人教版《物理》選擇性必修第三冊(cè)“第四章原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性”編寫說(shuō)明

摘 要：對(duì)選擇性必修第三冊(cè)第四章“原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性”的編寫意圖進(jìn)行梳理、說(shuō)明.明確本章結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，展現(xiàn)教材編寫的邏輯線索，對(duì)教材中如何落實(shí)學(xué)科的核心素養(yǎng)目標(biāo)進(jìn)行了解讀.在具體說(shuō)明中，圍繞本章的具體內(nèi)容進(jìn)行細(xì)致說(shuō)明并給出教學(xué)建議.

關(guān)鍵詞：原子結(jié)構(gòu);波粒二象性;物理核心素養(yǎng);編寫說(shuō)明

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）07-0016-03

作者簡(jiǎn)介：魏昕（1986-），男，青海人，博士，副編審，研究方向：物理課程與教材.

在量子力學(xué)建立之前，玻爾曾在前人關(guān)于原子結(jié)構(gòu)研究工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)普朗克、愛(ài)因斯坦等提出的量子概念建立了前期量子論，可以部分地說(shuō)明原子的若干性質(zhì).雖然玻爾的理論能夠解決的問(wèn)題有限，并且被后來(lái)的量子力學(xué)所取代，但是應(yīng)該看到在物理學(xué)的發(fā)展史中，每一重大進(jìn)展都是建立于在此之前的認(rèn)識(shí)之上，必須明確問(wèn)題所在，進(jìn)行新的觀察和理論研究，不是憑空一蹴而就的.教材以上述科學(xué)發(fā)展的歷史脈絡(luò)為線索，通過(guò)對(duì)黑體輻射理論、光電效應(yīng)、原子模型的發(fā)展、粒子波動(dòng)性，以及波粒二象性等重要內(nèi)容的介紹，展示了量子理論的建立過(guò)程，在講授相關(guān)知識(shí)的同時(shí)，希望能夠幫助學(xué)生體會(huì)物理觀念轉(zhuǎn)變的過(guò)程，了解當(dāng)中蘊(yùn)含的思想和方法.

1 全章概述

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）要求：（1）了解人類探索原子及其結(jié)構(gòu)的歷史.知道原子的核式結(jié)構(gòu)模型.通過(guò)對(duì)氫原子光譜的分析，了解原子的能級(jí)結(jié)構(gòu).（2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)，了解光電效應(yīng)現(xiàn)象.知道愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程及其意義.能根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論說(shuō)明光的波粒二象性.（3）知道實(shí)物粒子具有波動(dòng)性，了解微觀世界的量子化特征.體會(huì)量子論的建立對(duì)人們認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的影響.

《物理（必修第三冊(cè)）》中在對(duì)黑體、能量子等概念初步描述的基礎(chǔ)上，本章第一節(jié)主要介紹黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，通過(guò)實(shí)驗(yàn)規(guī)律與經(jīng)典電磁輻射理論的矛盾，引出普朗克的能量量子化假說(shuō).第二節(jié)介紹光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律，以及愛(ài)因斯坦提出光子概念解釋光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.此外，本節(jié)又介紹了康普頓效應(yīng)，表明光子不僅具有能量，而且具有動(dòng)量，光子的動(dòng)量與光的波長(zhǎng)和普朗克常量有關(guān).光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)揭示了光的粒子性.從此，人們意識(shí)光具有波粒二象性.第三、四節(jié)主要涉及原子結(jié)構(gòu)模型的發(fā)展.第三節(jié)介紹電子的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，以及盧瑟福提出的原子核式結(jié)構(gòu)模型.第四節(jié)介紹了氫原子光譜的規(guī)律，以及玻爾在核式結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上提出的新的原子理論.第五節(jié)主要介紹了粒子的波動(dòng)性，波的頻率、波長(zhǎng)與粒子的能量和動(dòng)量的關(guān)系，以及粒子波動(dòng)性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

