創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)助力 打造證據(jù)課堂

郭子朋 張平 卞景垚 孫民華 姚秀偉

摘 要：證據(jù)意識(shí)是科學(xué)思維素養(yǎng)重要的核心要素，了解放射性衰變統(tǒng)計(jì)規(guī)律實(shí)驗(yàn)，助力提升學(xué)生的證據(jù)意識(shí)，辯證理解原子核衰變規(guī)律的隨機(jī)性與統(tǒng)計(jì)性的關(guān)系，促進(jìn)科學(xué)思維發(fā)展.

關(guān)鍵詞：放射性;衰變;創(chuàng)新實(shí)驗(yàn);證據(jù)課堂

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）09-0047-02

基金項(xiàng)目：黑龍江省2020年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：202010231069）;2021年度哈爾濱師范大學(xué)高等教育教學(xué)改革研究一般項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：XJGYF2021048）;2020年黑龍江省高?；究蒲许?xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2020-KYYWF-0366）.

作者簡(jiǎn)介：郭子朋（2000-），男，黑龍江人，本科生，研究方向：物理學(xué);

張平（2000-），女，黑龍江人，本科生，研究方向：物理學(xué).

通訊作者：孫民華（1969-），男，山東人，博士，教授，研究方向：凝聚態(tài)物理;

姚秀偉（1977-），女，黑龍江人，碩士，副教授，研究方向：課程與教學(xué)論.

“放射性元素的衰變”是人教版教材（2017年版）選擇性必修第三冊(cè)第五章的一節(jié)內(nèi)容.《高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》對(duì)本節(jié)內(nèi)容的要求是：了解原子核衰變，知道半衰期及其統(tǒng)計(jì)意義.原子核衰變的統(tǒng)計(jì)意義理解起來(lái)具有一定的抽象性，本文創(chuàng)新設(shè)計(jì)近代物理“放射性統(tǒng)計(jì)規(guī)律的驗(yàn)證”實(shí)驗(yàn)，并將創(chuàng)新后的實(shí)驗(yàn)用于中學(xué)物理教學(xué)，為抽象的結(jié)論性描述提供證據(jù)支持，助力打造證據(jù)課堂，促進(jìn)學(xué)生對(duì)原子核衰變規(guī)律的辯證理解，并助力提升學(xué)生的證據(jù)意識(shí)，促進(jìn)科學(xué)思維發(fā)展.

1 實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

用天然鈾礦石代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)用的人工放射源.鈾礦石放射強(qiáng)度小，比人工放射源更安全.該鈾礦石含有鈾235和鈾238兩種同位素，其中鈾238的豐度約99%.鈾238的衰變是一個(gè)多過(guò)程衰變，在連續(xù)的衰變過(guò)程中，會(huì)放出α射線和β射線，還會(huì)伴隨γ射線輻射，便于通過(guò)檢測(cè)γ射線來(lái)測(cè)量原子核衰變數(shù)量.

用微機(jī)多道譜儀代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)用的G-M計(jì)數(shù)管，作為檢測(cè)射線的儀器.G-M計(jì)數(shù)管測(cè)量的衰變是各個(gè)衰變過(guò)程的總和，而微機(jī)多道譜儀可以選擇特定的衰變過(guò)程進(jìn)行有針對(duì)性的測(cè)量，使測(cè)量結(jié)果的物理意義更清晰.整個(gè)微機(jī)多道譜儀結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括脈沖多道分析器、閃爍探測(cè)器和計(jì)算機(jī)等.閃爍探測(cè)器是其核心部件，包括閃爍體、光電倍增管和相應(yīng)的電子儀器.譜儀檢測(cè)射線的工作過(guò)程如下：閃爍體與射線相互作用并產(chǎn)生閃爍光（光子），包圍在閃爍體周?chē)姆瓷湮镔|(zhì)使光子射向光電倍增管，由于光電效應(yīng)產(chǎn)生電子，引起電流或電壓脈沖，經(jīng)電纜傳輸?shù)诫娮觾x器（脈沖多道分析器屬于電子儀器的一部分）中，脈沖分析器用于分析射線能譜，根據(jù)能譜的特征峰面積可以計(jì)算放射性衰變的數(shù)量（二者成正比）.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和教學(xué)應(yīng)用

關(guān)于原子核衰變的規(guī)律，教材中指出：放射性元素的半衰期描述的是統(tǒng)計(jì)規(guī)律，而對(duì)于一個(gè)特定的原子，我們只知道它發(fā)生衰變的概率，而不知道它將何時(shí)發(fā)生衰變，并通過(guò)旁批引導(dǎo)學(xué)生思考微觀世界規(guī)律的特征之一即“單個(gè)微觀事件不可以預(yù)測(cè)”，也就是說(shuō)，隨機(jī)性與統(tǒng)計(jì)性同時(shí)存在于原子核衰變規(guī)律中.原子核衰變的統(tǒng)計(jì)規(guī)律實(shí)驗(yàn)用于本節(jié)教學(xué)可以為學(xué)生理解教材內(nèi)容提供數(shù)據(jù)證據(jù)，還可以引導(dǎo)學(xué)生深入探究原子核衰變規(guī)律、辯證理解隨機(jī)性與統(tǒng)計(jì)性的關(guān)系.

