原子物理中盧瑟福模型教學(xué)方法的思考

施申蕾

（中國(guó)計(jì)量學(xué)院 理學(xué)院物理系，浙江 杭州 310018）

【教師觀點(diǎn)】

原子物理中盧瑟福模型教學(xué)方法的思考

施申蕾

（中國(guó)計(jì)量學(xué)院 理學(xué)院物理系，浙江 杭州 310018）

原子物理學(xué)是大學(xué)物理專業(yè)的一門(mén)重要專業(yè)必修課。其課程的特點(diǎn)是從微觀結(jié)構(gòu)的考慮入手揭示與之相關(guān)的宏觀現(xiàn)象與規(guī)律的本質(zhì)。一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析，應(yīng)用若干量子力學(xué)的結(jié)論，揭示原子結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相互作用。本文分析了原子物理學(xué)的教學(xué)現(xiàn)狀，重點(diǎn)對(duì)第一章盧瑟福模型的教學(xué)方法，進(jìn)行了思考和探索。并針對(duì)我校的實(shí)際情況，給出了一些教學(xué)建議。

盧瑟福散射；庫(kù)侖散射；原子物理；散射截面

[1]馮景華.談?wù)勗游锢斫虒W(xué)中思維能力的培養(yǎng)[J].遵義師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，（3）：65-67.

[2]董麗榮，鄭曉光.原子物理學(xué)課程改革的探究[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，（4）：77-78.

[3]胡昆明，鄭世旺，王寶玉，谷勤忠.在原子物理教學(xué)中把握課程主線的若干探索[J].教學(xué)研究，2003，（4）：367-369.

[4]彭雙艷，原子物理中的方法論[J].畢節(jié)師范高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)（綜合版），2002，（2）：65-67.

[5]楊福家.原子物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2000.

[6]褚圣麟.原子物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1979.

[7]靳奉濤，周兆妍.原子物理教學(xué)中的人文教育和科學(xué)觀培養(yǎng)[J].高等教育研究學(xué)報(bào)，2011，（4）：102-104.

G642.41

A

1674-9324（2014）28-0113-02

原子物理課程為大學(xué)物理專業(yè)學(xué)生必修的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課程。本課程通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析，應(yīng)用若干量子力學(xué)的結(jié)論，揭示原子結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相互作用的特點(diǎn)，與物理學(xué)的全部領(lǐng)域和其他學(xué)科有著密切的關(guān)系。教學(xué)的關(guān)鍵是傳授知識(shí)的過(guò)程中盡最大可能讓學(xué)生掌握接受知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，能夠最大程度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。如何能深入淺出地傳授較為枯燥的理論知識(shí)點(diǎn)，也成為對(duì)教師的一種挑戰(zhàn)。在教學(xué)的過(guò)程中，教學(xué)方法的選擇具有顯著的效果。在原子物理這個(gè)課程上，人們也做了大量的教學(xué)改革思考。[1-4]現(xiàn)在在各個(gè)大學(xué)中廣為采用的原子物理教材，如楊福家，褚圣麟版的原子物理教材[5，6]，均采用在第一章介紹原子的位形。該章節(jié)作為整個(gè)課程的第一部分。在原子物理教學(xué)中，具有重要的地位。這一章教學(xué)效果的好壞，嚴(yán)重影響后續(xù)知識(shí)的展開(kāi)。那么這一章的教學(xué)的難點(diǎn)在哪里呢？筆者發(fā)現(xiàn)主要還是集中在對(duì)盧瑟福散射公式的推導(dǎo)，即盧瑟福散射截面的理解及應(yīng)用。在歷年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，該知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)問(wèn)題主要在于：部分學(xué)生在該章的學(xué)習(xí)中普遍遇到的問(wèn)題是，上課聽(tīng)講解，對(duì)定性的知識(shí)點(diǎn)理解還比較順利。但一旦要進(jìn)行定量計(jì)算，面對(duì)具體問(wèn)題，就遇到了困難。那么從教學(xué)方法上如何改善這一現(xiàn)狀呢？