本章在核心素養(yǎng)方面有以下考慮：

（1）物理觀念.通過(guò)原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性的學(xué)習(xí)，促進(jìn)對(duì)于微觀世界物質(zhì)、能量特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步深化學(xué)生的物質(zhì)觀、能量觀.此外，學(xué)生通過(guò)物理學(xué)史能夠領(lǐng)略到經(jīng)典物理觀向量子物理觀發(fā)展的過(guò)程，體會(huì)到量子理論不僅以其概念、原理揭示了自然界中物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的諸多規(guī)律，而且這一重大發(fā)現(xiàn)，同時(shí)改變了人們的自然觀、科學(xué)觀，思考這一過(guò)程中促使觀念轉(zhuǎn)變的重要因素以及所蘊(yùn)含的思想方法，為學(xué)生今后物理觀念乃至科學(xué)觀的發(fā)展奠定基礎(chǔ).

（2）科學(xué)思維.本章介紹了黑體、能量子、電子、原子、波粒二象性等一系列物理模型，通過(guò)對(duì)這些模型的學(xué)習(xí)，體會(huì)建立過(guò)程中的思維特征，促進(jìn)學(xué)生建模能力的提升.此外，這些模型具有緊密的聯(lián)系，體現(xiàn)了物理學(xué)逐步發(fā)展的特點(diǎn)，在學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)，學(xué)生也能夠體會(huì)到創(chuàng)新的內(nèi)涵，要引導(dǎo)學(xué)生正確地理解創(chuàng)新當(dāng)中的繼承與發(fā)展的關(guān)系.

（3）科學(xué)探究.學(xué)生既可以通過(guò)實(shí)際動(dòng)手學(xué)習(xí)科學(xué)探究，也可以通過(guò)了解前人的探究活動(dòng)學(xué)習(xí)科學(xué)探究.本章所涉及的內(nèi)容，對(duì)于學(xué)生自己動(dòng)手探究而言難度較大，教材通過(guò)對(duì)原子結(jié)構(gòu)發(fā)展的介紹，體現(xiàn)了當(dāng)時(shí)物理學(xué)家的探究過(guò)程，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，能夠認(rèn)識(shí)到探究微觀世界的方法與途徑，拓展他們對(duì)科學(xué)探究本身以及如何學(xué)習(xí)科學(xué)探究的理解.

（4）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.本章中再現(xiàn)了多位著名科學(xué)家的研究工作，他們嚴(yán)謹(jǐn)、不放過(guò)細(xì)節(jié)，同時(shí)又大膽、敢于提問(wèn)與想象，這些優(yōu)秀品質(zhì)能夠感染學(xué)生，加深學(xué)生對(duì)科學(xué)的熱愛(ài)，有助于提升自身品格.教材在本章最后介紹了量子力學(xué)的應(yīng)用，展現(xiàn)了量子力學(xué)與現(xiàn)代生活的密切聯(lián)系，希望提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

課時(shí)安排建議

第1節(jié) 普朗克黑體輻射理論1課時(shí)

第2節(jié) 光電效應(yīng)1課時(shí)

第3節(jié) 原子的核式結(jié)構(gòu)模型1課時(shí)

第4節(jié) 氫原子光譜和玻爾的原子模型1課時(shí)

第5節(jié) 粒子的波動(dòng)性和量子力學(xué)的建立1課時(shí)

2 具體說(shuō)明

2.1 突出量子理論對(duì)人類物理觀念的改變

在普朗克提出能量子假說(shuō)之前，人們已經(jīng)知道場(chǎng)與物質(zhì)能夠發(fā)生相互作用，并且相互交換能量，但認(rèn)為這種能量交換是連續(xù)的.1900年，在黑體輻射現(xiàn)象面前，普朗克作出了與經(jīng)典觀念相沖突的假設(shè)，即輻射的能量是一份一份地向外發(fā)出的，而且實(shí)驗(yàn)證實(shí)他是正確的.1905年，愛(ài)因斯坦為了解釋光電效應(yīng)，發(fā)展出了光子的概念.

