高中物理建模教学分析

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摘要：物理教师在课堂教学过程中可以创设问题情境，让学生有机会参与问题的讨论，进行科学探究，从而增强学生对科学概念和规律的认识，促进学生科学思维能力的培养。文章以“原子的核式结构模型”教学为例，从感知材料建立模型、概括抽象检验模型、归纳对比完善模型、变式迁移应用模型四个方面创设情境，构建模型，激发思维，从而培养学生物理学科核心素养。

关键词：建模；科学探究；科学思维

1教学流程设计

近几年来随着物理学科核心素养的提出，对我们的高中物理教学提出了更高的要求。但由于受长期以来传统教学的影响，仍只注重传授知识与方法，强化概念和规律的识记，缺乏理性思维与分析，对“科学思维”“科学探究”的教学过程不够重视，教学时往往一带而过，忽视了物理知识教育的内涵。根据新课程理念，为了培养学生的物理核心素养，教师要引导学生经历科学探究过程，体会科学研究方法，养成科学思维习惯，增强创新意识和实践能力［1］。为此，本文以“原子的核式结构模型”建模教学的设计为例，研究基于探究思维的高中物理建模教学。

2教学环节设计

2．1环节一：感知材料，建立模型

课题引人1：鸡蛋结构的探究。教师展示外观相同的两只鸡蛋（一只熟鸡蛋和一只事先用针筒抽出蛋黄和蛋白的空鸡蛋），如图2所示。教师先切开熟鸡蛋并展示其内部结构，很明显蛋黄镶嵌在其中，而且蛋黄占的空间较大。教师提出问题：如果不打开鸡蛋，用什么办法能知道鸡蛋里面的结构呢？让学生进行分组讨论，按小组提出实验方案：如摇晃、透视、称量、旋转等等。教师引导他们分析方案可行性，并让学生动手尝试。然后教师再次演示实验：将空鸡蛋放入盛水的玻璃器皿中，并引导学生认真观察。居然浮起来了！什么情况？这个现象激发了学生的好奇心，教师借此引导学生提出新的假设和猜想：绝大多数学生认为这只鸡蛋里面是空的。教师直接将鸡蛋打开：确实是一只空的鸡蛋！教师提出问题：对鸡蛋的探究，给了我们什么启示？教师引导学生一起归纳科学探究的一般过程：提出问题－收集证据—建构模型—解释与论证＾交流与讨论得出结论。课题引人2：回顾原子模型的科学探索历程。（1）汤姆生原子模型的提出一百多年前，科学家们探索原子结构就是用这样的科学思维方法。19世纪末时，人们还无法直接通过实验探测原子内部的奥秘，汤姆生在开尔文提出的原子实心带电球模型的基础上，猜想并通过实验发现了电子，提出了汤姆生原子模型。（2）汤姆生原子模型遇到的困难一种物理模型是否成立，须经得起实验的检验！汤姆生原子模型提出后不久，德国实验物理学家勒纳德1903年通过实验发现电子束能穿透金属箔，他认为金属中的原子并不是一个正电荷均匀分布的实心球体。看来，汤姆生原子模型在解释这个实验现象时真正遇到了困难！那么，19世纪末、20世纪初，科学家又是用什么方法来进一步研究原子内部信息的呢？（3）卢瑟福a粒子散射实验的理论依据19世纪末，a射线（髙速a粒子流）、／9射线（髙速电子流）相继被发现，而《射线作为髙速a粒子流由于其具有极高能量可以用于轰击金属，并通过其与金属内的原子发生相互作用后粒子偏转情况来获得原子内部的信息。所谓“散射”：指的是偏离了原来的运动方向而分开。卢瑟福正是利用这个重要的方法——“碰撞”的实验方法来研究原子内部的结构。卢瑟福同盖革、马斯登在卡文迪许实验室（英国剑桥大学的物理实验室）内做了用高速飞行的《粒子去轰击金箔的实验。卢瑟福《粒子散射实验装置示意如图2所示。a射线：放射性物质（如铀、铺、钋等）释放出的髙速a粒子流（带2单位正电荷的氦原子核，质量与电子质量之比约为7300：1），其速度约为0．1C（其中c．为真空中光速，c＝3．0X108m／s）。

