基于核心素養(yǎng)培養(yǎng)的高中物理教學(xué)
——“電子的發(fā)現(xiàn)”課堂實錄與思考

戴婷婷

(寧波市慈湖中學(xué)　浙江 寧波　315031)

高中物理學(xué)科4個方面的核心素養(yǎng)，在“電子的發(fā)現(xiàn)”這一課中，對學(xué)生觀念的形成、思維的提升、實驗的探究以及科學(xué)的態(tài)度養(yǎng)成具有重要的促進(jìn)作用．在以往對本節(jié)的教學(xué)，往往一帶而過，或自學(xué)，或做練習(xí)，失去了本節(jié)教材對學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)．本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計思想為：通過史料和實驗觀察說明陰極射線的存在，接著對陰極射線的本質(zhì)進(jìn)行猜測：電磁輻射？帶電微粒？然后利用所學(xué)的電磁學(xué)知識對陰極射線是否是帶電微粒進(jìn)行論證來認(rèn)識陰極射線的本質(zhì)，其后和湯姆孫共同參與設(shè)計電子比荷測定方案，并給出陰極射線的比荷的表達(dá)式．介紹湯姆孫對不同材料的陰極做實驗，所得比荷的數(shù)值都相同，通過進(jìn)一步對其他現(xiàn)象研究(光電效應(yīng)、熱離子發(fā)射、β射線)，得出電子是所有原子的組成部分．最后介紹密立根的油滴實驗比較精確地測出了電子的電荷量．

這節(jié)課的內(nèi)容豐富，既有史料和實驗，又有理論推導(dǎo)，通過電子的發(fā)現(xiàn)過程，體會人類對原子的認(rèn)識和研究經(jīng)歷了一個辯證發(fā)展的過程．

1　課前準(zhǔn)備

課程背景分析.本節(jié)課是選修3-5第十八章“原子結(jié)構(gòu)”的第1節(jié)．前一章，已經(jīng)介紹了關(guān)于微觀粒子運動規(guī)律的量子力學(xué)理論的內(nèi)容，選修3-2模塊已經(jīng)介紹了全部的電磁學(xué)的基礎(chǔ)知識．電子的發(fā)現(xiàn)屬于近代物理學(xué)的內(nèi)容，由陰極射線和電子的發(fā)現(xiàn)兩部分內(nèi)容組成，重點是電子的發(fā)現(xiàn)過程蘊含的科學(xué)方法．

學(xué)生情況分析.學(xué)生對電子的發(fā)現(xiàn)過程是知之甚少，很多學(xué)生會疑問“什么是陰極射線？它存在嗎？它是怎樣產(chǎn)生的？”的問題，回憶在研究磁場對運動電荷的作用力時，接觸過陰極射線，并且可以演示陰極射線管實驗，重現(xiàn)普呂克爾實驗的現(xiàn)象．其次，學(xué)生的電磁學(xué)知識的應(yīng)用能力比較薄弱，特別是碰到真實的物理情境時，往往無從下手，所以在這節(jié)課中，創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)興趣，實驗探究，追尋這段始終貫穿著思考—假設(shè)—實驗—解釋—爭論—再實驗, 不斷改進(jìn), 不斷提高的探索歷史，能從中得到有益的啟示．

2　課堂實錄

2.1　引入新課

教師：19世紀(jì)是電磁學(xué)大發(fā)展的時期, 到七、八十年代發(fā)電機(jī)、電動機(jī)和變壓器的出現(xiàn)，電氣工業(yè)開始有了極大的發(fā)展，但是漏電現(xiàn)象嚴(yán)重，雖然電火花是一瞬間，如果滿足條件的話，這一瞬間可以永恒，于是電氣照明吸引了許多科學(xué)家的注意，問題涉及低壓氣體放電現(xiàn)象，于是，人們競相研究與低壓氣體放電現(xiàn)象有關(guān)的問題．

