基于核心素养的高中原子物理模拟实验设计研究

【摘要】在学习高中原子物理内容过程中，受实验条件所限，教师很难把原子物理中的相关实验展示给学生，一般采用图片或者动画的形式呈现给学生，但不够直观，在培养学生的科学思维和物理观念方面效果不理想。借助实验室的器材以及生活用品模拟出原子物理中的几个重要物理过程对高中原子物理教学非常迫切和必要。

【关键词】结合能;裂变;聚变;链式反应

作者简介：朱吴军（1978.09-），男，浙江省杭州市富阳区第二中学，中级教师。

2020年1月开始实施的《浙江省普通高校招生选考科目考试说明》（以下简称《说明》）中高中物理关于结合能、裂变、聚变节内容考试要求是c级要求。在《说明》中，c级要求为简单应用，指能将物理事实、现象与概念、规律建立联系，认识规律适用的条件，并用以解决简单问题。从要求中可以看出，这些内容有一定难度且要解决问题，从课堂和课后作业中来观察和分析，学生尤其对结合能难以理解，对裂变和聚变过程不清，对链式反应更没有直观感受，掌握得并不如人意。

一、高中原子物理实验实施分析

为什么高中原子物理实验难以在课堂上展示，我们结合实际从以下几个方面进行分析。

（一）高中原子物理章节分析

高三物理选择性必修第三册第四章为原子结构和波粒二象性，第五章是原子结构。

第四章第一节是黑体辐射。黑体是一个非常抽象的概念，缺乏具体形象且明显的课堂实验;第二节是光电效应，一般实验室有配套的器材，课堂实验可以开展;第三节为原子核式结构，一般也是通过讲解和图片展示;第四节是氢原子光谱和玻尔原子模型，其中氢原子光谱实验室有配套课堂演示实验，气体放电实验现象明显且震撼;第五节为粒子的波动性和量子力学的建立，没有配套演示实验，目前高中物理课堂没有合适的手段模拟粒子的波动性。

第五章第一节内容为原子核的组成，物理和化学实验室有配套模型;第二节为放射性元素的衰变，实验室有配套的放射性现象演示实验;第三节为核力和结合能，没有配套演示实验，且难以模拟，结合能概念过于抽象难以理解;第四节为核裂变和核聚变，没有配套演示实验，难以模拟;第五节为基本粒子，没有配套演示实验。

通过教材分析，可以发现以下几个问题。

1.原子物理实验，能真实在课堂上展示出来的只有光电效应和气体放电，其他的原子物理实验几乎不能在课堂上展示，至少在目前的高中不能展示，除非以后有更好的手段和办法。

2.原子物理实验现象发生在原子核内部，高中物理实验室不能展示出真实动态变化过程。变化过程抽象，不够形象，导致学生难以理解和进行科学探究，不利于培养学生的科学思维。

3.相关配套演示实验装置及器材缺乏，再加上原子物理现象微观且抽象，教师主观能动性很难发挥出来，导致日常课堂缺乏演示实验支持，教师不想浪费时间去另外开发相应演示实验。

（二）学生对原子物理认知分析

由于原子核过于微观，学生对原子物理实验没有过多的要求，很多学生甚至认为差不多就是这样，长期停留在被动接受教师的讲解，很多原子物理知识只要求自己记住就行，不理解也不会去刨根问底。

（三）教师对原子物理演示实验认知分析

在高中原子物理中，能在课堂中操作的实验，只有气体放电这个实验，光电效应这个演示实验也较难操作。很多教师不愿意花时间去钻研相关实验，认为是徒劳且费力的事情;并且在高考中原子物理占的分值也不够多，教师常认为还不如让学生多做几道习题更直接。

（四）高中原子物理实验设计面临的问题

原子物理实验器材贵重且精密，远非高中物理实验室所能承担，性价比不高，操作难度大，维护成本较高，所以一般实验室不会过多配置原子物理实验仪器，导致教师苦于没有器材而放弃做原子物理实验的想法。

二、原子物理模擬实验可行性分析

（一）原子物理实验可操作性分析

高中原子物理实验可操作性很低，除了光电效应和气体放电这两个实验，其他实验不具备操作性，实验室也没有相关的配套器材，也没有必要花很大的代价去配备相应的器材，对学生的帮助有限。

