基于核心素養(yǎng)的高中原子物理模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究

【摘要】在學(xué)習(xí)高中原子物理內(nèi)容過程中，受實(shí)驗(yàn)條件所限，教師很難把原子物理中的相關(guān)實(shí)驗(yàn)展示給學(xué)生，一般采用圖片或者動(dòng)畫的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，但不夠直觀，在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和物理觀念方面效果不理想。借助實(shí)驗(yàn)室的器材以及生活用品模擬出原子物理中的幾個(gè)重要物理過程對(duì)高中原子物理教學(xué)非常迫切和必要。

【關(guān)鍵詞】結(jié)合能;裂變;聚變;鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

作者簡(jiǎn)介：朱吳軍（1978.09-），男，浙江省杭州市富陽區(qū)第二中學(xué)，中級(jí)教師。

2020年1月開始實(shí)施的《浙江省普通高校招生選考科目考試說明》（以下簡(jiǎn)稱《說明》）中高中物理關(guān)于結(jié)合能、裂變、聚變節(jié)內(nèi)容考試要求是c級(jí)要求。在《說明》中，c級(jí)要求為簡(jiǎn)單應(yīng)用，指能將物理事實(shí)、現(xiàn)象與概念、規(guī)律建立聯(lián)系，認(rèn)識(shí)規(guī)律適用的條件，并用以解決簡(jiǎn)單問題。從要求中可以看出，這些內(nèi)容有一定難度且要解決問題，從課堂和課后作業(yè)中來觀察和分析，學(xué)生尤其對(duì)結(jié)合能難以理解，對(duì)裂變和聚變過程不清，對(duì)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)更沒有直觀感受，掌握得并不如人意。

一、高中原子物理實(shí)驗(yàn)實(shí)施分析

為什么高中原子物理實(shí)驗(yàn)難以在課堂上展示，我們結(jié)合實(shí)際從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析。

（一）高中原子物理章節(jié)分析

高三物理選擇性必修第三冊(cè)第四章為原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性，第五章是原子結(jié)構(gòu)。

第四章第一節(jié)是黑體輻射。黑體是一個(gè)非常抽象的概念，缺乏具體形象且明顯的課堂實(shí)驗(yàn);第二節(jié)是光電效應(yīng)，一般實(shí)驗(yàn)室有配套的器材，課堂實(shí)驗(yàn)可以開展;第三節(jié)為原子核式結(jié)構(gòu)，一般也是通過講解和圖片展示;第四節(jié)是氫原子光譜和玻爾原子模型，其中氫原子光譜實(shí)驗(yàn)室有配套課堂演示實(shí)驗(yàn)，氣體放電實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯且震撼;第五節(jié)為粒子的波動(dòng)性和量子力學(xué)的建立，沒有配套演示實(shí)驗(yàn)，目前高中物理課堂沒有合適的手段模擬粒子的波動(dòng)性。

第五章第一節(jié)內(nèi)容為原子核的組成，物理和化學(xué)實(shí)驗(yàn)室有配套模型;第二節(jié)為放射性元素的衰變，實(shí)驗(yàn)室有配套的放射性現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn);第三節(jié)為核力和結(jié)合能，沒有配套演示實(shí)驗(yàn)，且難以模擬，結(jié)合能概念過于抽象難以理解;第四節(jié)為核裂變和核聚變，沒有配套演示實(shí)驗(yàn)，難以模擬;第五節(jié)為基本粒子，沒有配套演示實(shí)驗(yàn)。

通過教材分析，可以發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)問題。

1.原子物理實(shí)驗(yàn)，能真實(shí)在課堂上展示出來的只有光電效應(yīng)和氣體放電，其他的原子物理實(shí)驗(yàn)幾乎不能在課堂上展示，至少在目前的高中不能展示，除非以后有更好的手段和辦法。

2.原子物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)生在原子核內(nèi)部，高中物理實(shí)驗(yàn)室不能展示出真實(shí)動(dòng)態(tài)變化過程。變化過程抽象，不夠形象，導(dǎo)致學(xué)生難以理解和進(jìn)行科學(xué)探究，不利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

3.相關(guān)配套演示實(shí)驗(yàn)裝置及器材缺乏，再加上原子物理現(xiàn)象微觀且抽象，教師主觀能動(dòng)性很難發(fā)揮出來，導(dǎo)致日常課堂缺乏演示實(shí)驗(yàn)支持，教師不想浪費(fèi)時(shí)間去另外開發(fā)相應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)。