2．2环节二：概括抽象，检验模型

模型建立之后，要对模型进行分析、检验，并进—步改进完善模型。以物理课堂教学为例，通过物理模型的有效建构来提升学生的物理思维品质，可遵循以下教学结构模式：（1）介绍a粒子散射实验装置图及工作原理。（2）动画模拟演示实验：＾粒子散射实验。（3）提出问题，论证与交流。交流与讨论1：装置中的金箱厚约1pm，若把金原子一层一层叠起来，将达到3300多层，但在金箔正后方，我们通过显微镜观察发现绝大多数a粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进。这说明了什么？极少数《粒子的偏转甚至超过了90°，有的几乎达到180°，其原因是什么？［2］交流与讨论2：汤姆生所预言的原子模型能否使《粒子发生大角度的散射？教师通过引导学生对前两个问题的讨论得出：汤姆生所预言的原子模型无法解释《粒子散射实验的现象。交流与讨论3：如图4所示，卢瑟福估测实验结果：在汤姆生模型中不可能发生大角度散射，偏转角度大于3°的几率远小于1％，偏转角度大于90°的几率阁4约为＾。这又说明了什么？卢瑟福通过实验观察到什么现象呢？小结：卢瑟福和他的团队通过不断改迸实验，对散射理论进行系统的实验研究，并总结出所观察到的现象。教师结合动画展示（如图5所示）的现象，并引导学生进行归纳得出结论。交流与讨论4：a粒子出现大角度散射是否是与电子碰撞造成的？分析：a粒子相比电子具有相当大的质量和很大的动能（质量约为电子的7300倍，速度约为0？1倍光速）。以氢原子为例，电子绕核运动的速度约为2．IX106m／s，若a粒子和电子相向碰撞，则两者动量之比为104286：1。由碰撞的规律可知，只可能是电子的速度发生大的改变。交流与讨论5：为什么会出现少数a粒子发生大角度的散射？交流与讨论6：为什么会出现极少数a粒子偏转角超过了90°，有的甚至被反弹回来？教师引导学生分析交流与讨论5、6两个问题，并得出结论：只有当正电荷集中在很小的一个区域（形成原子核），并且a粒子非常接近它时，才有可能因库仑＾＾斥力而发生大角度的偏转。交流与讨论7：由以上讨论，你可以得出什么结论？教师引导学生得出结论：“绝大多数a粒子不偏转”说明原子内部绝大部分是“空”的，“少数《粒子发生较大偏转，极少数《粒子偏转角超过了90°”，说明原子内部有“核”存在，“有的甚至被弹回”，说明作用力很大且质量大电量集中［3］。教师通过设计以上七个逐渐递进的有关联的问题的交流与讨论，引导学生一步一步得出结论，从而否定汤姆生的原子模型。这样一步一步的科学探究，对培养学生的逻辑推理能力和分析能力起到了非常重要的作用。

2．3环节三：归纳对比，完善模型

（1）卢瑟福的核式结构模型的建立（多媒体电脑模拟）卢瑟福和他的助手们经过大量的实验发现了《粒子大角度散射的现象，并对该现象进行了统计和数学推算，发现根本无法用汤姆生的原子模型和散射理论去解释。从而卢瑟福提出了原子的核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间绕着核旋转M。教师引导学生尝试用卢瑟福的原子核式结构模型去解释《粒子散射实验现象，同时通过动画模拟和课件展示核式结构模型，给学生有一个更直观的感性认识。（2）原子、原子核的直径和质量比较（见表1）由表1可以看出，原子的直径约是原子核的一万到十万倍之间，体积更是达到l〇w倍。可见原子内部是十分“空旷”的，难怪《粒子击中原子核的几率是非常小的！举例说明：我校田径场（400m标准跑道）面积大约14619．9m2，如果看成圆形的，则圆形的直径约为136．47m，设想把这个直径看作原子的直径，试估算原子核对应的直径约为多少？（已知原子的直径数量级为10—1。m，原子核的直径数量级为1（T15m）引导学生近似计算，求得：d＝〇．0040941m？4mm。教师桌示足球、鸡蛋、硬币实物及图6所示已知尺寸的物件，让学生通过比对，感知原子核的大小。通过比对可知，原子核的尺寸，相当于大田径场正中央放上一颗小螺钉（横截面尺寸）。说明原子核是多么的小！

2．4环节四：变式迁移，应用模型

试讨论：若《粒子与金原子核发生对心弹性碰撞时，《粒子以接近180°角返回。能否据此信息估算出原子核的直径？（已知电荷之间电势能￡P＝々＾）建立模型：假定原子核静止不动，《粒子以一定的初动能接近原子核，达到离原子核的最小距离时，初动能完全转变为原子核电场中的电势能，然后在《粒子与原子核正电荷的排斥作用下以接近180°角返回。若a粒子初速度为＊＾0＝2X10m／s，a粒子的质量为叫＝6．64乂10一271＾，金的原子序数2＝79，试求a粒子接近核的最小距离为。结束语“原子的核式结构模型”这节课是高中原子物理的重要内容只有充分挖掘教材，才能更好地培养学生的建模能力和科学思维能力。让学生在掌握相关知识的同时，通过创设情境，建立模型去研究物理问题，使物理中很多抽象的概念、规律以显性的感性认识呈现出来，从而培养学生科学思维的正确性和深刻性。

参考文献

［1］中华人民共和国教育部．普通高中物理课程标准（2017年版）［S］．北京：人民教育出版社，2018：1．

［2］刘岳衡．简析一组与原子物理有关的信息题［J］．数理化学习（高中版），2006（08）：44—46．

［3］王耀辉．主体间性提升学生潜质的途径［J］．物理通报，2015，（z2）：5—6．

［4］刘继才．物理实验在物理学发展中的地位和作用［J］．山东教育，1998（06）：35—36．

作者：江小安 罗钟 单位：福建省泰宁第一中学福建 福建省三明第一中学