》一章中学习过质谱仪的原理和用途，能否设计一个可行的实验方案？阴极射线通过匀强电场，证实阴极射线带负电；阴极射线通过正交电磁场，测量阴极射线速度：，；阴极射线通过匀强磁场，测定带电粒子比荷（荷质比）：，。改变K极实验材，证实使用不同K极材料，测得所有比荷相同。说明它是构成物质的共有成分。测定带电粒子（电子）电量汤姆孙在证明阴极射线是粒子流并测定电子比荷后，又利用饱和蒸汽直接测量了电子的电荷量。当时得到的数据为3×10-10绝对*静电单位(esu)。尽管不准确，但证明了射线的电荷量与氢离子大致相同。汤姆孙是第一个测出电子电荷量的人。1910年密立根的油滴实验测得了电子电荷量的精确值。电子电荷量和质量的现代值为：，。（3）发现电子的意义教师应向学生指出：电子是原子的组成部分，是比原子更基本的粒子。原子是可以再分的，是有结构的。电子的发现及其性质的研究，打开了原子世界的大门，开创了物理学的新时代，为量子力学的创立奠定了理论基础，成为通向这一王国的序曲，同时也揭开了电的本质，打消了人们对电的神秘感。2.关于a粒子散射实验与卢瑟福的核式结构模型的教学（1）介绍汤姆孙的原子“枣糕”模型通过图示，明确这一模型的特点：正电荷弥漫性的均匀分布在整个球形原子内部，电子镶嵌其中。（2）介绍a粒子散射实验方法、装置及实验现象利用动画过程展示实验现象。突出实验结果的特点。引导学生思考：如果原子结构真如汤姆孙所言，是否会出现这样的现象？请运用电荷间相互作用的知识加以分析。在此基础上，教师可运用动画课件展示穿越过程。（相关动画见PPT文件）（3）引导学生思考新的原子模型怎样的原子结构能够出现这样的实验现象？这一问题较难，教师可进一步做如下指导：1微米厚的金箔大约有3300个原子层，但绝大多数a粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，这能说明什么？a粒子质量是电子质量的7000多倍，电子对a粒子没什么阻挡作用，那么少数a粒子为什么较大偏转？受什么力的作用？散射的a粒子有极少数偏转角度超过90°，有的甚至被弹回。这可能是什么原因？极少数说明什么？a粒子散射实验结果说明什么问题？在学生讨论和分析的基础上，教师可播放动画课件展示穿越过程。（4）建立核式结构模型原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动。带正电的部分体积很小，被称为原子核。这个模型被称为核式结构模型。指出卢瑟福由经典力学理论计算出的结果与通过粒子散射实验数据符合得很好。通过比喻、图示的方法，建立原子与原子核的尺度概念，形成原子的微观图景。3.关于光谱的教学（1）介绍光谱的概念、分类、观测方法及产生条件该部分属介绍性内容，教师不必过多深入和展开。有条件的学校可以适当补充：分光镜及简要原理、组织学生观察光谱（如纳光谱）等内容。也可结合教材，介绍原子光谱与吸收光谱的对应关系，为之后引入波尔的原子理论做好铺垫。（2）氢原子光谱的实验规律该部分属介绍性内容，主要目的是为波尔的原子理论提供实验依据和检验手段。学生学习的重点在于认识氢原子光谱的不连续性，巴尔末公式只需了解，不宜做更多要求。为加深学生的印象，提高学习兴趣，教师可组织学生利用简易分光镜观察原子的明线光谱。（3）经典理论的困难限于高中学生的知识和能力水平，该部分内容主要由教师讲解。应注意讲明以下几点内容：经典理论认为：a.电子绕核旋转®有加速度®辐射电磁波，能量减少®最终电子要落到核上®原子不稳定（实际上原子相当稳定）b.辐射电磁波的频率应等于电子绕核旋转的频率®电子旋转频率连续变化®原子光谱应是连续光谱（实际上原子光谱是不连续的明线光谱）以上事实表明：经典理论可能不适用微观，卢瑟福的核式结构有待完善。为学生便于理解以上内容，可辅助于动画情景。4.关于波尔的原子理论的教学（1）介绍历史背景与理论基础教材这部分内容较为粗略，学生容易认为波尔的理论是凭空想象的，因此教师可适当补充相关内容。如：介绍波尔的生平，波尔提出原子理论前的主要工作以及当时物理学界的新发现和争论的主要问题等。波尔的原子理论来源主要包括：卢瑟福的核式结构模型、普朗克的量子论、氢光谱的实验研究。玻尔：“当我第一眼看到巴耳末公式时，一切都在我眼前豁然开朗了。”（2）波尔原子理论的基本假设这部分内容较为抽象，是本主题的教学难点之一。学生对量子化概念，特别是跃迁条件接受起来比较困难。需要教师运用图示、举例、比喻、类比等多种方法加以引导和解释。a.轨道量子化与定态教师可通过对比卫星轨道半径取值的连续性和电子轨道半径取值的不连续性，甚至也可类比电学中滑动变阻器与电阻箱在改变电阻时的差异，使学生认识到宏观与微观世界的不同图景。明确电子处在不同的不连续的轨道时，对应不同的能量状态，这些能量状态也是不连续的。原子处于这些状态时是稳定的。b.频率条件与跃迁教师可利用动画演示：原子通过吸收或放出能量，在不同的能级间发生跃迁。帮助学生建立跃迁的概念。教师应结合能级图讲述跃迁规律。通过实例，指出什么情况跃迁是能够发生的，什么情况跃迁是不能发生的。可提出如下问题：在解释光电效应实验中，电子能够吸收光子的一部分能量吗？处于基态的氢原子，能否接受8.0eV、10.2eV、10.3eV、13.6eV、14eV的光子能量？跃迁与电离有何不同？氢原