王蓓

摘 要：本文將原子比作一個“黑箱”，通過觀察高能粒子的輸入、輸出及其動態(tài)過程，探索其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機理以及對它作出功能特性、行為方式的研究。

關(guān)鍵詞：高中物理；黑箱；原子；核式結(jié)構(gòu)模型；思維發(fā)展

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）10-0041-3

什么是“黑箱”？黑箱（Black Box）作為一個科學概念，是指其內(nèi)部結(jié)構(gòu)尚不能夠或不便于直接觀察，而只能從外部去認識的現(xiàn)實系統(tǒng)。黑箱理論的出發(fā)點在于：自然界中不存在孤立的事物，所有事物都是相互作用、相互聯(lián)系的[2]。所以，即使我們不清楚“黑箱”的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，僅注意到它對于信息刺激作出的相應反應，注意到它的輸入-輸出關(guān)系，就可探索其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機理以及對它作出功能特性、行為方式的研究。

在高中物理電學、光學部分也有關(guān)于“黑箱”的知識，例如：用多用電表探索黑箱內(nèi)的電學元件，確定黑箱內(nèi)可能存在的光學元件及組合方式。

筆者借用“黑箱”這個模型以及黑箱理論，開展對高中原子物理的探究性教學。

1 猜想假設 棗糕模型

在湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子之后，對于原子中正負電荷如何分布的問題，科學家們提出了許多模型。其中較有影響的是湯姆孫本人于1898年提出的“棗糕模型”。[1]他認為，原子是一個球體，正電荷彌漫性地均勻分布在整個球體內(nèi)，電子鑲嵌其中（如圖1所示）。但這個模型僅僅出自于湯姆孫的猜想假設。

2 分析探究 黑箱理論

原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)我們無法用肉眼直接觀察，但自然界中不存在孤立的事物，所有事物都是相互作用、相互聯(lián)系的。根據(jù)這一特點，我們可以將原子比作一個“黑箱”，并用黑箱理論去分析研究原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，步驟如下（如表1所示）：

（1）信息的輸入：用高能粒子射入黑箱，對黑箱施加影響。

（2）信息的輸出：黑箱對高能粒子作出的反應。

（3）系統(tǒng)的分析：綜合處理輸入與輸出的信息，猜想黑箱內(nèi)部的可能結(jié)構(gòu)模型。

（4）驗證與控制：對結(jié)果進行驗證和實現(xiàn)對黑箱的控制。

3 實驗論證 核式結(jié)構(gòu)

盧瑟福想借助黑箱理論推測原子內(nèi)部電荷和質(zhì)量的分布情況，從而驗證湯姆孫的猜想。采用高能的α粒子轟擊金箔進行實驗（如圖2所示），但實驗結(jié)果令人震驚。實驗發(fā)現(xiàn)： 1.絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后基本上仍沿原來的方向前進；2.少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)；3.極少數(shù)α粒子的偏轉(zhuǎn)角甚至大于90 °，也就是說它們幾乎被“撞了回來” [1]。根據(jù)以上表格中的分析，得知“黑箱”內(nèi)裝的并不是“棗糕”。

根據(jù)α粒子散射實驗圖景（如圖3所示），盧瑟福于1911年提出了原子結(jié)構(gòu)模型。他設想：原子中有塊體積很小的區(qū)域，但集中了全部正電荷和幾乎全部的質(zhì)量——原子核，帶負電的電子繞原子核旋轉(zhuǎn)（如圖4所示），該模型命名為“核式結(jié)構(gòu)模型”。盧瑟福并以這個模型為依據(jù)，利用經(jīng)典力學計算了向各個方向散射的α粒子的比例，結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)符合得很好。

4 拓展提升 強化思維

在高中原子物理的教學中，黑箱理論從綜合的角度為學生提供了一條認識事物的重要途徑，尤其對某些內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復雜的系統(tǒng)，對迄今為止人們的力量尚不能分解的系統(tǒng)，黑箱理論提供的研究方法是非常有效的（如表2所示）。

將未知事物比作“黑箱”，從整體出發(fā)，從互相聯(lián)系中認識事物。這樣既促進了學生思維活躍性的提升，又使知識的學習過程充分地內(nèi)化為分析、思考、探究的自主認知過程，符合學生學習的心理發(fā)展規(guī)律。

伽利略對自由落體運動研究的方法開拓了人類科學思維方式和科學研究的方法，從而打開了近代科學的大門?！皬恼w出發(fā)，從互相聯(lián)系中認識事物”的“黑箱”思維方法與現(xiàn)代科學技術(shù)緊密結(jié)合，這在科學方法上是一個突破。黑箱理論對問題的處理不僅在物理學，對其他學科研究乃至于日常生活中都有著極其重要的指導意義。

參考文獻：

[1]林軍.淺析高中物理中“黑箱”的識別方法[J].新時代的腳步聲，2002（4）：169—175.

[2]人民教育出版社，課程材料中心，普通課程材料研究開發(fā)中心.普通高中課程標準教科書物理·選修3-5（2010版） [M].北京：人民教育出版社，2015.