（二）原子物理模拟实验可行性分析

高中原子物理实验可操作性低，从培养学生科学探究、科学思维以及形成原子物理相关的物理观念来看，是一件很遗憾的事情。那么教师是不是就没有办法了呢？其实不然，教师可以开发一系列宏观的模拟实验替代真实实验直观展示，便于学生直观感受并培养学生的科学思维。可以基于以下几点开发原子物理模拟实验。

1.原子核式结构借助身边的球状物体便于模拟，且方便在课堂上展示。如果让这些模型动起来，能进一步模拟动态变化过程，比如核子结合成原子核过程中释放出核能，可以借助身边的一些生活用品形象模拟，方便观察。

2.生活中某些宏观装置的变化其实非常像微观的原子核内部变化，可以借助这些宏观装置进行模拟。比如，老鼠夹被触动，弹出诱饵，这个现象很像裂变过程。

3.生活中的食物和一些用品，造价低廉，现象明显，可以用来模拟原子物理中的现象和变化。比如杭州特产冻米糖可以模拟枣糕模型，用纸箱子或者空心铁壳球来模拟黑体和黑体辐射。

基于以上几点，我们其实可以模拟几个原子物理中难以理解的物理变化过程和现象，只有粒子的波动性目前没有更好的实验手段来进行模拟。

三、原子物理模拟实验设计和操作研究

经过高中原子物理模拟实验可行性分析，笔者设计了以下几个实验。

（一）黑体模拟实验设计

所谓黑体，是指完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体。对于黑体定义的前因后果，学生都不了解，建议教师在课堂上把黑体这个理想模型的建立过程详细地讲清楚，便于学生理解。之所以要建立黑体这个理想模型，就是为了研究热辐射的规律，而要把其他的跟物体有关联的因素排除，所以物理学家把只吸收电磁波而不发生反射的这种物体称为黑体。黑体严格意义来说并不总是黑色的，并且温度大于绝对零度的黑体一定要向外辐射电磁波，即所谓的黑体辐射。长期以来，物理学家很难解释温度跟黑体辐射的关系。直到普朗克能量量子理论诞生才完美地解释了黑体辐射，所以我们学习黑体的意义就是了解量子论的发展起点。

在学生理解了前因后果后，教师可以引导学生自己设计一个黑体模具。所需要的器材包括一个纸盒子和一支激光笔。在黑暗中用激光笔照射纸盒子的孔洞，几乎观察不到反射出来的激光，说明该纸盒子可以看作黑体，但是学生不能理解黑体辐射，经过改进如图1和图2，把纸盒子换成打细孔洞空心铁球，用喷枪加热铁球直到发红发亮，在黑暗中用激光笔照射铁球细孔洞，可以清楚地看到激光几乎不能反射出来，加热后铁球发红发亮，能观察到明显的热辐射，若继续加热，随着温度增加，会越来越亮，且颜色发生变化。这就是一个非常形象的黑体模拟实验，这时学生能形象具体地去认知黑体和黑体辐射。

通过实验模拟和操作以及手工制作出具体形象的模型，加上科学思维和探究，学生能对黑体有深刻认识和理解。

（二）核力和结合能实验设计

在核力和结合能这一节中，核力的饱和性导致核子相互作用只有在近距离才会有明显强有力的作用效果，距离远则不会有明显的作用效果。根据这个特性，可以知道重核分裂生成新核会释放能量，轻核聚变生成新的元素过程也会释放能量。没有形象的模拟实验，学生难以理解。

笔者从教材和学生科学思维出发，设计出相关模拟实验来进行核力作用演示。核力饱和性模拟实验如图3，用一个磁体吸引几个钢珠，结合得较紧密，然后增加钢珠，当钢珠增加达到一定数量后，其他的钢珠不能被牢牢吸引，能模拟核力的饱和性。

结合能演示如图4，磁力球和钢球相距一段距离，然后用磁力球和钢珠靠近后，会相互猛地吸引到一起，发出非常响亮的碰撞声，这个过程可以模拟核能释放的过程，这些吸引在一起的磁力球和钢球需要能量才能分开，这种能量叫结合能，与结合过程释放的能量相等。

