導(dǎo)語：高中物理建模教學(xué)分析一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：物理教師在課堂教學(xué)過程中可以創(chuàng)設(shè)問題情境，讓學(xué)生有機會參與問題的討論，進行科學(xué)探究，從而增強學(xué)生對科學(xué)概念和規(guī)律的認識，促進學(xué)生科學(xué)思維能力的培養(yǎng)。文章以“原子的核式結(jié)構(gòu)模型”教學(xué)為例，從感知材料建立模型、概括抽象檢驗?zāi)Ｐ?、歸納對比完善模型、變式遷移應(yīng)用模型四個方面創(chuàng)設(shè)情境，構(gòu)建模型，激發(fā)思維，從而培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：建模；科學(xué)探究；科學(xué)思維

1教學(xué)流程設(shè)計

近幾年來隨著物理學(xué)科核心素養(yǎng)的提出，對我們的高中物理教學(xué)提出了更高的要求。但由于受長期以來傳統(tǒng)教學(xué)的影響，仍只注重傳授知識與方法，強化概念和規(guī)律的識記，缺乏理性思維與分析，對“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”的教學(xué)過程不夠重視，教學(xué)時往往一帶而過，忽視了物理知識教育的內(nèi)涵。根據(jù)新課程理念，為了培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，教師要引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，體會科學(xué)研究方法，養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣，增強創(chuàng)新意識和實踐能力［1］。為此，本文以“原子的核式結(jié)構(gòu)模型”建模教學(xué)的設(shè)計為例，研究基于探究思維的高中物理建模教學(xué)。

2教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計

2．1環(huán)節(jié)一：感知材料，建立模型

課題引人1：雞蛋結(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)呢？讓學(xué)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(zhuǎn)等等。教師引導(dǎo)他們分析方案可行性，并讓學(xué)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(dǎo)學(xué)生認真觀察。居然浮起來了！什么情況？這個現(xiàn)象激發(fā)了學(xué)生的好奇心，教師借此引導(dǎo)學(xué)生提出新的假設(shè)和猜想：絕大多數(shù)學(xué)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(dǎo)學(xué)生一起歸納科學(xué)探究的一般過程：提出問題－收集證據(jù)—建構(gòu)模型—解釋與論證＾交流與討論得出結(jié)論。課題引人2：回顧原子模型的科學(xué)探索歷程。（1）湯姆生原子模型的提出一百多年前，科學(xué)家們探索原子結(jié)構(gòu)就是用這樣的科學(xué)思維方法。19世紀(jì)末時，人們還無法直接通過實驗探測原子內(nèi)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(chǔ)上，猜想并通過實驗發(fā)現(xiàn)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(jīng)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(xué)家勒納德1903年通過實驗發(fā)現(xiàn)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?？磥?，湯姆生原子模型在解釋這個實驗現(xiàn)象時真正遇到了困難！那么，19世紀(jì)末、20世紀(jì)初，科學(xué)家又是用什么方法來進一步研究原子內(nèi)部信息的呢？（3）盧瑟福a粒子散射實驗的理論依據(jù)19世紀(jì)末，a射線（髙速a粒子流）、／9射線（髙速電子流）相繼被發(fā)現(xiàn)，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(nèi)的原子發(fā)生相互作用后粒子偏轉(zhuǎn)情況來獲得原子內(nèi)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(nèi)部的結(jié)構(gòu)。盧瑟福同蓋革、馬斯登在卡文迪許實驗室（英國劍橋大學(xué)的物理實驗室）內(nèi)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(zhì)（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(zhì)量與電子質(zhì)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(huán)節(jié)二：概括抽象，檢驗?zāi)Ｐ?/p>