隨后，德布羅意從類比和對(duì)稱性的角度出發(fā)，認(rèn)為在對(duì)實(shí)物粒子的研究上，可能過(guò)多地強(qiáng)調(diào)了粒子性，而忽視了粒子存在的波動(dòng)性.這種思考導(dǎo)致了一種新的物理觀念——物質(zhì)具有波粒二象性被樹(shù)立起來(lái).至此，原有的觀念——物質(zhì)或者只能是粒子、或者只能是波的觀念被破除了.

新的觀念深刻地改變了人們對(duì)科學(xué)的認(rèn)識(shí).教師要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行總結(jié)與思考：對(duì)于宏觀對(duì)象，我們可以根據(jù)直接經(jīng)驗(yàn)，建立粒子模型和波動(dòng)模型進(jìn)行研究，并得出它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.對(duì)于微觀粒子，雖然缺少感官的直接認(rèn)識(shí)，但是我們也要建立一些模型來(lái)研究它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，微觀粒子的波粒二象性就是這樣的模型.即使這一模型與學(xué)生的直接經(jīng)驗(yàn)十分不符，但只要基于它所建立的概念及理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，就說(shuō)明該模型能夠在一定范圍內(nèi)正確地代表我們要研究的對(duì)象.

2.2 拓展學(xué)生對(duì)科學(xué)探究的認(rèn)識(shí)

在高中階段，學(xué)生需要拓展對(duì)科學(xué)探究的認(rèn)識(shí)，知道既可以通過(guò)實(shí)際動(dòng)手來(lái)學(xué)習(xí)科學(xué)探究，也可以通過(guò)了解科學(xué)家的真實(shí)探究歷程來(lái)了解科學(xué)探究.初中階段，學(xué)生已經(jīng)學(xué)過(guò)原子的結(jié)構(gòu)，但并不了解這些知識(shí)的獲得過(guò)程.本章教材介紹了人類是如何一步一步地深入認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)的，學(xué)生通過(guò)這段歷史可以了解科學(xué)探究的過(guò)程，了解人類研究微觀對(duì)象的方法和途徑，有利于培養(yǎng)學(xué)生的探索興趣，發(fā)展他們的科學(xué)思維能力.

教材將人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)的探究歷程大致分為三個(gè)階段.第一階段：發(fā)現(xiàn)電子.線索如下：（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提出問(wèn)題——陰極射線究竟是電磁輻射還是帶電微粒？（2）湯姆孫根據(jù)陰極射線在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)情況斷定它的本質(zhì)是帶負(fù)電的粒子流，并求出了這種粒子的比荷.（3）湯姆孫進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，用不同材料的陰極做實(shí)驗(yàn)，所得比荷的數(shù)值都是相同的，這說(shuō)明不同物質(zhì)都能發(fā)射這種帶電粒子，它是構(gòu)成各種物質(zhì)的共有成分.（4）湯姆孫通過(guò)比較陰極射線粒子的比荷與氫離子的比荷，認(rèn)為陰極射線粒子電荷量的大小與一個(gè)氫離子的電荷量相同，后來(lái)他用實(shí)驗(yàn)證明了自己的猜想，陰極射線粒子即為電子.（5）密立根實(shí)驗(yàn)精確測(cè)定了電子電荷量，并發(fā)現(xiàn)電荷是量子化的，任何帶電體的電荷只能是電子電荷量的整數(shù)倍.（6）湯姆孫進(jìn)一步對(duì)光電效應(yīng)、熱離子發(fā)射、β射線等新現(xiàn)象進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)它們當(dāng)中都包含電子.