（二）學(xué)生對(duì)原子物理認(rèn)知分析

由于原子核過于微觀，學(xué)生對(duì)原子物理實(shí)驗(yàn)沒有過多的要求，很多學(xué)生甚至認(rèn)為差不多就是這樣，長(zhǎng)期停留在被動(dòng)接受教師的講解，很多原子物理知識(shí)只要求自己記住就行，不理解也不會(huì)去刨根問底。

（三）教師對(duì)原子物理演示實(shí)驗(yàn)認(rèn)知分析

在高中原子物理中，能在課堂中操作的實(shí)驗(yàn)，只有氣體放電這個(gè)實(shí)驗(yàn)，光電效應(yīng)這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)也較難操作。很多教師不愿意花時(shí)間去鉆研相關(guān)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為是徒勞且費(fèi)力的事情;并且在高考中原子物理占的分值也不夠多，教師常認(rèn)為還不如讓學(xué)生多做幾道習(xí)題更直接。

（四）高中原子物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)面臨的問題

原子物理實(shí)驗(yàn)器材貴重且精密，遠(yuǎn)非高中物理實(shí)驗(yàn)室所能承擔(dān)，性價(jià)比不高，操作難度大，維護(hù)成本較高，所以一般實(shí)驗(yàn)室不會(huì)過多配置原子物理實(shí)驗(yàn)儀器，導(dǎo)致教師苦于沒有器材而放棄做原子物理實(shí)驗(yàn)的想法。

二、原子物理模擬實(shí)驗(yàn)可行性分析

（一）原子物理實(shí)驗(yàn)可操作性分析

高中原子物理實(shí)驗(yàn)可操作性很低，除了光電效應(yīng)和氣體放電這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，其他實(shí)驗(yàn)不具備操作性，實(shí)驗(yàn)室也沒有相關(guān)的配套器材，也沒有必要花很大的代價(jià)去配備相應(yīng)的器材，對(duì)學(xué)生的幫助有限。

（二）原子物理模擬實(shí)驗(yàn)可行性分析

高中原子物理實(shí)驗(yàn)可操作性低，從培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究、科學(xué)思維以及形成原子物理相關(guān)的物理觀念來看，是一件很遺憾的事情。那么教師是不是就沒有辦法了呢？其實(shí)不然，教師可以開發(fā)一系列宏觀的模擬實(shí)驗(yàn)替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)直觀展示，便于學(xué)生直觀感受并培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。可以基于以下幾點(diǎn)開發(fā)原子物理模擬實(shí)驗(yàn)。

1.原子核式結(jié)構(gòu)借助身邊的球狀物體便于模擬，且方便在課堂上展示。如果讓這些模型動(dòng)起來，能進(jìn)一步模擬動(dòng)態(tài)變化過程，比如核子結(jié)合成原子核過程中釋放出核能，可以借助身邊的一些生活用品形象模擬，方便觀察。

2.生活中某些宏觀裝置的變化其實(shí)非常像微觀的原子核內(nèi)部變化，可以借助這些宏觀裝置進(jìn)行模擬。比如，老鼠夾被觸動(dòng)，彈出誘餌，這個(gè)現(xiàn)象很像裂變過程。

3.生活中的食物和一些用品，造價(jià)低廉，現(xiàn)象明顯，可以用來模擬原子物理中的現(xiàn)象和變化。比如杭州特產(chǎn)凍米糖可以模擬棗糕模型，用紙箱子或者空心鐵殼球來模擬黑體和黑體輻射。

基于以上幾點(diǎn)，我們其實(shí)可以模擬幾個(gè)原子物理中難以理解的物理變化過程和現(xiàn)象，只有粒子的波動(dòng)性目前沒有更好的實(shí)驗(yàn)手段來進(jìn)行模擬。

