高中物理建模教學分析

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摘要：物理教師在課堂教學過程中可以創設問題情境，讓學生有機會參與問題的討論，進行科學探究，從而增強學生對科學概念和規律的認識，促進學生科學思維能力的培養。文章以“原子的核式結構模型”教學為例，從感知材料建立模型、概括抽象檢驗模型、歸納對比完善模型、變式遷移應用模型四個方面創設情境，構建模型，激發思維，從而培養學生物理學科核心素養。

關鍵詞：建模；科學探究；科學思維

1教學流程設計

近幾年來隨著物理學科核心素養的提出，對我們的高中物理教學提出了更高的要求。但由于受長期以來傳統教學的影響，仍只注重傳授知識與方法，強化概念和規律的識記，缺乏理性思維與分析，對“科學思維”“科學探究”的教學過程不夠重視，教學時往往一帶而過，忽視了物理知識教育的內涵。根據新課程理念，為了培養學生的物理核心素養，教師要引導學生經歷科學探究過程，體會科學研究方法，養成科學思維習慣，增強創新意識和實踐能力［1］。為此，本文以“原子的核式結構模型”建模教學的設計為例，研究基于探究思維的高中物理建模教學。

2教學環節設計

2．1環節一：感知材料，建立模型

課題引人1：雞蛋結構的探究。教師展示外觀相同的兩只雞蛋（一只熟雞蛋和一只事先用針筒抽出蛋黃和蛋白的空雞蛋），如圖2所示。教師先切開熟雞蛋并展示其內部結構，很明顯蛋黃鑲嵌在其中，而且蛋黃占的空間較大。教師提出問題：如果不打開雞蛋，用什么辦法能知道雞蛋里面的結構呢？讓學生進行分組討論，按小組提出實驗方案：如搖晃、透視、稱量、旋轉等等。教師引導他們分析方案可行性，并讓學生動手嘗試。然后教師再次演示實驗：將空雞蛋放入盛水的玻璃器皿中，并引導學生認真觀察。居然浮起來了！什么情況？這個現象激發了學生的好奇心，教師借此引導學生提出新的假設和猜想：絕大多數學生認為這只雞蛋里面是空的。教師直接將雞蛋打開：確實是一只空的雞蛋！教師提出問題：對雞蛋的探究，給了我們什么啟示？教師引導學生一起歸納科學探究的一般過程：提出問題－收集證據—建構模型—解釋與論證＾交流與討論得出結論。課題引人2：回顧原子模型的科學探索歷程。（1）湯姆生原子模型的提出一百多年前，科學家們探索原子結構就是用這樣的科學思維方法。19世紀末時，人們還無法直接通過實驗探測原子內部的奧秘，湯姆生在開爾文提出的原子實心帶電球模型的基礎上，猜想并通過實驗發現了電子，提出了湯姆生原子模型。（2）湯姆生原子模型遇到的困難一種物理模型是否成立，須經得起實驗的檢驗！湯姆生原子模型提出后不久，德國實驗物理學家勒納德1903年通過實驗發現電子束能穿透金屬箔，他認為金屬中的原子并不是一個正電荷均勻分布的實心球體。看來，湯姆生原子模型在解釋這個實驗現象時真正遇到了困難！那么，19世紀末、20世紀初，科學家又是用什么方法來進一步研究原子內部信息的呢？（3）盧瑟福a粒子散射實驗的理論依據19世紀末，a射線（髙速a粒子流）、／9射線（髙速電子流）相繼被發現，而《射線作為髙速a粒子流由于其具有極高能量可以用于轟擊金屬，并通過其與金屬內的原子發生相互作用后粒子偏轉情況來獲得原子內部的信息。所謂“散射”：指的是偏離了原來的運動方向而分開。盧瑟福正是利用這個重要的方法——“碰撞”的實驗方法來研究原子內部的結構。盧瑟福同蓋革、馬斯登在卡文迪許實驗室（英國劍橋大學的物理實驗室）內做了用高速飛行的《粒子去轟擊金箔的實驗。盧瑟福《粒子散射實驗裝置示意如圖2所示。a射線：放射性物質（如鈾、鋪、釙等）釋放出的髙速a粒子流（帶2單位正電荷的氦原子核，質量與電子質量之比約為7300：1），其速度約為0．1C（其中c．為真空中光速，c＝3．0X108m／s）。