2.1 利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明放射性衰變的隨機(jī)性

將天然鈾礦石放于鉛盒內(nèi)，置于閃爍探測(cè)器下方，使射線只通過(guò)鉛盒上表面的小孔進(jìn)入探測(cè)器中.利用多道分析器選擇性分析由鉍214衰變?yōu)獒?14時(shí)放出的γ射線的特征峰，然后通過(guò)求特征峰面積的方法，重復(fù)測(cè)量100組相同時(shí)間間隔內(nèi)的衰變次數(shù)，每組數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)間為40秒，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.具體教學(xué)實(shí)施時(shí)，可根據(jù)教學(xué)時(shí)間靈活安排測(cè)量次數(shù)和每組測(cè)量時(shí)間，或者將部分測(cè)量安排在課外.

由表1數(shù)據(jù)可以看出，相同實(shí)驗(yàn)條件下、相同時(shí)間間隔內(nèi)原子衰變次數(shù)漲落很大，這正是放射性衰變隨機(jī)性的實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直觀證明了原子核衰變的隨機(jī)性特點(diǎn)，即“某一時(shí)間內(nèi)，有時(shí)衰變的核多些，有時(shí)少些”，所以數(shù)據(jù)出現(xiàn)波動(dòng)，為教材所描述的“對(duì)于一個(gè)特定的原子，我們只知道它發(fā)生衰變的概率，而不知道它將何時(shí)發(fā)生衰變”提供數(shù)據(jù)證據(jù).

2.2 通過(guò)深入探究理解放射性衰變的統(tǒng)計(jì)性

將表1中的數(shù)據(jù)繪制成衰變次數(shù)隨時(shí)間變化的圖像（如圖2），可以看出數(shù)據(jù)是圍繞某一數(shù)值上下漲落的，說(shuō)明原子核衰變除了具有隨機(jī)性，還存在其它的規(guī)律.利用課外活動(dòng)時(shí)間，在學(xué)生認(rèn)識(shí)核輻射的防護(hù)知識(shí)基礎(chǔ)上，帶領(lǐng)并指導(dǎo)學(xué)生將測(cè)量數(shù)據(jù)增加到300組，并對(duì)300組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求出平均值，統(tǒng)計(jì)衰變?cè)诓煌螖?shù)區(qū)間出現(xiàn)的概率，如圖3所示的矩形部分.圖像顯示：衰變次數(shù)區(qū)間與平均值（635次/40秒）所在區(qū)間偏差越小的，出現(xiàn)的概率越大，且整體呈現(xiàn)出正態(tài)分布規(guī)律.用正態(tài)分布函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合（圖3曲線部分），擬合度為0.96615，說(shuō)明原子衰變概率的分布與正態(tài)分布曲線吻合度很高.

實(shí)驗(yàn)探究可以幫助學(xué)生更好地理解放射性衰變的統(tǒng)計(jì)規(guī)律.同時(shí)借助不同測(cè)量時(shí)間（20秒和40秒）衰變概率曲線正態(tài)分布擬合度的不同（如圖4），可以讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到測(cè)量時(shí)間越長(zhǎng)（衰變的原子核越多），放射性衰變?cè)椒险龖B(tài)分布，從而辯證地認(rèn)識(shí)科學(xué)規(guī)律.

3 結(jié)束語(yǔ)

證據(jù)意識(shí)是“科學(xué)思維”素養(yǎng)的核心要點(diǎn)之一，證據(jù)課堂是培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)意識(shí)的主陣地.通過(guò)創(chuàng)新移植“放射性衰變的統(tǒng)計(jì)規(guī)律”實(shí)驗(yàn)至中學(xué)物理課堂，為抽象的結(jié)論提供形象的證據(jù)，可以助力打造證據(jù)課堂，提高學(xué)生的證據(jù)意識(shí)，繼而提高學(xué)生的“科學(xué)思維”素養(yǎng).

參考文獻(xiàn)：

[1]龐蓉，宋晶晶，梁婷.用閃爍探測(cè)器驗(yàn)證放射性衰變的統(tǒng)計(jì)規(guī)律[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2012，25（05）：20-21+23.

[2]魏懷鵬，張志東.近代物理實(shí)驗(yàn)[M].天津：天津大學(xué)出版社，2010.

（收稿日期：2021-02-22）