戴婷婷

(寧波市慈湖中學(xué)　浙江 寧波　315031)

高中物理學(xué)科4個(gè)方面的核心素養(yǎng)，在“電子的發(fā)現(xiàn)”這一課中，對(duì)學(xué)生觀念的形成、思維的提升、實(shí)驗(yàn)的探究以及科學(xué)的態(tài)度養(yǎng)成具有重要的促進(jìn)作用．在以往對(duì)本節(jié)的教學(xué)，往往一帶而過(guò)，或自學(xué)，或做練習(xí)，失去了本節(jié)教材對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)．本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)思想為：通過(guò)史料和實(shí)驗(yàn)觀察說(shuō)明陰極射線的存在，接著對(duì)陰極射線的本質(zhì)進(jìn)行猜測(cè)：電磁輻射？帶電微粒？然后利用所學(xué)的電磁學(xué)知識(shí)對(duì)陰極射線是否是帶電微粒進(jìn)行論證來(lái)認(rèn)識(shí)陰極射線的本質(zhì)，其后和湯姆孫共同參與設(shè)計(jì)電子比荷測(cè)定方案，并給出陰極射線的比荷的表達(dá)式．介紹湯姆孫對(duì)不同材料的陰極做實(shí)驗(yàn)，所得比荷的數(shù)值都相同，通過(guò)進(jìn)一步對(duì)其他現(xiàn)象研究(光電效應(yīng)、熱離子發(fā)射、β射線)，得出電子是所有原子的組成部分．最后介紹密立根的油滴實(shí)驗(yàn)比較精確地測(cè)出了電子的電荷量．

這節(jié)課的內(nèi)容豐富，既有史料和實(shí)驗(yàn)，又有理論推導(dǎo)，通過(guò)電子的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，體會(huì)人類對(duì)原子的認(rèn)識(shí)和研究經(jīng)歷了一個(gè)辯證發(fā)展的過(guò)程．

1　課前準(zhǔn)備

課程背景分析.本節(jié)課是選修3-5第十八章“原子結(jié)構(gòu)”的第1節(jié)．前一章，已經(jīng)介紹了關(guān)于微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的量子力學(xué)理論的內(nèi)容，選修3-2模塊已經(jīng)介紹了全部的電磁學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)．電子的發(fā)現(xiàn)屬于近代物理學(xué)的內(nèi)容，由陰極射線和電子的發(fā)現(xiàn)兩部分內(nèi)容組成，重點(diǎn)是電子的發(fā)現(xiàn)過(guò)程蘊(yùn)含的科學(xué)方法．

學(xué)生情況分析.學(xué)生對(duì)電子的發(fā)現(xiàn)過(guò)程是知之甚少，很多學(xué)生會(huì)疑問(wèn)“什么是陰極射線？它存在嗎？它是怎樣產(chǎn)生的？”的問(wèn)題，回憶在研究磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力時(shí)，接觸過(guò)陰極射線，并且可以演示陰極射線管實(shí)驗(yàn)，重現(xiàn)普呂克爾實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象．其次，學(xué)生的電磁學(xué)知識(shí)的應(yīng)用能力比較薄弱，特別是碰到真實(shí)的物理情境時(shí)，往往無(wú)從下手，所以在這節(jié)課中，創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)興趣，實(shí)驗(yàn)探究，追尋這段始終貫穿著思考—假設(shè)—實(shí)驗(yàn)—解釋—爭(zhēng)論—再實(shí)驗(yàn), 不斷改進(jìn), 不斷提高的探索歷史，能從中得到有益的啟示．

2　課堂實(shí)錄

2.1　引入新課

教師：19世紀(jì)是電磁學(xué)大發(fā)展的時(shí)期, 到七、八十年代發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和變壓器的出現(xiàn)，電氣工業(yè)開(kāi)始有了極大的發(fā)展，但是漏電現(xiàn)象嚴(yán)重，雖然電火花是一瞬間，如果滿足條件的話，這一瞬間可以永恒，于是電氣照明吸引了許多科學(xué)家的注意，問(wèn)題涉及低壓氣體放電現(xiàn)象，于是，人們競(jìng)相研究與低壓氣體放電現(xiàn)象有關(guān)的問(wèn)題．

