基于物理學(xué)史的“電子的發(fā)現(xiàn)”教學(xué)過程設(shè)計(jì)

魯 斌

(浙江省余姚中學(xué),浙江 寧波 315400)

“電子的發(fā)現(xiàn)”是人教版選修3-5原子結(jié)構(gòu)的第一節(jié)內(nèi)容．從這節(jié)課開始,將要深入原子內(nèi)部,研究原子結(jié)構(gòu)、產(chǎn)生光譜的特點(diǎn)、原子核的組成等．所以本節(jié)是學(xué)生“打開”原子的第一課．近代物理發(fā)展的歷史長(zhǎng)卷,波瀾壯闊．筆者認(rèn)為,本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo),應(yīng)著眼于電子發(fā)現(xiàn)的歷史過程,了解各個(gè)科學(xué)家所做的工作,體會(huì)科學(xué)研究的艱辛和喜悅．關(guān)于本節(jié)課,有如下教學(xué)過程設(shè)計(jì)．

1 氣體放電現(xiàn)象的引入

采用回顧物理學(xué)發(fā)展的角度進(jìn)行引入．

師:上這節(jié)課的時(shí)候,歷史的時(shí)間軸已經(jīng)推進(jìn)到了19世紀(jì)90年代,經(jīng)典物理學(xué)的大廈基本構(gòu)筑完成．艾薩克牛頓建立的古典力學(xué),支配著天體和一切宏觀物體的運(yùn)動(dòng);麥克斯韋建立的古典電磁理論,揭示了光和電磁現(xiàn)象的本質(zhì);玻爾茲曼為首的一大批科學(xué)家,建立經(jīng)典熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)理論,揭示了大量微觀粒子體系的規(guī)律及性質(zhì)．可以說,19世紀(jì)是經(jīng)典物理學(xué)的崢嶸歲月,但還是有一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象讓科學(xué)家們憂心忡忡．其中一個(gè)實(shí)驗(yàn),便是關(guān)于氣體放電．

實(shí)驗(yàn)演示1:在氣體兩側(cè)加上高電壓,氣體擊穿導(dǎo)電,即可看到氣體放電現(xiàn)象．將高壓感應(yīng)圈直接在空氣中接通,空氣就開始放電,即為火花放電(圖1)．

圖1 火花放電

如果我們將高壓接入一段封閉的氣體,也可以看到放電現(xiàn)象．

實(shí)驗(yàn)演示2:如果我們將氣體的濃度逐漸降低,當(dāng)氣體稀薄到一定程度時(shí),管內(nèi)的放電現(xiàn)象消失,在玻璃管的底部出現(xiàn)淡淡的熒光(圖2)．

1858年,普呂克爾就發(fā)現(xiàn)了這個(gè)現(xiàn)象．1875 克魯克斯造出了真空度較高的克魯克斯管(圖3),玻璃管底部也出現(xiàn)了淡淡的熒光．

實(shí)驗(yàn)演示3:此時(shí)將障礙物豎立,還能在底部觀察到物體的陰影(圖4)．

戈德斯坦認(rèn)為,管壁上的熒光是由于玻璃受到陰極發(fā)出的某種射線的撞擊而引起的,并把這種射線命名為“陰極射線”．

圖3 克魯克斯管圖4 底部陰影

2 陰極射線本質(zhì)的爭(zhēng)論

教師提問學(xué)生關(guān)于陰極射線本質(zhì)的問題．有的學(xué)生認(rèn)為是一種粒子,有的則認(rèn)為是一種光,兩派爭(zhēng)論不下．教師順勢(shì)介紹歷史上關(guān)于陰極射線本質(zhì)的爭(zhēng)論．

以德國(guó)科學(xué)家赫茲為首的“電磁輻射”說和與以法國(guó)科學(xué)家佩蘭為首的“帶電離子說”,進(jìn)行了長(zhǎng)期的爭(zhēng)論．他們的爭(zhēng)論主要集中在4個(gè)方面．

(1) 在“場(chǎng)”中偏轉(zhuǎn).

赫茲:它在電場(chǎng)中不偏轉(zhuǎn),因此不帶電.