原子物理課程的特點(diǎn)是從微觀結(jié)構(gòu)的考慮入手揭示與之相關(guān)的宏觀現(xiàn)象與規(guī)律的本質(zhì)。而微觀體系遵從它特有的規(guī)律，不能直接觀測(cè)，所以不像宏觀物體的運(yùn)動(dòng)一樣，具有直觀性。因此微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，必須借助實(shí)驗(yàn)手段。密立根在1923年在Nobel領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)上講到：科學(xué)靠?jī)蓷l腿走路，一是理論，一是實(shí)驗(yàn)。有時(shí)一條腿走在前面，有時(shí)另一條腿走在前面。但只有使用兩條腿，才能前進(jìn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中尋找新的關(guān)系，上升為理論，然后再在實(shí)踐中加以檢驗(yàn)。物理學(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)性科學(xué)，原子物理學(xué)更是如此。一切理論的建立都必須以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，并遵從“實(shí)驗(yàn)—理論—實(shí)驗(yàn)”的發(fā)展原則。因此在原子物理的教學(xué)上，一直以來(lái)側(cè)重于通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析，揭示其微觀結(jié)構(gòu)，及本質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。[7]第一章的教學(xué)內(nèi)容也是如此。通過(guò)介紹盧瑟福α粒子大角度散射實(shí)驗(yàn)與當(dāng)時(shí)普遍認(rèn)同的湯姆遜“葡萄干面包”的原子模型有沖突，引出新的盧瑟福核式模型，并應(yīng)用盧瑟福散射公式再次通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其核式模型的正確性。從課程講解的邏輯線索來(lái)說(shuō)，應(yīng)該是非常明確的“實(shí)驗(yàn)—理論—實(shí)驗(yàn)”過(guò)程。即對(duì)α粒子大角度散射實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行描述后，定性否定原來(lái)的“湯姆遜”模型，并逐步推導(dǎo)盧瑟福散射公式，應(yīng)用盧瑟福散射截面和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，以驗(yàn)證核式模型的正確性。但是在我校實(shí)際講課的效果來(lái)看，這樣的授課方式下，學(xué)生對(duì)核式模型的定性的認(rèn)識(shí)，是容易接受的。但事實(shí)上對(duì)盧瑟福散射公式的推導(dǎo)過(guò)程，尤其是最后盧瑟福散射截面的物理意義的理解是缺乏深度的。以至于一旦面對(duì)具體的問(wèn)題，部分學(xué)生完全不知從何處下手。而這一章的教學(xué)難點(diǎn)也在于此處。對(duì)這個(gè)問(wèn)題一定要具體問(wèn)題具體分析。以往的教學(xué)的方法，一般采取在知識(shí)點(diǎn)講授完成后，學(xué)生完成習(xí)題。根據(jù)習(xí)題完成情況，在習(xí)題的講解過(guò)程中，做知識(shí)點(diǎn)的再次展開(kāi)，以期達(dá)到知識(shí)點(diǎn)的鞏固與理解。對(duì)部分理解力較強(qiáng)，并且主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性較高的同學(xué)而言，這樣的教學(xué)方法可以達(dá)到較好的效果。而事實(shí)是，由于部分相對(duì)學(xué)習(xí)較為被動(dòng)的學(xué)生，課堂教學(xué)內(nèi)容理解還有困難。面對(duì)習(xí)題根本無(wú)從下手，產(chǎn)生畏難情緒，容易出現(xiàn)抄襲現(xiàn)象。作業(yè)不能反映其實(shí)際學(xué)習(xí)效果。而后的課堂習(xí)題講解，對(duì)這部分同學(xué)而言，效果也形同虛設(shè)。如何能夠降低學(xué)習(xí)理解的難度，提高這部分學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，成為課堂教學(xué)中一個(gè)不可回避的問(wèn)題。另外，由于課時(shí)有限，也很難在課后進(jìn)行大量的習(xí)題講解。針對(duì)這一現(xiàn)狀，可以采取的方法可以是。在盧瑟福散射公式的教學(xué)中，放棄或掠去整個(gè)推導(dǎo)過(guò)程，直接給出定性結(jié)論。以避免在較為繁復(fù)的推導(dǎo)過(guò)程，使得學(xué)生分散了學(xué)習(xí)注意力。其優(yōu)點(diǎn)是學(xué)習(xí)過(guò)程中，思路清晰、結(jié)論突出，易于接受。但缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn)。知識(shí)點(diǎn)的理解是不深入的。物理從古至今，講究格物致知。知其然，且要知其所以然。對(duì)物理專業(yè)的學(xué)生，省略推導(dǎo)，而直接給出結(jié)論的方式，顯然是不夠的。既然盧瑟福散射公式的推導(dǎo)是不可避免的。如何才能讓學(xué)生容易理解，是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

結(jié)合課堂教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為以下方法還是切實(shí)可行的。第一步，理清思路，貫徹“實(shí)驗(yàn)—理論—實(shí)驗(yàn)”的基本邏輯線索。在介紹瞄準(zhǔn)距離，庫(kù)侖散射公式，盧瑟福散射公式等難點(diǎn)內(nèi)容前，首先定性給出為什么要學(xué)習(xí)介紹這些內(nèi)容。如庫(kù)侖散射公式是描述核式散射的基本公式，但瞄準(zhǔn)距離，實(shí)驗(yàn)上不可測(cè)。而盧瑟福散射公式則是基于庫(kù)侖散射的基礎(chǔ)上，推出了可以實(shí)驗(yàn)測(cè)量的散射截面這個(gè)物理量。而且盧瑟福散射截面其物理意義為散射粒子在不同散射角的散射幾率。在此基礎(chǔ)上給出庫(kù)侖散射公式，盧瑟福散射公式的詳細(xì)推導(dǎo)。這一步，在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，起到一個(gè)明確學(xué)習(xí)目的，理清學(xué)習(xí)思路的作用。第二步，在公式推導(dǎo)后，布置作業(yè)前，先直接挑選典型課后習(xí)題，即具體物理題型，進(jìn)行解題思路的提示。既深化知識(shí)點(diǎn)的理解，又能夠幫助學(xué)生降低解題的難度，減少學(xué)習(xí)中的畏難情緒。促使學(xué)生可以自主地思考完成習(xí)題。從而在之后課后習(xí)題的講解階段，又可以大大縮短時(shí)間，提高效率，做到事半功倍。相對(duì)來(lái)說(shuō)，學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)的學(xué)生，可以對(duì)知識(shí)點(diǎn)掌握較為深入；而部分學(xué)習(xí)較為被動(dòng)的學(xué)生，也可以較容易接受和掌握基本知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用，從而能夠兼顧不同程度的學(xué)生。