三、原子物理模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作研究

經(jīng)過高中原子物理模擬實(shí)驗(yàn)可行性分析，筆者設(shè)計(jì)了以下幾個(gè)實(shí)驗(yàn)。

（一）黑體模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

所謂黑體，是指完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波而不發(fā)生反射的物體。對(duì)于黑體定義的前因后果，學(xué)生都不了解，建議教師在課堂上把黑體這個(gè)理想模型的建立過程詳細(xì)地講清楚，便于學(xué)生理解。之所以要建立黑體這個(gè)理想模型，就是為了研究熱輻射的規(guī)律，而要把其他的跟物體有關(guān)聯(lián)的因素排除，所以物理學(xué)家把只吸收電磁波而不發(fā)生反射的這種物體稱為黑體。黑體嚴(yán)格意義來說并不總是黑色的，并且溫度大于絕對(duì)零度的黑體一定要向外輻射電磁波，即所謂的黑體輻射。長(zhǎng)期以來，物理學(xué)家很難解釋溫度跟黑體輻射的關(guān)系。直到普朗克能量量子理論誕生才完美地解釋了黑體輻射，所以我們學(xué)習(xí)黑體的意義就是了解量子論的發(fā)展起點(diǎn)。

在學(xué)生理解了前因后果后，教師可以引導(dǎo)學(xué)生自己設(shè)計(jì)一個(gè)黑體模具。所需要的器材包括一個(gè)紙盒子和一支激光筆。在黑暗中用激光筆照射紙盒子的孔洞，幾乎觀察不到反射出來的激光，說明該紙盒子可以看作黑體，但是學(xué)生不能理解黑體輻射，經(jīng)過改進(jìn)如圖1和圖2，把紙盒子換成打細(xì)孔洞空心鐵球，用噴槍加熱鐵球直到發(fā)紅發(fā)亮，在黑暗中用激光筆照射鐵球細(xì)孔洞，可以清楚地看到激光幾乎不能反射出來，加熱后鐵球發(fā)紅發(fā)亮，能觀察到明顯的熱輻射，若繼續(xù)加熱，隨著溫度增加，會(huì)越來越亮，且顏色發(fā)生變化。這就是一個(gè)非常形象的黑體模擬實(shí)驗(yàn)，這時(shí)學(xué)生能形象具體地去認(rèn)知黑體和黑體輻射。

通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M和操作以及手工制作出具體形象的模型，加上科學(xué)思維和探究，學(xué)生能對(duì)黑體有深刻認(rèn)識(shí)和理解。

（二）核力和結(jié)合能實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在核力和結(jié)合能這一節(jié)中，核力的飽和性導(dǎo)致核子相互作用只有在近距離才會(huì)有明顯強(qiáng)有力的作用效果，距離遠(yuǎn)則不會(huì)有明顯的作用效果。根據(jù)這個(gè)特性，可以知道重核分裂生成新核會(huì)釋放能量，輕核聚變生成新的元素過程也會(huì)釋放能量。沒有形象的模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生難以理解。

筆者從教材和學(xué)生科學(xué)思維出發(fā)，設(shè)計(jì)出相關(guān)模擬實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行核力作用演示。核力飽和性模擬實(shí)驗(yàn)如圖3，用一個(gè)磁體吸引幾個(gè)鋼珠，結(jié)合得較緊密，然后增加鋼珠，當(dāng)鋼珠增加達(dá)到一定數(shù)量后，其他的鋼珠不能被牢牢吸引，能模擬核力的飽和性。

結(jié)合能演示如圖4，磁力球和鋼球相距一段距離，然后用磁力球和鋼珠靠近后，會(huì)相互猛地吸引到一起，發(fā)出非常響亮的碰撞聲，這個(gè)過程可以模擬核能釋放的過程，這些吸引在一起的磁力球和鋼球需要能量才能分開，這種能量叫結(jié)合能，與結(jié)合過程釋放的能量相等。

通過動(dòng)態(tài)模擬演示，學(xué)生能立足演示過程了解核能釋放的過程，了解不同元素的比結(jié)合能會(huì)有差異，進(jìn)一步可以理解“比結(jié)合能越大，原子核結(jié)合得越緊密”這個(gè)難點(diǎn)。

（三）核裂變和核聚變實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

我們知道中等質(zhì)量大小的元素比結(jié)合能大，重核比結(jié)合能小一點(diǎn)，輕核比結(jié)合能更小，如果輕核結(jié)合成質(zhì)量更大的核比結(jié)合能變大，意味著要釋放出能量;同理，重核分裂成中等質(zhì)量的核，比結(jié)合能變大，也要釋放能量。這個(gè)過程看似很容易理解，實(shí)際上一直是學(xué)生面對(duì)的難點(diǎn)。教師想了很多辦法，常常會(huì)感到乏力。不過筆者通過研究和設(shè)計(jì)，能模擬出核裂變和核聚變的過程。

