α粒子散射模擬實驗教具的制作

周佳

摘?要：α粒子散射實驗為盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)模型的提出提供了基礎(chǔ).由于本實驗的要求很高，無法在高中課堂中給學(xué)生演示，通過自制教具，利用模擬實驗演示實驗過程，幫助學(xué)生理解該實驗.

關(guān)鍵詞：原子結(jié)構(gòu);模擬實驗;教具制作

文章編號：1008-4134（2020）11-0060中圖分類號：G633.7文獻標(biāo)識碼：B

α粒子散射實驗是1909年盧瑟福指導(dǎo)其學(xué)生蓋革和馬斯登進行的實驗，實驗中利用α粒子轟擊金箔，發(fā)現(xiàn)少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，該實驗為盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)模型的提出提供了基礎(chǔ).由于本實驗的要求很高，無法在高中課堂為學(xué)生演示，但如果能利用模擬實驗來演示類比整個實驗過程，有助于學(xué)生對該實驗的理解.

1?教具的設(shè)計

利用PVC管材料搭建一個長方形框架，周圍包裹上金色電鍍紙模擬“金箔”.在框架內(nèi)固定若干銅片，模擬金箔中的“金原子”，銅片分別置于不同的平面，從而類比金箔內(nèi)多層原子的模型（如圖1）.將能夠連續(xù)發(fā)射子彈的玩具槍視為放射源，塑料子彈當(dāng)作α粒子（如圖2），當(dāng)玩具槍朝模擬金箔射擊時就可以觀察反彈與穿過的子彈數(shù)目，整個模擬實驗過程、效果與真實的α粒子散射實驗有很多類似的地方（如圖3）.

2?教具的制作

2.1?制作材料

1米長PVC管多根（如圖4）、直徑4cm的1mm厚銅片四片（如圖5）、直徑0.4mm的細銅線一卷（如圖6）、10cm寬金色電鍍紙一卷（如圖7）、舊蚊帳一塊.

2.2?制作過程

（1）將PVC管鋸成多段，搭成長70cm、寬20cm、高50cm的長方形框架.

（2）將金色電鍍紙包裹在框架四周（如圖8）.

（3）在每片銅片上打上三個細孔，將細銅絲穿入，固定在長方形框架中的不同位置（注意四片銅片不共面，如圖9）.

（4）將舊蚊帳固定于框架的另一面，用于擋住穿過框架的子彈（如圖10）.

3?教具的使用

3.1?模擬α粒子散射實驗

將“金箔”側(cè)面面向?qū)W生（學(xué)生無法觀察到內(nèi)部結(jié)構(gòu)），然后請一位學(xué)生蒙住眼睛（保證射擊時的隨機性），用玩具槍向模擬金箔射擊（如圖11）.

學(xué)生觀察到大部分子彈穿過“金箔”，少數(shù)反彈，現(xiàn)象與α粒子散射實驗的結(jié)果類似.在引導(dǎo)學(xué)生猜測“金箔”內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，將“金箔”正面展示給學(xué)生，讓學(xué)生觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，驗證其猜想.

3.2?估算原子核大小的數(shù)量級

教師可以在課后讓班級的每一位學(xué)生都來進行實驗，利用概率統(tǒng)計的方法來估算銅片半徑的數(shù)量級，具體公式可表示為

擊中的次數(shù)射擊的次數(shù)=銅片的總面積長方形框架的面積

其中，射擊的次數(shù)為：班級人數(shù)×每人射擊的次數(shù)，銅片總面積為：銅片數(shù)×πr2.當(dāng)?shù)贸鰯?shù)據(jù)后教師可以讓學(xué)生比較計算值與實際值的誤差，并通過改變射擊的次數(shù)來分析誤差的變化.

4?總結(jié)

在高中物理教學(xué)中，近代物理學(xué)部分的很多實驗在中學(xué)階段無法演示，很多教師就通過講解或觀看視頻的方法進行介紹，導(dǎo)致很多學(xué)生對這些實驗掌握得并不好.教師應(yīng)當(dāng)主動設(shè)計一些類比模擬的實驗，不僅增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也讓學(xué)生更加直觀了解實驗設(shè)計的思想及結(jié)果，起到事半功倍的效果.

參考文獻：

[1]余利君，廖遠錫.美國教材中α粒子散射模擬實驗的分析與借鑒 [J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2006（12）：25-26.

（收稿日期：2020-02-05）