摘要：筆者在講授盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型、玻爾原子能級(jí)結(jié)構(gòu)模型和分子間相互作用力等微觀模型時(shí)利用宏觀模型進(jìn)行類比，可以有效地突破難點(diǎn)，收到很好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：微觀問(wèn)題宏觀化;盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型;玻爾原子能級(jí)結(jié)構(gòu)模型;分子間相互作用力

中圖分類號(hào)：G633.7 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：1992-7711（2019）03-0118

高中物理課本選修3-4和選修3-5主要內(nèi)容是分子動(dòng)理論、原子物理和原子核物理等，這些內(nèi)容涉及的都是微觀物質(zhì)世界的規(guī)律，因?yàn)槲⒂^的規(guī)律很難通過(guò)日常生活經(jīng)驗(yàn)獲得，所以這些章節(jié)的內(nèi)容對(duì)高中生來(lái)說(shuō)比較抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)困難較大。筆者試圖將一些微觀模型與宏觀模型做類比，化微觀為宏觀，在實(shí)際教學(xué)中起到了很好的教學(xué)效果。

一、盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型類比天體運(yùn)動(dòng)模型

在盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型中，電子在庫(kù)侖力的作用下圍繞原子核做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中很難理解原子內(nèi)部的能量，其實(shí)，核式結(jié)構(gòu)模型與天體運(yùn)動(dòng)模型非常類似，在教學(xué)過(guò)程中，我們可以加以類比。

根據(jù)盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型，電子的軌道半徑越大，原子的能量就越高，原子的能量可以連續(xù)取值。當(dāng)然我們大家都知道盧瑟福的結(jié)論與實(shí)驗(yàn)事實(shí)是不相符的，通過(guò)觀察氫原子光譜我們發(fā)現(xiàn)氫原子光譜是線狀光譜，不是連續(xù)光譜。因此才有了玻爾的能級(jí)結(jié)構(gòu)模型。

二、彈簧模型類比玻爾的原子模型

在解釋氫原子光譜的問(wèn)題上，盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型遇到了困難，因?yàn)闅湓拥陌l(fā)射光譜是線狀光譜，也就是說(shuō)光子的能量是量子化的，在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生很難想到線狀光譜和原子能量量子化之間的關(guān)系，筆者在教學(xué)過(guò)程中嘗試先從分析一個(gè)彈簧模型開始。

如圖1：光滑水平桌面上一塊黑布遮住了一個(gè)特殊的裝置，這個(gè)裝置可以把滑塊彈出，從這個(gè)裝置中彈出的滑塊的速度只能取一系列的分立的值，而不能連續(xù)取值，請(qǐng)同學(xué)們猜想黑布后面是什么樣的裝置。這時(shí)學(xué)生會(huì)猜出很多答案，這時(shí)可以追問(wèn)為什么滑塊的速度只能取分立的值，在學(xué)生經(jīng)過(guò)充分思考，并展示出多種答案后，我們將圖2展示給學(xué)生。

如圖2，一根彈簧一端固定在墻上，在幾個(gè)特殊的位置有幾根釘子，通過(guò)這幾根釘子，我們可以把彈簧壓縮到這幾個(gè)特殊的位置上，例如，壓縮彈簧到第一根釘子的位置，然后拔出釘子，彈簧彈開將滑塊彈出，滑塊獲得速度v1，壓縮彈簧到第二根釘子的位置，然后拔出釘子，彈簧彈開將滑塊彈出，滑塊獲得速度v2，以此類推，滑塊獲得的速度只能取v1、v2、v3這些分立的值而不能連續(xù)取值，因?yàn)獒斪拥淖饔?，彈簧的彈性?shì)能是量子化的，所以彈出的滑塊的動(dòng)能也是量子化的。

接下來(lái)，讓學(xué)生類比這個(gè)彈簧裝置彈出滑塊的過(guò)程和氫原子發(fā)光的過(guò)程有哪些相同點(diǎn)，學(xué)生很容易回答出彈出的滑塊相當(dāng)于氫原子發(fā)出的光子，整個(gè)裝置相當(dāng)于發(fā)光的氫原子，這時(shí)我們?cè)偬岢鰟偛诺哪莻€(gè)問(wèn)題：氫原子發(fā)出的線狀光譜意味著氫原子的能量有什么特點(diǎn)？學(xué)生很快就能回答出氫原子的能量和彈簧的彈性勢(shì)能是類似的，也應(yīng)該是量子化的。接下來(lái)再給學(xué)生介紹玻爾的原子理論就順理成章，學(xué)生也易于接受了。同時(shí)通過(guò)與盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型相比較，我們也很容易得出軌道量子化等概念。