演示實驗：用氣體放電管展示通電后氣體發(fā)光情況(圖1)，現(xiàn)象明顯，學(xué)生興趣濃厚．

師生討論，解釋原因：氣體分子在高壓電場下可以發(fā)生電離，使本來不帶電的空氣分子變成具有等量正、負(fù)電荷的帶電粒子，使不導(dǎo)電的空氣變成導(dǎo)體．科學(xué)家在研究氣體導(dǎo)電時發(fā)現(xiàn)了輝光放電現(xiàn)象．

2.2　新課教學(xué)

教師演示實驗：演示低壓氣體放電實驗．

學(xué)生觀察：看到了玻璃管壁上淡淡的熒光及管中十字金屬片在玻璃壁上的影……

教師：在1858年德國物理學(xué)家J·普呂克爾利用低壓氣體放電管研究氣體放電實驗發(fā)現(xiàn), 在對著陰極的玻璃管壁上出現(xiàn)了綠色的熒光．如果把磁鐵放在放電管附近, 熒光斑就隨著磁鐵的移動而改變位置．

1876年德國物理學(xué)家戈德斯坦研究輝光放電現(xiàn)象時認(rèn)為這是從陰極發(fā)出的某種射線引起的．所以他把這種未知射線命名為陰極射線．

教師演示實驗：陰極射線管接高壓放出陰極射線.

(a)

(b)

教師：對于陰極射線的本質(zhì)，有大量的科學(xué)家做出大量的科學(xué)研究，主要形成了兩種觀點．

(1)電磁波說：代表人物，赫茲．認(rèn)為這種射線的本質(zhì)是一種電磁波的傳播過程．

(2)粒子說：代表人物，湯姆孫．認(rèn)為這種射線的本質(zhì)是一種高速粒子流．

思考與討論：你能否設(shè)計一個實驗來進(jìn)行陰極射線的研究，能通過實驗現(xiàn)象來說明這種射線是一種電磁波還是一種帶電粒子流．

提示：如果你認(rèn)為這是一種電磁波，應(yīng)該出現(xiàn)什么樣的現(xiàn)象．如果你認(rèn)為這是帶電粒子流，應(yīng)該出現(xiàn)什么樣的現(xiàn)象，并能否測定這是一種什么粒子．

學(xué)生：可以讓射線通過電場，如果發(fā)生偏轉(zhuǎn)的說明該射線是帶電粒子，不發(fā)生偏轉(zhuǎn)的說明是電磁波．

學(xué)生：還可以讓射線通過磁場，如果發(fā)生偏轉(zhuǎn)的說明該射線是帶電粒子，不發(fā)生偏轉(zhuǎn)的說明是電磁波．

教師：英國物理學(xué)家J·J·湯姆孫也是這么認(rèn)為的，湯姆孫為了證明陰極射線是帶電粒子流，從1890年起，他進(jìn)行了一系列實驗研究．介紹氣體放電管：由陰極K 發(fā)出的帶電粒子通過小孔A，B 形成一束細(xì)細(xì)的射線．它穿過兩片平行的金屬板D1，D2之間的空間，到達(dá)右端帶有標(biāo)尺的熒光屏上．

圖3　氣體放電管原理圖

學(xué)生分組活動一：如果你是陰極射線是帶電粒子流的支持者，根據(jù)“思考與討論”的提示，設(shè)計計算陰極射線微粒的比荷的方法，并畫出示意圖．

學(xué)生活動約3 min.

討論以下幾個問題：

(1)如果未加電場和磁場時，陰極射線做什么運動？

(2)加電場、未加磁場時，陰極射線做什么運動？

(3)加磁場、未加電場時，陰極射線做什么運動？

學(xué)生：未加電場和磁場時；陰極射線不受力，做勻速直線運動到P1；

加電場、未加磁場；陰極射線只受電場力，做類平拋運動；當(dāng)在平行板間加上如圖所示的電場，發(fā)現(xiàn)陰極射線打在熒光屏上的位置向下偏，則可判定，陰極射線帶有負(fù)電荷；

加磁場、未加電場時，陰極射線只受洛倫茲力作用，做勻速圓周運動．

學(xué)生活動約3 min.