第二階段：認(rèn)識(shí)原子的結(jié)構(gòu).線索如下：（1）湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子后，提出了原子的“西瓜模型”;（2）α粒子散射實(shí)驗(yàn)否定了“西瓜模型”的正確性;（3）根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，盧瑟福提出了自己的原子結(jié)構(gòu)模型——核式結(jié)構(gòu)模型;（4）盧瑟福以核式結(jié)構(gòu)模型為依據(jù)，利用經(jīng)典力學(xué)計(jì)算了各個(gè)方向散射的α粒子的比例，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)事實(shí)相一致，證明了原子核式結(jié)構(gòu)模型的正確性.

第三階段：在對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的研究中，經(jīng)典電磁理論遇到了矛盾，玻爾提出了新的觀念.線索如下：（1）經(jīng)典電磁理論無(wú)法解釋原子的穩(wěn)定性和原子光譜的分立特征;（2）玻爾提出新的假設(shè)，即軌道和能量具有分立性，并進(jìn)行了數(shù)學(xué)推理;（3）理論計(jì)算與氫光譜實(shí)驗(yàn)等結(jié)果一致，證實(shí)原子玻爾模型的有效性;（4）玻爾模型不能解釋比氫原子稍復(fù)雜的原子的光譜，仍具有局限性.

通過(guò)以上三個(gè)階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以體會(huì)到：理論和實(shí)驗(yàn)相互促進(jìn)人類對(duì)微觀世界的理解.科學(xué)家在對(duì)實(shí)驗(yàn)、事實(shí)分析的基礎(chǔ)上，提出能夠?qū)ζ溥M(jìn)行描述和解釋的模型或假說(shuō)，這些模型或假說(shuō)又要在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中接受檢驗(yàn)，正確的被接受，與實(shí)驗(yàn)不符的則被否定，或是在新的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上再次提出新的假說(shuō).學(xué)生應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，真實(shí)的科學(xué)探究就是這樣不斷交錯(cuò)展開(kāi)的，科學(xué)就是這樣不斷向前發(fā)展的.

2.3 引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)創(chuàng)新思維

科學(xué)的發(fā)展史就是一部創(chuàng)新史.教材希望學(xué)生通過(guò)對(duì)本部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，能夠體會(huì)創(chuàng)新的思維方式，正確認(rèn)識(shí)創(chuàng)新當(dāng)中繼承與發(fā)展的關(guān)系.例如，在對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)過(guò)程中，湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子后提出了“西瓜模型”，但這一模型與α粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果不相符，因此被盧瑟福提出的核式結(jié)構(gòu)模型所替代.但隨著認(rèn)識(shí)的不斷深入，核式結(jié)構(gòu)模型又無(wú)法解釋原子的穩(wěn)定性和原子的分立光譜，于是，玻爾保留了其合理的部分——有原子核存在，而擯棄了其他不合理的部分，發(fā)展出了半經(jīng)典、半量子的玻爾原子理論.同樣，玻爾原子理論也具有局限性，雖然它第一次將量子觀念引入原子領(lǐng)域，成功地解釋了氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，但面對(duì)稍微的或更復(fù)雜一點(diǎn)的原子，玻爾原子理論也無(wú)法解釋它的光譜現(xiàn)象.在隨后的量子理論中，玻爾提出的定態(tài)和躍遷的概念被保留，而經(jīng)典粒子的觀念——將電子的運(yùn)動(dòng)看作經(jīng)典力學(xué)描述下的軌道運(yùn)動(dòng)便被拋棄了.

從以上人類對(duì)微觀世界的探索歷程可以看出，新、舊理論之間存在著密切的聯(lián)系，物理教學(xué)應(yīng)該在幫助學(xué)生熟知已有知識(shí)體系的同時(shí)，培育學(xué)生正確看待這種繼承和發(fā)展的關(guān)系，以及對(duì)新事物敏感的思維品質(zhì)，鼓勵(lì)他們敢于解脫傳統(tǒng)觀念，勇于提出新見(jiàn)解.

（收稿日期：2021-01-20）