佩蘭:它在磁場(chǎng)中能偏轉(zhuǎn),而且?guī)ж?fù)電.

實(shí)驗(yàn)演示4:演示帶電粒子在磁場(chǎng)中進(jìn)行偏轉(zhuǎn)．不加磁場(chǎng)時(shí),射線直線傳播(圖5),加上磁場(chǎng)即偏轉(zhuǎn)(圖6)．

(注: 此實(shí)驗(yàn)有力地說明陰極射線帶電．赫茲所做的在電場(chǎng)中的實(shí)驗(yàn),由于當(dāng)時(shí)的真空技術(shù)不夠,導(dǎo)致射線的偏轉(zhuǎn)很難實(shí)現(xiàn),并且不易觀察．)

圖5 不加磁場(chǎng)圖6 加上磁場(chǎng)

(2) 產(chǎn)生“機(jī)械效應(yīng)”.

佩蘭:它能產(chǎn)生較強(qiáng)的機(jī)械效應(yīng).

實(shí)驗(yàn)演示5:陰極射線管中放入圖7所示的軸對(duì)稱擋片,當(dāng)有粒子沖擊時(shí),便會(huì)受力,從而繞著中心軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)(圖8)．

圖7 陰極射線管和擋片

圖8 擋片在射線沖擊下轉(zhuǎn)動(dòng)

在圖9所示的陰極射線管中,將旋轉(zhuǎn)擋片放在平行支架上,在射線轟擊下,便可移動(dòng)位置．

圖9 陰極射線管機(jī)械效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

赫茲:電磁波也具有機(jī)械效應(yīng).

實(shí)驗(yàn)演示6:克魯克斯輻射計(jì)實(shí)驗(yàn)．克魯克斯輻射計(jì),是一個(gè)內(nèi)有轉(zhuǎn)子,帶有顏色深淺不同的葉片處在在半真空中的模型(圖10),在受到焦照時(shí)葉片會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)(圖11)．

(注: 克魯克斯熱輻射計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng),是由于轉(zhuǎn)子的每個(gè)扇面顏色不一致,對(duì)熱量的吸收不同．較深的地方吸熱較多,溫度較高,粒子運(yùn)動(dòng)較快,對(duì)扇面的反沖較大．較淺的地方吸熱較少,溫度較低,粒子運(yùn)動(dòng)較慢,對(duì)扇面的反沖較?。畯亩a(chǎn)生壓強(qiáng)差,進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)．所以它的轉(zhuǎn)動(dòng)本質(zhì)上并不是光子的“機(jī)械效應(yīng)”．)

圖10 克魯克斯輻射計(jì)圖11 在光照下轉(zhuǎn)動(dòng)

(3) 作用力的持續(xù)性.

赫茲:作用是連續(xù)的,不是脈動(dòng)的.

赫茲陰極射線轟擊靶極板,測(cè)得的作用力是持續(xù)的,說明這種射線應(yīng)該是連續(xù)的．

佩蘭:高速的粒子流會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的沖量.

圖12 持續(xù)的沖量

用具有一定速度的粒子流持續(xù)沖擊臺(tái)秤平面,臺(tái)秤的數(shù)值保持不變(圖12),也會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的壓強(qiáng)．在自然界中這樣的例子很多,譬如氣體壓強(qiáng)的產(chǎn)生,風(fēng)持續(xù)的作用等等．

(4) 線度大小的討論.

赫茲:它輕易能穿透薄鋁片.

佩蘭:原子排布、原子結(jié)構(gòu)還不清楚.

[注:當(dāng)時(shí)并不知道原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)如何,赫茲認(rèn)為能夠輕易穿過鋁片,說明射線的線度很小,應(yīng)該是一種光．其實(shí),在盧瑟福進(jìn)行α粒子散射實(shí)驗(yàn)(圖13)時(shí)也同樣發(fā)現(xiàn)了這個(gè)問題,這恰恰說明原子內(nèi)部是非?！翱諘纭钡?圖14)]．

圖13 α粒子散射實(shí)驗(yàn)圖14 原子內(nèi)部“空曠”

3 湯姆孫的工作

(1) 重做赫茲的電場(chǎng)實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)演示7:將陰極射線管的偏轉(zhuǎn)極板與高壓直流穩(wěn)壓源相連,觀察到了在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)．

