基于核心素养培养的高中物理教学——“电子的发现”课堂实录与思考

戴婷婷

(宁波市慈湖中学　浙江 宁波　315031)

高中物理学科4个方面的核心素养，在“电子的发现”这一课中，对学生观念的形成、思维的提升、实验的探究以及科学的态度养成具有重要的促进作用．在以往对本节的教学，往往一带而过，或自学，或做练习，失去了本节教材对学生核心素养的培养．本节课的教学设计思想为：通过史料和实验观察说明阴极射线的存在，接着对阴极射线的本质进行猜测：电磁辐射？带电微粒？然后利用所学的电磁学知识对阴极射线是否是带电微粒进行论证来认识阴极射线的本质，其后和汤姆孙共同参与设计电子比荷测定方案，并给出阴极射线的比荷的表达式．介绍汤姆孙对不同材料的阴极做实验，所得比荷的数值都相同，通过进一步对其他现象研究(光电效应、热离子发射、β射线)，得出电子是所有原子的组成部分．最后介绍密立根的油滴实验比较精确地测出了电子的电荷量．

这节课的内容丰富，既有史料和实验，又有理论推导，通过电子的发现过程，体会人类对原子的认识和研究经历了一个辩证发展的过程．

1　课前准备

课程背景分析.本节课是选修3-5第十八章“原子结构”的第1节．前一章，已经介绍了关于微观粒子运动规律的量子力学理论的内容，选修3-2模块已经介绍了全部的电磁学的基础知识．电子的发现属于近代物理学的内容，由阴极射线和电子的发现两部分内容组成，重点是电子的发现过程蕴含的科学方法．

学生情况分析.学生对电子的发现过程是知之甚少，很多学生会疑问“什么是阴极射线？它存在吗？它是怎样产生的？”的问题，回忆在研究磁场对运动电荷的作用力时，接触过阴极射线，并且可以演示阴极射线管实验，重现普吕克尔实验的现象．其次，学生的电磁学知识的应用能力比较薄弱，特别是碰到真实的物理情境时，往往无从下手，所以在这节课中，创设情境，激发兴趣，实验探究，追寻这段始终贯穿着思考—假设—实验—解释—争论—再实验, 不断改进, 不断提高的探索历史，能从中得到有益的启示．

2　课堂实录

2.1　引入新课

教师：19世纪是电磁学大发展的时期, 到七、八十年代发电机、电动机和变压器的出现，电气工业开始有了极大的发展，但是漏电现象严重，虽然电火花是一瞬间，如果满足条件的话，这一瞬间可以永恒，于是电气照明吸引了许多科学家的注意，问题涉及低压气体放电现象，于是，人们竞相研究与低压气体放电现象有关的问题．

演示实验：用气体放电管展示通电后气体发光情况(图1)，现象明显，学生兴趣浓厚．

师生讨论，解释原因：气体分子在高压电场下可以发生电离，使本来不带电的空气分子变成具有等量正、负电荷的带电粒子，使不导电的空气变成导体．科学家在研究气体导电时发现了辉光放电现象．

2.2　新课教学

教师演示实验：演示低压气体放电实验．

学生观察：看到了玻璃管壁上淡淡的荧光及管中十字金属片在玻璃壁上的影……

教师：在1858年德国物理学家J·普吕克尔利用低压气体放电管研究气体放电实验发现, 在对着阴极的玻璃管壁上出现了绿色的荧光．如果把磁铁放在放电管附近, 荧光斑就随着磁铁的移动而改变位置．

1876年德国物理学家戈德斯坦研究辉光放电现象时认为这是从阴极发出的某种射线引起的．所以他把这种未知射线命名为阴极射线．

教师演示实验：阴极射线管接高压放出阴极射线.

(a)

(b)

教师：对于阴极射线的本质，有大量的科学家做出大量的科学研究，主要形成了两种观点．

(1)电磁波说：代表人物，赫兹．认为这种射线的本质是一种电磁波的传播过程．

(2)粒子说：代表人物，汤姆孙．认为这种射线的本质是一种高速粒子流．

思考与讨论：你能否设计一个实验来进行阴极射线的研究，能通过实验现象来说明这种射线是一种电磁波还是一种带电粒子流．

提示：如果你认为这是一种电磁波，应该出现什么样的现象．如果你认为这是带电粒子流，应该出现什么样的现象，并能否测定这是一种什么粒子．

学生：可以让射线通过电场，如果发生偏转的说明该射线是带电粒子，不发生偏转的说明是电磁波．

学生：还可以让射线通过磁场，如果发生偏转的说明该射线是带电粒子，不发生偏转的说明是电磁波．

教师：英国物理学家J·J·汤姆孙也是这么认为的，汤姆孙为了证明阴极射线是带电粒子流，从1890年起，他进行了一系列实验研究．介绍气体放电管：由阴极K 发出的带电粒子通过小孔A，B 形成一束细细的射线．它穿过两片平行的金属板D1，D2之间的空间，到达右端带有标尺的荧光屏上．