學(xué)生討論：撤去電場，只留下磁場時，利用磁場使帶電的陰極射線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，能否根據(jù)磁場的特點和帶電粒子在磁場中的運動規(guī)律來計算陰極射線的比荷？

學(xué)生：只存在磁場的情況下，偏轉(zhuǎn)圓弧為圓周運動一部分，出磁場后成勻速直線運動，根據(jù)有關(guān)幾何知識，我們一定是可以求出帶電粒子圓周運動的半徑r的．

教師：如何測出陰極射線的運動速度？

學(xué)生：可以在兩極板D1和D2間加勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場，在平行板間產(chǎn)生豎直向上的電場E,在垂直電場向外的方向上加一磁場B，陰極射線受庫侖力和洛倫茲力，通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整電場、磁場的強(qiáng)度，可使其做勻速直線運動，可以測出速度大小.

則電場力和磁場力平衡時滿足

qvB=qE

即

學(xué)生活動約5 min.推導(dǎo)陰極射線比荷的表達(dá)式.

如果撤去電場E, 保留磁場B, 粒子滿足

即

圖4　幾何量之間的關(guān)系

參看圖4，再由幾何知識

(1)

(2)

利用 式(1)、(2)解出r即可.

學(xué)生分組活動二：我們能不能換個思路，換個方法，研究帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)從而得到關(guān)于帶電粒子的比荷呢？

圖5　變換方法

測量陰極射線的速度的方法同上.

學(xué)生活動約5 min.推導(dǎo)陰極射線比荷的表達(dá)式.

小組討論，派代表上黑板交流方案.

分析偏轉(zhuǎn)為類平拋，寫出類平拋表達(dá)式.

教師引導(dǎo)分析:

引導(dǎo)分析y是不易直接測量的,而Y則是可直接測量的，如何從Y得到y(tǒng)?

由電場速度關(guān)系和圖6的幾何知識聯(lián)立方程

圖6　引導(dǎo)分析Y可直接測量

解得

自學(xué)指導(dǎo)：閱讀教材49頁：介紹湯姆孫對不同材料的陰極做實驗，所得比荷的數(shù)值都相同，然后進(jìn)一步對其他現(xiàn)象研究(光電效應(yīng)、熱離子發(fā)射、β射線)，得出電子是所有原子的組成部分．

師：介紹密立根實驗的原理和結(jié)果.

密立根測量出電子的電量

e=1.6022×10-19C

根據(jù)比荷，可以精確地計算出電子的質(zhì)量

m=9.109 4×10-31kg

質(zhì)子質(zhì)量與電子質(zhì)量的比值

課堂教學(xué)思考：

本節(jié)課緊緊圍繞著湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子的過程展開，首先利用氣體放電管發(fā)光和陰極射線管的實驗，激發(fā)學(xué)生的興趣，解決了學(xué)生心中“陰極射線”是否存在的疑問，為進(jìn)一步探索陰極射線的本質(zhì)是什么做好了準(zhǔn)備．在探索陰極射線本質(zhì)的過程中，學(xué)生成功地列舉出了解決方案；計算帶電粒子比荷的過程中，加強(qiáng)師生互動，利用小組討論，讓學(xué)生講述自己的觀點，自我評價，很好地培養(yǎng)了學(xué)生分析問題和解決問題的能力．課本教材讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，課堂教學(xué)中始終展示了科學(xué)家們鍥而不舍的探索精神和驚人的科學(xué)膽識, 一旦抓住了有希望的線索, 就追根究底, 積極嘗試, 進(jìn)而導(dǎo)致了觀念上的更新和科學(xué)上的重要發(fā)現(xiàn)，給學(xué)生留下深刻的印象．