演示實(shí)驗(yàn)：用氣體放電管展示通電后氣體發(fā)光情況(圖1)，現(xiàn)象明顯，學(xué)生興趣濃厚．

師生討論，解釋原因：氣體分子在高壓電場(chǎng)下可以發(fā)生電離，使本來(lái)不帶電的空氣分子變成具有等量正、負(fù)電荷的帶電粒子，使不導(dǎo)電的空氣變成導(dǎo)體．科學(xué)家在研究氣體導(dǎo)電時(shí)發(fā)現(xiàn)了輝光放電現(xiàn)象．

2.2　新課教學(xué)

教師演示實(shí)驗(yàn)：演示低壓氣體放電實(shí)驗(yàn)．

學(xué)生觀察：看到了玻璃管壁上淡淡的熒光及管中十字金屬片在玻璃壁上的影……

教師：在1858年德國(guó)物理學(xué)家J·普呂克爾利用低壓氣體放電管研究氣體放電實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 在對(duì)著陰極的玻璃管壁上出現(xiàn)了綠色的熒光．如果把磁鐵放在放電管附近, 熒光斑就隨著磁鐵的移動(dòng)而改變位置．

1876年德國(guó)物理學(xué)家戈德斯坦研究輝光放電現(xiàn)象時(shí)認(rèn)為這是從陰極發(fā)出的某種射線引起的．所以他把這種未知射線命名為陰極射線．

教師演示實(shí)驗(yàn)：陰極射線管接高壓放出陰極射線.

(a)

(b)

教師：對(duì)于陰極射線的本質(zhì)，有大量的科學(xué)家做出大量的科學(xué)研究，主要形成了兩種觀點(diǎn)．

(1)電磁波說(shuō)：代表人物，赫茲．認(rèn)為這種射線的本質(zhì)是一種電磁波的傳播過(guò)程．

(2)粒子說(shuō)：代表人物，湯姆孫．認(rèn)為這種射線的本質(zhì)是一種高速粒子流．

思考與討論：你能否設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行陰極射線的研究，能通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)說(shuō)明這種射線是一種電磁波還是一種帶電粒子流．

提示：如果你認(rèn)為這是一種電磁波，應(yīng)該出現(xiàn)什么樣的現(xiàn)象．如果你認(rèn)為這是帶電粒子流，應(yīng)該出現(xiàn)什么樣的現(xiàn)象，并能否測(cè)定這是一種什么粒子．

學(xué)生：可以讓射線通過(guò)電場(chǎng)，如果發(fā)生偏轉(zhuǎn)的說(shuō)明該射線是帶電粒子，不發(fā)生偏轉(zhuǎn)的說(shuō)明是電磁波．

學(xué)生：還可以讓射線通過(guò)磁場(chǎng)，如果發(fā)生偏轉(zhuǎn)的說(shuō)明該射線是帶電粒子，不發(fā)生偏轉(zhuǎn)的說(shuō)明是電磁波．

教師：英國(guó)物理學(xué)家J·J·湯姆孫也是這么認(rèn)為的，湯姆孫為了證明陰極射線是帶電粒子流，從1890年起，他進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)研究．介紹氣體放電管：由陰極K 發(fā)出的帶電粒子通過(guò)小孔A，B 形成一束細(xì)細(xì)的射線．它穿過(guò)兩片平行的金屬板D1，D2之間的空間，到達(dá)右端帶有標(biāo)尺的熒光屏上．

圖3　氣體放電管原理圖

學(xué)生分組活動(dòng)一：如果你是陰極射線是帶電粒子流的支持者，根據(jù)“思考與討論”的提示，設(shè)計(jì)計(jì)算陰極射線微粒的比荷的方法，并畫(huà)出示意圖．

學(xué)生活動(dòng)約3 min.

討論以下幾個(gè)問(wèn)題：

(1)如果未加電場(chǎng)和磁場(chǎng)時(shí)，陰極射線做什么運(yùn)動(dòng)？

(2)加電場(chǎng)、未加磁場(chǎng)時(shí)，陰極射線做什么運(yùn)動(dòng)？

(3)加磁場(chǎng)、未加電場(chǎng)時(shí)，陰極射線做什么運(yùn)動(dòng)？

學(xué)生：未加電場(chǎng)和磁場(chǎng)時(shí)；陰極射線不受力，做勻速直線運(yùn)動(dòng)到P1；

加電場(chǎng)、未加磁場(chǎng)；陰極射線只受電場(chǎng)力，做類平拋運(yùn)動(dòng)；當(dāng)在平行板間加上如圖所示的電場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)陰極射線打在熒光屏上的位置向下偏，則可判定，陰極射線帶有負(fù)電荷；

加磁場(chǎng)、未加電場(chǎng)時(shí)，陰極射線只受洛倫茲力作用，做勻速圓周運(yùn)動(dòng)．

學(xué)生活動(dòng)約3 min.