在核裂變?nèi)粘＝虒W(xué)中，只要引導(dǎo)學(xué)生理解比結(jié)合能增加就會(huì)釋放能量就可以了，學(xué)生的問題在于很難理解重核裂變過程生成新的核比結(jié)合能為什么會(huì)增加。學(xué)生如果看到這個(gè)模擬過程，很容易就理解裂變過程比結(jié)合能增加釋放能量。其實(shí)從核力的飽和性來分析，重核里面的核子數(shù)較多，相對(duì)而言結(jié)合得不是很緊密，核子間距較大，一旦分裂，核子重新組合成新核的過程中會(huì)結(jié)合得更加緊密，即核力作用下核子之間距離靠近，所以要釋放出能量。設(shè)計(jì)核裂變過程的難點(diǎn)在于，不是簡(jiǎn)單地把原子核分開，而是在分開過程中各部分新核的核子間距離要有明顯的靠近過程才能演示出各部分新核比結(jié)合能增大，從而分析出能釋放出核能。設(shè)計(jì)如圖5，實(shí)際操作時(shí)，拔去中間兩小鋼球之間的插銷后，分裂成兩部分即兩個(gè)新核，且兩鋼球被磁性小球分別吸引靠得更近，碰撞時(shí)發(fā)出響聲，說明新核內(nèi)的核子間距進(jìn)一步減少會(huì)釋放能量，也說明新核的比結(jié)合能變大。

我們通過分析可以知道氘氚聚變過程中，氘氚各自間的核子間距比較大，在超高溫和超高壓作用下，核子進(jìn)一步靠近，到達(dá)核力作用范圍內(nèi)，在核力作用下靠得更近，會(huì)釋放出能量。在設(shè)計(jì)過程中，我們只要把氘氚模型中的核子靠近后，能看到核子間距離明顯變小，并且靠近后相互碰撞發(fā)出響亮的聲響，那么就可以說明靠近過程會(huì)釋放能量，說明生成的新核比結(jié)合能變大，如圖6從左圖變化到右圖。

通過模擬實(shí)驗(yàn)大致可以知道，裂變和聚變本質(zhì)都是由于核力作用下核子間距變小，從而釋放能量。

（四）鏈?zhǔn)椒磻?yīng)模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，教材上有一個(gè)簡(jiǎn)圖來展示過程，或者通過動(dòng)畫展示，經(jīng)過研究，可以設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行展示。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)模擬實(shí)驗(yàn)最大的難點(diǎn)就是擊發(fā)延續(xù)下去，并且要釋放出中子，這兩個(gè)難點(diǎn)很難有好的辦法解決。根據(jù)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)特點(diǎn)，改進(jìn)并設(shè)計(jì)出模擬實(shí)驗(yàn)。如圖7所示，用老鼠夾來模擬原子核，用彈性球來模擬中子，把大量老鼠夾按順序擺放在一片小的空地上，并且在夾子上放上一到兩個(gè)彈性球，周圍用柵欄圍住，如圖7左圖;把一個(gè)彈性球（中子）從上空瞄準(zhǔn)一個(gè)老鼠夾釋放，彈性球（中子）撞擊并擊發(fā)老鼠夾，老鼠夾機(jī)關(guān)打開彈出兩個(gè)（或一個(gè)）彈性球（中子），兩個(gè)（或一個(gè)）彈性球（中子）降落后又擊發(fā)其他老鼠夾，這樣反復(fù)擊發(fā)，形成可持續(xù)的擊發(fā)過程，如圖7右圖，即我們說的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，可以形象而且準(zhǔn)確描述出鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

經(jīng)過一系列的原子物理模擬實(shí)驗(yàn)，課堂明顯更活躍，學(xué)生在觀看這些模擬實(shí)驗(yàn)過程中能更好地體會(huì)和掌握黑體、核力飽和性、結(jié)合能這些抽象的概念，能觀看到裂變、聚變、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)模擬過程，除了感受到物理實(shí)驗(yàn)的震撼和妙趣外，更容易理解和接受這些物理過程，能最大限度激發(fā)科學(xué)思維和科學(xué)探究精神。這一過程更加生動(dòng)和形象，充分體現(xiàn)了高中物理課堂有實(shí)驗(yàn)支持這一鮮明特點(diǎn)，彌補(bǔ)了高中原子物理課堂中實(shí)驗(yàn)不足的缺陷。

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