图3　气体放电管原理图

学生分组活动一：如果你是阴极射线是带电粒子流的支持者，根据“思考与讨论”的提示，设计计算阴极射线微粒的比荷的方法，并画出示意图．

学生活动约3 min.

讨论以下几个问题：

(1)如果未加电场和磁场时，阴极射线做什么运动？

(2)加电场、未加磁场时，阴极射线做什么运动？

(3)加磁场、未加电场时，阴极射线做什么运动？

学生：未加电场和磁场时；阴极射线不受力，做匀速直线运动到P1；

加电场、未加磁场；阴极射线只受电场力，做类平抛运动；当在平行板间加上如图所示的电场，发现阴极射线打在荧光屏上的位置向下偏，则可判定，阴极射线带有负电荷；

加磁场、未加电场时，阴极射线只受洛伦兹力作用，做匀速圆周运动．

学生活动约3 min.

学生讨论：撤去电场，只留下磁场时，利用磁场使带电的阴极射线发生偏转，能否根据磁场的特点和带电粒子在磁场中的运动规律来计算阴极射线的比荷？

学生：只存在磁场的情况下，偏转圆弧为圆周运动一部分，出磁场后成匀速直线运动，根据有关几何知识，我们一定是可以求出带电粒子圆周运动的半径r的．

教师：如何测出阴极射线的运动速度？

学生：可以在两极板D1和D2间加匀强电场和匀强磁场，在平行板间产生竖直向上的电场E,在垂直电场向外的方向上加一磁场B，阴极射线受库仑力和洛伦兹力，通过适当地调整电场、磁场的强度，可使其做匀速直线运动，可以测出速度大小.

则电场力和磁场力平衡时满足

qvB=qE

即

学生活动约5 min.推导阴极射线比荷的表达式.

如果撤去电场E, 保留磁场B, 粒子满足

即

图4　几何量之间的关系

参看图4，再由几何知识

(1)

(2)

利用 式(1)、(2)解出r即可.

学生分组活动二：我们能不能换个思路，换个方法，研究带电粒子在电场中的偏转从而得到关于带电粒子的比荷呢？

图5　变换方法

测量阴极射线的速度的方法同上.

学生活动约5 min.推导阴极射线比荷的表达式.

小组讨论，派代表上黑板交流方案.

分析偏转为类平抛，写出类平抛表达式.

教师引导分析:

引导分析y是不易直接测量的,而Y则是可直接测量的，如何从Y得到y?

由电场速度关系和图6的几何知识联立方程

图6　引导分析Y可直接测量

解得

自学指导：阅读教材49页：介绍汤姆孙对不同材料的阴极做实验，所得比荷的数值都相同，然后进一步对其他现象研究(光电效应、热离子发射、β射线)，得出电子是所有原子的组成部分．

师：介绍密立根实验的原理和结果.

密立根测量出电子的电量

e=1.6022×10-19C

根据比荷，可以精确地计算出电子的质量

m=9.109 4×10-31kg

质子质量与电子质量的比值

课堂教学思考：

本节课紧紧围绕着汤姆孙发现电子的过程展开，首先利用气体放电管发光和阴极射线管的实验，激发学生的兴趣，解决了学生心中“阴极射线”是否存在的疑问，为进一步探索阴极射线的本质是什么做好了准备．在探索阴极射线本质的过程中，学生成功地列举出了解决方案；计算带电粒子比荷的过程中，加强师生互动，利用小组讨论，让学生讲述自己的观点，自我评价，很好地培养了学生分析问题和解决问题的能力．课本教材让学生自主学习，课堂教学中始终展示了科学家们锲而不舍的探索精神和惊人的科学胆识, 一旦抓住了有希望的线索, 就追根究底, 积极尝试, 进而导致了观念上的更新和科学上的重要发现，给学生留下深刻的印象．