三、分子間相互作用模型類比彈簧模型

我們知道，兩個(gè)分子間的相互作用力既有引力又有斥力，當(dāng)兩個(gè)分子間的距離大于平衡距離r0時(shí)，兩分子間的作用力以引力為主，當(dāng)兩分子間的距離小于r0時(shí)，兩分子間的相互作用力以斥力為主，當(dāng)兩個(gè)分子從距離無(wú)窮遠(yuǎn)處接近時(shí)，分子間的作用力先是引力，后是斥力，分子間相互作用力先做正功后做負(fù)功，對(duì)應(yīng)分子間的分子勢(shì)能先減小后增加，我們可以把這一過(guò)程與經(jīng)典力學(xué)的彈簧模型相類比。

如圖3，光滑水平面上有兩個(gè)小球，中間通過(guò)彈簧相連接，我們知道，當(dāng)彈簧處于原長(zhǎng)狀態(tài)時(shí)，彈簧兩端的拉力是零，當(dāng)彈簧處于伸長(zhǎng)狀態(tài)時(shí)，兩端提供方向向里的拉力;當(dāng)彈簧處于壓縮狀態(tài)時(shí)，彈簧兩端產(chǎn)生方向向外的彈力，我們假設(shè)有兩個(gè)物體在彈簧拉力作用下從距離大于的r0位置開始接近，開始時(shí)彈簧的拉力方向向里，對(duì)兩端的小球做正功，對(duì)應(yīng)彈簧的彈性勢(shì)能減少，當(dāng)兩個(gè)小球距離小于r0時(shí)，彈簧的彈力方向向外，對(duì)兩端的小球做負(fù)功，對(duì)應(yīng)彈簧的彈性勢(shì)能增加。我們發(fā)現(xiàn)，彈簧模型中兩個(gè)小球受到的彈力與分子模型中兩個(gè)分子間的力有相似之處。在彈簧模型中兩個(gè)小球距離大于彈簧原長(zhǎng)時(shí)兩個(gè)小球受到方向向里的拉力，相當(dāng)于兩個(gè)分子間距離小于r0時(shí)，分子間相互作用力體現(xiàn)為引力;彈簧模型中兩個(gè)小球距離小于彈簧原長(zhǎng)時(shí)兩個(gè)小球受到的方向向外的彈力，相當(dāng)于兩個(gè)分子間距離大于r0時(shí)，分子間相互作用力體現(xiàn)為斥力。彈簧模型中兩個(gè)小球從距離較遠(yuǎn)處接近的過(guò)程，彈簧彈力做正功、彈簧彈性勢(shì)能減小，相當(dāng)于兩個(gè)分子間距離從大于r0的位置開始接近的過(guò)程，分子間引力做正功、分子間的勢(shì)能減小;彈簧模型中，兩個(gè)小球從距離小于原長(zhǎng)處接近的過(guò)程，彈簧彈力做負(fù)功、彈簧彈性勢(shì)能增加，相當(dāng)于兩個(gè)分子間距離從小于r0的位置開始接近的過(guò)程，分子間斥力做負(fù)功、分子間的勢(shì)能增加。通過(guò)類比彈簧模型，學(xué)生可以更好地理解如圖4所示的分子間作用力和分子勢(shì)能曲線。

通過(guò)類比宏觀模型，教師可以把抽象難懂的微觀問(wèn)題轉(zhuǎn)化為宏觀的易懂的問(wèn)題，從而掃除學(xué)生在學(xué)習(xí)原子物理分子物理等微觀問(wèn)題的障礙。

作者簡(jiǎn)介：曾奇，1983年出生，任教于中山市中山紀(jì)念中學(xué)，曾獲第十屆全國(guó)青年物理教師教學(xué)比賽二等獎(jiǎng)，首屆廣東省青年教師教學(xué)能力大賽一等獎(jiǎng)第一名，北京大學(xué)碩士。

注：基金項(xiàng)目：廣東省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃立項(xiàng)課題“基于科學(xué)思維培養(yǎng)的物理課堂教學(xué)研究”（課題批準(zhǔn)號(hào)：2017YQJK175）階段性成果。

（作者單位：廣東省中山市中山紀(jì)念中學(xué) 528454）