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(xué)為例，通過物理模型的有效建構(gòu)來提升學(xué)生的物理思維品質(zhì)，可遵循以下教學(xué)結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)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(shù)《粒子的偏轉(zhuǎn)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(yù)言的原子模型能否使《粒子發(fā)生大角度的散射？教師通過引導(dǎo)學(xué)生對前兩個問題的討論得出：湯姆生所預(yù)言的原子模型無法解釋《粒子散射實驗的現(xiàn)象。交流與討論3：如圖4所示，盧瑟福估測實驗結(jié)果：在湯姆生模型中不可能發(fā)生大角度散射，偏轉(zhuǎn)角度大于3°的幾率遠小于1％，偏轉(zhuǎn)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(xiàn)象呢？小結(jié)：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(tǒng)的實驗研究，并總結(jié)出所觀察到的現(xiàn)象。教師結(jié)合動畫展示（如圖5所示）的現(xiàn)象，并引導(dǎo)學(xué)生進行歸納得出結(jié)論。交流與討論4：a粒子出現(xiàn)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(dāng)大的質(zhì)量和很大的動能（質(zhì)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(guī)律可知，只可能是電子的速度發(fā)生大的改變。交流與討論5：為什么會出現(xiàn)少數(shù)a粒子發(fā)生大角度的散射？交流與討論6：為什么會出現(xiàn)極少數(shù)a粒子偏轉(zhuǎn)角超過了90°，有的甚至被反彈回來？教師引導(dǎo)學(xué)生分析交流與討論5、6兩個問題，并得出結(jié)論：只有當(dāng)正電荷集中在很小的一個區(qū)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(fā)生大角度的偏轉(zhuǎn)。交流與討論7：由以上討論，你可以得出什么結(jié)論？教師引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：“絕大多數(shù)a粒子不偏轉(zhuǎn)”說明原子內(nèi)部絕大部分是“空”的，“少數(shù)《粒子發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)《粒子偏轉(zhuǎn)角超過了90°”，說明原子內(nèi)部有“核”存在，“有的甚至被彈回”，說明作用力很大且質(zhì)量大電量集中［3］。教師通過設(shè)計以上七個逐漸遞進的有關(guān)聯(lián)的問題的交流與討論，引導(dǎo)學(xué)生一步一步得出結(jié)論，從而否定湯姆生的原子模型。這樣一步一步的科學(xué)探究，對培養(yǎng)學(xué)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(huán)節(jié)三：歸納對比，完善模型

（1）盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型的建立（多媒體電腦模擬）盧瑟福和他的助手們經(jīng)過大量的實驗發(fā)現(xiàn)了《粒子大角度散射的現(xiàn)象，并對該現(xiàn)象進行了統(tǒng)計和數(shù)學(xué)推算，發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhuǎn)M。教師引導(dǎo)學(xué)生嘗試用盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型去解釋《粒子散射實驗現(xiàn)象，同時通過動畫模擬和課件展示核式結(jié)構(gòu)模型，給學(xué)生有一個更直觀的感性認識。（2）原子、原子核的直徑和質(zhì)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。可見原子內(nèi)部是十分“空曠”的，難怪《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(biāo)準(zhǔn)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(shè)想把這個直徑看作原子的直徑，試估算原子核對應(yīng)的直徑約為多少？（已知原子的直徑數(shù)量級為10—1。m，原子核的直徑數(shù)量級為1（T15m）引導(dǎo)學(xué)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(xué)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(dāng)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?。?/p>

2．4環(huán)節(jié)四：變式遷移，應(yīng)用模型

試討論：若《粒子與金原子核發(fā)生對心彈性碰撞時，《粒子以接近180°角返回。能否據(jù)此信息估算出原子核的直徑？（已知電荷之間電勢能￡P(guān)＝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(zhuǎn)變?yōu)樵雍穗妶鲋械碾妱菽?，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(zhì)量為叫＝6．64乂10一271＾，金的原子序數(shù)2＝79，試求a粒子接近核的最小距離為。結(jié)束語“原子的核式結(jié)構(gòu)模型”這節(jié)課是高中原子物理的重要內(nèi)容只有充分挖掘教材，才能更好地培養(yǎng)學(xué)生的建模能力和科學(xué)思維能力。讓學(xué)生在掌握相關(guān)知識的同時，通過創(chuàng)設(shè)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(guī)律以顯性的感性認識呈現(xiàn)出來，從而培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的正確性和深刻性。

參考文獻

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作者：江小安 羅鐘 單位：福建省泰寧第一中學(xué)福建 福建省三明第一中學(xué)