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1、高中物理建模教学分析摘要：物理教师在课堂教学过程中可以创设问题情境，让学生有机会参加问题的商量，进行科学探究，从而增添学生对科学概念和规律的认识，促进学生科学思维能力的培育。文章以“原子的核式结构模型教学为例，从感知材料建立模型、概括抽象检验模型、归纳对比完善模型、变式迁移应用模型四个方面创设情境，构建模型，激发思维，从而培育学生物理学科核心素养。关键词：建模；科学探究；科学思维教学流程设计近几年来随着物理学科核心素养的提出，对我们的高中物理教学提出了更高的要求。但由于受长期以来传统教学的影响，仍只注重传授学问与方法，强化概念和规律的识记，缺乏理性思维与分析，对“科学思维“科学探究的教学过程不
2、够重视，教学时往往一带而过，忽视了物理学问教育的内涵。依据新课程理念，为了培育学生的物理核心素养，教师要引导学生经受科学探究过程，体会科学讨论方法，养成科学思维习惯，增添创新意识和实践能力。为此，本文以“原子的核式结构模型建模教学的设计为例，讨论基于探究思维的高中物理建模教学。教学环节设计环节一：感知材料，建立模型课题引人：鸡蛋结构的探究。教师展示外观相同的两只鸡蛋一只熟鸡蛋和一只事先用针筒抽出蛋黄和蛋白的空鸡蛋，如图所示。教师先切开熟鸡蛋并展示其内部结构，很明显蛋黄镶嵌在其中，而且蛋黄占的空间较大。教师提出问题：假如不打开鸡蛋，用什么方法能知道鸡蛋里面的结构呢？让学生进行分组商量，按小组提出
3、试验方案：如摇摆、透视、称量、旋转等等。教师引导他们分析方案可行性，并让学生动手尝试。然后教师再次演示试验：将空鸡蛋放入盛水的玻璃器皿中，并引导学生仔细观看。竟然浮起来了！什么状况？这个现象激发了学生的好奇心，教师借此引导学生提出新的假设和猜测：绝大多数学生认为这只鸡蛋里面是空的。教师直接将鸡蛋打开：的确是一只空的鸡蛋！教师提出问题：对鸡蛋的探究，给了我们什么启示？教师引导学生一起归纳科学探究的一般过程：提出问题收集证据建构模型解释与论证沟通与商量得出结论。课题引人：回顾原子模型的科学探究历程。汤姆生原子模型的提出一百多年前，科学家们探究原子结构就是用这样的科学思维方法。世纪末时，人们还无法直
4、接通过试验探测原子内部的神秘，汤姆生在开尔文提出的原子实心带电球模型的基础上，猜测并通过试验发觉了电子，提出了汤姆生原子模型。汤姆生原子模型遇到的困难一种物理模型是否成立，须经得起试验的检验！汤姆生原子模型提出后不久，德国试验物理学家勒纳德年通过试验发觉电子束能穿透金属箔，他认为金属中的原子并不是一个正电荷匀称分布的实心球体。看来，汤姆生原子模型在解释这个试验现象时真正遇到了困难！那么，世纪末、世纪初，科学家又是用什么方法来进一步讨论原子内部信息的呢？卢瑟福粒子散射试验的理论根据世纪末，射线髙速粒子流、射线髙速电子流相继被发觉，而射线作为髙速粒子流由于其具有极高能量可以用于轰击金属，并通过其与
5、金属内的原子发生互相作用后粒子偏转状况来获得原子内部的信息。所谓“散射：指的是偏离了原来的运动方向而分开。卢瑟福正是利用这个重要的方法“碰撞的试验方法来讨论原子内部的结构。卢瑟福同盖革、马斯登在卡文迪许试验室英国剑桥大学的物理试验室内做了用高速飞行的粒子去轰击金箔的试验。卢瑟福粒子散射试验装置示意如图所示。射线：放射性物质如铀、铺、钋等释放出的髙速粒子流带单位正电荷的氦原子核，质量与电子质量之比约为：，其速度约为其中为真空中光速，。环节二：概括抽象，检验模型模型建立之后，要对模型进行分析、检验，并进步改良完善模型。以物理课堂教学为例，通过物理模型的有效建构来提升学生的物理思维品质，可遵循以下教
6、学结构模式：介绍粒子散射试验装置图及工作原理。动画模拟演示试验：粒子散射试验。提出问题，论证与沟通。沟通与商量：装置中的金箱厚约，若把金原子一层一层叠起来，将到达多层，但在金箔正后方，我们通过显微镜观看发觉绝大多数粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进。这说明了什么？极少数粒子的偏转甚至超过了，有的几乎到达，其缘由是什么？沟通与商量：汤姆生所预言的原子模型能否使粒子发生大角度的散射？教师通过引导学生对前两个问题的商量得出：汤姆生所预言的原子模型无法解释粒子散射试验的现象。沟通与商量：如图所示，卢瑟福估测试验结果：在汤姆生模型中不行能发生大角度散射，偏转角度大于的几率远小于，偏转角度大于的几率?阁约为