不加電場(chǎng)時(shí),如圖5所示,加上電場(chǎng)時(shí),觀察到如圖15、圖16．

(注:由于穩(wěn)壓源中還有很多交流的雜波成分,導(dǎo)致陰極射線向上偏轉(zhuǎn)和向下偏轉(zhuǎn),從而照亮了整個(gè)屏幕．)

圖15 帶電粒子在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)1

將射線的強(qiáng)度降低,將穩(wěn)壓源的電壓降低,就可以看到明顯的粒子束偏轉(zhuǎn)．

圖16 帶電粒子在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)2

(2) 測(cè)量帶電粒子的比荷q/m.

他利用氣體放電管做了如下實(shí)驗(yàn)，如圖17所示．

① 當(dāng)金屬板D1、D2之間未加電場(chǎng)時(shí),射線不偏轉(zhuǎn),射在屏上P1點(diǎn)．施加電場(chǎng)E之后,射線發(fā)生偏轉(zhuǎn)并射到屏上P2處．由此可以推斷陰極射線帶負(fù)電．

② 如果要抵消陰極射線的偏轉(zhuǎn),使它從P2點(diǎn)回到P1,需要在兩塊金屬板之間的區(qū)域再施加一個(gè)大 小、方向合適的磁場(chǎng)．

如果每個(gè)陰極射線微粒質(zhì)量為m,帶電量為q,速度為v．根據(jù)受到的洛倫茲力和電場(chǎng)力平衡,即可求出陰極射線的速度v的表達(dá)式．

③ 如果去掉D1、D2間的電場(chǎng)E,只保留磁場(chǎng)B,磁場(chǎng)方向與射線運(yùn)動(dòng)方向垂直．陰極射線在有磁場(chǎng)的區(qū)域?qū)?huì)形成一個(gè)半徑為r的圓?。ㄟ^偏轉(zhuǎn)點(diǎn)即可測(cè)出圓弧半徑．

④ 根據(jù)半徑和比荷的關(guān)系,代入求得的速度v,即可得到核質(zhì)比．

圖17 湯姆孫氣體放電管

結(jié)論:是氫離子的近2000倍．我們有如下猜想:

(A)m一樣,q是氫離子的2000倍(這樣的帶電離子尚未發(fā)現(xiàn)).

(B)q一樣,m是氫離子的近1/2000(這樣的帶電微粒尚未定義).

(C) 兼而有之.

(3) 測(cè)量不同材料陰極射線的q/m.

湯姆孫用不同的材料做陰極,測(cè)量不同材料發(fā)出的陰極射線的核質(zhì)比,發(fā)現(xiàn)所有射線具有相同比荷．

(4) 定義新的粒子——電子.

它可以從原子中發(fā)出,是一種新的粒子,而且說明至少比原子?。_定它的屬性,就要得到它的電量．

(5) 測(cè)量電子的電量.

經(jīng)湯姆孫大量實(shí)驗(yàn)測(cè)定,特別是對(duì)于光電效應(yīng)中光電子帶電量的測(cè)量,盡管限于當(dāng)時(shí)條件與技術(shù),很不精確,但足以證明,這種帶電微粒的電荷量與氫離子相當(dāng),可見其質(zhì)量遠(yuǎn)小于氫離子．從而確定了電子的質(zhì)量,確定其為一種新的粒子．

4 結(jié)語

從普呂克爾首次觀察到陰極射線到湯姆孫確認(rèn)電子的存在,其間經(jīng)歷了40年．科學(xué)家前赴后繼的深入研究,拓展了人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí),也讓我們對(duì)科學(xué)研究和自然界產(chǎn)生了深深的敬畏．電子是人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)(基本)粒子．對(duì)粒子進(jìn)行探索和研究的帷幕從此拉開．J.J.湯姆孫被譽(yù)為 “一位最先打開通向基本粒子物理學(xué)大門的偉人”．于1906年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．

在課堂教學(xué)過程中,適當(dāng)滲透物理學(xué)史教學(xué),有利于學(xué)生培養(yǎng)科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度和科學(xué)人格．