通过动态模拟演示，学生能立足演示过程了解核能释放的过程，了解不同元素的比结合能会有差异，进一步可以理解“比结合能越大，原子核结合得越紧密”这个难点。

（三）核裂变和核聚变实验设计

我们知道中等质量大小的元素比结合能大，重核比结合能小一点，轻核比结合能更小，如果轻核结合成质量更大的核比结合能变大，意味着要释放出能量;同理，重核分裂成中等质量的核，比结合能变大，也要释放能量。这个过程看似很容易理解，实际上一直是学生面对的难点。教师想了很多办法，常常会感到乏力。不过笔者通过研究和设计，能模拟出核裂变和核聚变的过程。

在核裂变日常教学中，只要引导学生理解比结合能增加就会释放能量就可以了，学生的问题在于很难理解重核裂變过程生成新的核比结合能为什么会增加。学生如果看到这个模拟过程，很容易就理解裂变过程比结合能增加释放能量。其实从核力的饱和性来分析，重核里面的核子数较多，相对而言结合得不是很紧密，核子间距较大，一旦分裂，核子重新组合成新核的过程中会结合得更加紧密，即核力作用下核子之间距离靠近，所以要释放出能量。设计核裂变过程的难点在于，不是简单地把原子核分开，而是在分开过程中各部分新核的核子间距离要有明显的靠近过程才能演示出各部分新核比结合能增大，从而分析出能释放出核能。设计如图5，实际操作时，拔去中间两小钢球之间的插销后，分裂成两部分即两个新核，且两钢球被磁性小球分别吸引靠得更近，碰撞时发出响声，说明新核内的核子间距进一步减少会释放能量，也说明新核的比结合能变大。

我们通过分析可以知道氘氚聚变过程中，氘氚各自间的核子间距比较大，在超高温和超高压作用下，核子进一步靠近，到达核力作用范围内，在核力作用下靠得更近，会释放出能量。在设计过程中，我们只要把氘氚模型中的核子靠近后，能看到核子间距离明显变小，并且靠近后相互碰撞发出响亮的声响，那么就可以说明靠近过程会释放能量，说明生成的新核比结合能变大，如图6从左图变化到右图。

通过模拟实验大致可以知道，裂变和聚变本质都是由于核力作用下核子间距变小，从而释放能量。

（四）链式反应模拟实验设计

核裂变的链式反应，教材上有一个简图来展示过程，或者通过动画展示，经过研究，可以设计模拟实验进行展示。链式反应模拟实验最大的难点就是击发延续下去，并且要释放出中子，这两个难点很难有好的办法解决。根据链式反应特点，改进并设计出模拟实验。如图7所示，用老鼠夹来模拟原子核，用弹性球来模拟中子，把大量老鼠夹按顺序摆放在一片小的空地上，并且在夹子上放上一到两个弹性球，周围用栅栏围住，如图7左图;把一个弹性球（中子）从上空瞄准一个老鼠夹释放，弹性球（中子）撞击并击发老鼠夹，老鼠夹机关打开弹出两个（或一个）弹性球（中子），两个（或一个）弹性球（中子）降落后又击发其他老鼠夹，这样反复击发，形成可持续的击发过程，如图7右图，即我们说的链式反应，可以形象而且准确描述出链式反应。

经过一系列的原子物理模拟实验，课堂明显更活跃，学生在观看这些模拟实验过程中能更好地体会和掌握黑体、核力饱和性、结合能这些抽象的概念，能观看到裂变、聚变、链式反应模拟过程，除了感受到物理实验的震撼和妙趣外，更容易理解和接受这些物理过程，能最大限度激发科学思维和科学探究精神。这一过程更加生动和形象，充分体现了高中物理课堂有实验支持这一鲜明特点，弥补了高中原子物理课堂中实验不足的缺陷。

【参考文献】

浙江教育考试院.浙江省普通高校招生选考科目考试说明[M].杭州：浙江摄影出版社，2020.

沈元华.设计性研究性物理实验教程[M].上海：复旦大学出版社，2004.

丁慎训，张连芳.物理实验教程[M].北京：清华大学出版社，2002.