學(xué)生討論：撤去電場(chǎng)，只留下磁場(chǎng)時(shí)，利用磁場(chǎng)使帶電的陰極射線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，能否根據(jù)磁場(chǎng)的特點(diǎn)和帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)計(jì)算陰極射線的比荷？

學(xué)生：只存在磁場(chǎng)的情況下，偏轉(zhuǎn)圓弧為圓周運(yùn)動(dòng)一部分，出磁場(chǎng)后成勻速直線運(yùn)動(dòng)，根據(jù)有關(guān)幾何知識(shí)，我們一定是可以求出帶電粒子圓周運(yùn)動(dòng)的半徑r的．

教師：如何測(cè)出陰極射線的運(yùn)動(dòng)速度？

學(xué)生：可以在兩極板D1和D2間加勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)，在平行板間產(chǎn)生豎直向上的電場(chǎng)E,在垂直電場(chǎng)向外的方向上加一磁場(chǎng)B，陰極射線受庫(kù)侖力和洛倫茲力，通過(guò)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整電場(chǎng)、磁場(chǎng)的強(qiáng)度，可使其做勻速直線運(yùn)動(dòng)，可以測(cè)出速度大小.

則電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力平衡時(shí)滿足

qvB=qE

即

學(xué)生活動(dòng)約5 min.推導(dǎo)陰極射線比荷的表達(dá)式.

如果撤去電場(chǎng)E, 保留磁場(chǎng)B, 粒子滿足

即

圖4　幾何量之間的關(guān)系

參看圖4，再由幾何知識(shí)

(1)

(2)

利用 式(1)、(2)解出r即可.

學(xué)生分組活動(dòng)二：我們能不能換個(gè)思路，換個(gè)方法，研究帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)從而得到關(guān)于帶電粒子的比荷呢？

圖5　變換方法

測(cè)量陰極射線的速度的方法同上.

學(xué)生活動(dòng)約5 min.推導(dǎo)陰極射線比荷的表達(dá)式.

小組討論，派代表上黑板交流方案.

分析偏轉(zhuǎn)為類平拋，寫(xiě)出類平拋表達(dá)式.

教師引導(dǎo)分析:

引導(dǎo)分析y是不易直接測(cè)量的,而Y則是可直接測(cè)量的，如何從Y得到y(tǒng)?

由電場(chǎng)速度關(guān)系和圖6的幾何知識(shí)聯(lián)立方程

圖6　引導(dǎo)分析Y可直接測(cè)量

解得

自學(xué)指導(dǎo)：閱讀教材49頁(yè)：介紹湯姆孫對(duì)不同材料的陰極做實(shí)驗(yàn)，所得比荷的數(shù)值都相同，然后進(jìn)一步對(duì)其他現(xiàn)象研究(光電效應(yīng)、熱離子發(fā)射、β射線)，得出電子是所有原子的組成部分．

師：介紹密立根實(shí)驗(yàn)的原理和結(jié)果.

密立根測(cè)量出電子的電量

e=1.6022×10-19C

根據(jù)比荷，可以精確地計(jì)算出電子的質(zhì)量

m=9.109 4×10-31kg

質(zhì)子質(zhì)量與電子質(zhì)量的比值

課堂教學(xué)思考：

本節(jié)課緊緊圍繞著湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子的過(guò)程展開(kāi)，首先利用氣體放電管發(fā)光和陰極射線管的實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的興趣，解決了學(xué)生心中“陰極射線”是否存在的疑問(wèn)，為進(jìn)一步探索陰極射線的本質(zhì)是什么做好了準(zhǔn)備．在探索陰極射線本質(zhì)的過(guò)程中，學(xué)生成功地列舉出了解決方案；計(jì)算帶電粒子比荷的過(guò)程中，加強(qiáng)師生互動(dòng)，利用小組討論，讓學(xué)生講述自己的觀點(diǎn)，自我評(píng)價(jià)，很好地培養(yǎng)了學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力．課本教材讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，課堂教學(xué)中始終展示了科學(xué)家們鍥而不舍的探索精神和驚人的科學(xué)膽識(shí), 一旦抓住了有希望的線索, 就追根究底, 積極嘗試, 進(jìn)而導(dǎo)致了觀念上的更新和科學(xué)上的重要發(fā)現(xiàn)，給學(xué)生留下深刻的印象．