2．2環節二：概括抽象，檢驗模型

模型建立之后，要對模型進行分析、檢驗，并進—步改進完善模型。以物理課堂教學為例，通過物理模型的有效建構來提升學生的物理思維品質，可遵循以下教學結構模式：（1）介紹a粒子散射實驗裝置圖及工作原理。（2）動畫模擬演示實驗：＾粒子散射實驗。（3）提出問題，論證與交流。交流與討論1：裝置中的金箱厚約1pm，若把金原子一層一層疊起來，將達到3300多層，但在金箔正后方，我們通過顯微鏡觀察發現絕大多數a粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進。這說明了什么？極少數《粒子的偏轉甚至超過了90°，有的幾乎達到180°，其原因是什么？［2］交流與討論2：湯姆生所預言的原子模型能否使《粒子發生大角度的散射？教師通過引導學生對前兩個問題的討論得出：湯姆生所預言的原子模型無法解釋《粒子散射實驗的現象。交流與討論3：如圖4所示，盧瑟福估測實驗結果：在湯姆生模型中不可能發生大角度散射，偏轉角度大于3°的幾率遠小于1％，偏轉角度大于90°的幾率閣4約為＾。這又說明了什么？盧瑟福通過實驗觀察到什么現象呢？小結：盧瑟福和他的團隊通過不斷改迸實驗，對散射理論進行系統的實驗研究，并總結出所觀察到的現象。教師結合動畫展示（如圖5所示）的現象，并引導學生進行歸納得出結論。交流與討論4：a粒子出現大角度散射是否是與電子碰撞造成的？分析：a粒子相比電子具有相當大的質量和很大的動能（質量約為電子的7300倍，速度約為0？1倍光速）。以氫原子為例，電子繞核運動的速度約為2．IX106m／s，若a粒子和電子相向碰撞，則兩者動量之比為104286：1。由碰撞的規律可知，只可能是電子的速度發生大的改變。交流與討論5：為什么會出現少數a粒子發生大角度的散射？交流與討論6：為什么會出現極少數a粒子偏轉角超過了90°，有的甚至被反彈回來？教師引導學生分析交流與討論5、6兩個問題，并得出結論：只有當正電荷集中在很小的一個區域（形成原子核），并且a粒子非常接近它時，才有可能因庫侖＾＾斥力而發生大角度的偏轉。交流與討論7：由以上討論，你可以得出什么結論？教師引導學生得出結論：“絕大多數a粒子不偏轉”說明原子內部絕大部分是“空”的，“少數《粒子發生較大偏轉，極少數《粒子偏轉角超過了90°”，說明原子內部有“核”存在，“有的甚至被彈回”，說明作用力很大且質量大電量集中［3］。教師通過設計以上七個逐漸遞進的有關聯的問題的交流與討論，引導學生一步一步得出結論，從而否定湯姆生的原子模型。這樣一步一步的科學探究，對培養學生的邏輯推理能力和分析能力起到了非常重要的作用。

2．3環節三：歸納對比，完善模型

（1）盧瑟福的核式結構模型的建立（多媒體電腦模擬）盧瑟福和他的助手們經過大量的實驗發現了《粒子大角度散射的現象，并對該現象進行了統計和數學推算，發現根本無法用湯姆生的原子模型和散射理論去解釋。從而盧瑟福提出了原子的核式結構模型：在原子的中心有一個很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外空間繞著核旋轉M。教師引導學生嘗試用盧瑟福的原子核式結構模型去解釋《粒子散射實驗現象，同時通過動畫模擬和課件展示核式結構模型，給學生有一個更直觀的感性認識。（2）原子、原子核的直徑和質量比較（見表1）由表1可以看出，原子的直徑約是原子核的一萬到十萬倍之間，體積更是達到l〇w倍?？梢娫觾炔渴鞘帧翱諘纭钡模y怪《粒子擊中原子核的幾率是非常小的！舉例說明：我校田徑場（400m標準跑道）面積大約14619．9m2，如果看成圓形的，則圓形的直徑約為136．47m，設想把這個直徑看作原子的直徑，試估算原子核對應的直徑約為多少？（已知原子的直徑數量級為10—1。m，原子核的直徑數量級為1（T15m）引導學生近似計算，求得：d＝〇．0040941m？4mm。教師桌示足球、雞蛋、硬幣實物及圖6所示已知尺寸的物件，讓學生通過比對，感知原子核的大小。通過比對可知，原子核的尺寸，相當于大田徑場正中央放上一顆小螺釘（橫截面尺寸）。說明原子核是多么的小！

2．4環節四：變式遷移，應用模型

試討論：若《粒子與金原子核發生對心彈性碰撞時，《粒子以接近180°角返回。能否據此信息估算出原子核的直徑？（已知電荷之間電勢能￡P＝々＾）建立模型：假定原子核靜止不動，《粒子以一定的初動能接近原子核，達到離原子核的最小距離時，初動能完全轉變為原子核電場中的電勢能，然后在《粒子與原子核正電荷的排斥作用下以接近180°角返回。若a粒子初速度為＊＾0＝2X10m／s，a粒子的質量為叫＝6．64乂10一271＾，金的原子序數2＝79，試求a粒子接近核的最小距離為。結束語“原子的核式結構模型”這節課是高中原子物理的重要內容只有充分挖掘教材，才能更好地培養學生的建模能力和科學思維能力。讓學生在掌握相關知識的同時，通過創設情境，建立模型去研究物理問題，使物理中很多抽象的概念、規律以顯性的感性認識呈現出來，從而培養學生科學思維的正確性和深刻性。

參考文獻

［1］中華人民共和國教育部．普通高中物理課程標準（2017年版）［S］．北京：人民教育出版社，2018：1．

［2］劉岳衡．簡析一組與原子物理有關的信息題［J］．數理化學習（高中版），2006（08）：44—46．

［3］王耀輝．主體間性提升學生潛質的途徑［J］．物理通報，2015，（z2）：5—6．

［4］劉繼才．物理實驗在物理學發展中的地位和作用［J］．山東教育，1998（06）：35—36．

作者：江小安 羅鐘 單位：福建省泰寧第一中學福建 福建省三明第一中學