7、。这又说明了什么？卢瑟福通过试验观看到什么现象呢？小结：卢瑟福和他的团队通过不断改迸试验，对散射理论进行系统的试验讨论，并总结出所观看到的现象。教师结合动画展示如图所示的现象，并引导学生进行归纳得出结论。沟通与商量：粒子出现大角度散射是否是与电子碰撞造成的？分析：粒子相比电子具有相当大的质量和很大的动能质量约为电子的倍，速度约为？倍光速。以氢原子为例，电子绕核运动的速度约为，若粒子和电子相向碰撞，则两者动量之比为：。由碰撞的规律可知，只可能是电子的速度发生大的转变。沟通与商量：为什么会出现少数粒子发生大角度的散射？沟通与商量：为什么会出现极少数粒子偏转角超过了，有的甚至被反弹回来？教师引导学生
8、分析沟通与商量、两个问题，并得出结论：只有当正电荷集中在很小的一个区域形成原子核，并且粒子特别接近它时，才有可能因库仑斥力而发生大角度的偏转。沟通与商量：由以上商量，你可以得出什么结论？教师引导学生得出结论：“绝大多数粒子不偏转说明原子内部绝大部分是“空的，“少数粒子发生较大偏转，极少数粒子偏转角超过了，说明原子内部有“核存在，“有的甚至被弹回，说明作用力很大且质量大电量集中。教师通过设计以上七个渐渐递进的有关联的问题的沟通与商量，引导学生一步一步得出结论，从而否认汤姆生的原子模型。这样一步一步的科学探究，对培育学生的规律推理能力和分析能力起到了特别重要的作用。环节三：归纳对比，完善模型卢瑟福
9、的核式结构模型的建立多媒体电脑模拟卢瑟福和他的助手们经过大量的试验发觉了粒子大角度散射的现象，并对该现象进行了统计和数学推算，发觉根本无法用汤姆生的原子模型和散射理论去解释。从而卢瑟福提出了原子的核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间绕着核旋转。教师引导学生尝试用卢瑟福的原子核式结构模型去解释粒子散射试验现象，同时通过动画模拟和课件展示核式结构模型，给学生有一个更直观的感性认识。原子、原子核的直径和质量比较见表由表可以看出，原子的直径约是原子核的一万到十万倍之间，体积更是到达倍。可见原子内部是十分“空旷的，难
10、怪粒子击中原子核的几率是特别小的！举例说明：我校田径场标准跑道面积大约，假如看成圆形的，则圆形的直径约为，设想把这个直径看作原子的直径，试估算原子核对应的直径约为多少？已知原子的直径数量级为。，原子核的直径数量级为引导学生近似计算，求得：？。教师桌示足球、鸡蛋、硬币实物及图所示已知尺寸的物件，让学生通过比对，感知原子核的大小。通过比对可知，原子核的尺寸，相当于大田径场正中央放上一颗小螺钉横截面尺寸。说明原子核是多么的小！环节四：变式迁移，应用模型试商量：若粒子与金原子核发生对心弹性碰撞时，粒子以接近角返回。能否据此信息估算出原子核的直径？已知电荷之间电势能建立模型：假定原子核静止不动，粒子以肯
11、定的初动能接近原子核，到达离原子核的最小距离时，初动能完全转变为原子核电场中的电势能，然后在粒子与原子核正电荷的排斥作用下以接近角返回。若粒子初速度为，粒子的质量为叫乂一，金的原子序数，试求粒子接近核的最小距离为。结束语“原子的核式结构模型这节课是高中原子物理的重要内容只有充分挖掘教材，才能更好地培育学生的建模能力和科学思维能力。让学生在把握相关学问的同时，通过创设情境，建立模型去讨论物理问题，使物理中许多抽象的概念、规律以显性的感性认识呈现出来，从而培育学生科学思维的正确性和深刻性。参考文献中华人民共和国教育部一般高中物理课程标准年版北京：人民教育出版社，：刘岳衡简析一组与原子物理有关的信息题数理化学习高中版，：王耀辉主体间性提升学生潜质的途径物理通报，：刘继才物理试验在物理学进展中的地位和作用山东教育，： 江小安 罗钟 单位：福建省泰宁第一中学福建 福建省三明第一中学本文来源：网络收集与整理，如有侵权，请联系作者删除，谢谢！第9页 共9页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页