原子物理中卢瑟福模型教学
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的思考 施申蕾（中国计量学院理学院物理系，浙江杭州310018）Summary：原子物理学是大学物理专业的一门重要专业必修课。其课程的特点是从微观结构的考虑入手揭示与之相关的宏观现象与规律的本质。一般通过实验现象的分析，应用若干量子力学的结论，揭示原子结构、运动规律和相互作用。本文分析了原子物理学的教学现状，重点对第一章卢瑟福模型的教学方法，进行了思考和探索。并针对我校的实际情况，给出了一些教学
建议
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。Keys：卢瑟福散射；库仑散射；原子物理；散射截面G642.41：A：1674-9324（2014）28-0113-02原子物理课程为大学物理专业学生必修的一门专业基础课程。本课程通过实验现象的分析，应用若干量子力学的结论，揭示原子结构、运动规律和相互作用的特点，与物理学的全部领域和其他学科有着密切的关系。教学的关键是传授知识的过程中尽最大可能让学生掌握接受
知识点
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的同时，能够最大程度地激发学生的学习积极性。如何能深入浅出地传授较为枯燥的理论知识点，也成为对教师的一种挑战。在教学的过程中，教学方法的选择具有显著的效果。在原子物理这个课程上，人们也做了大量的教学改革思考。[1-4]现在在各个大学中广为采用的原子物理教材，如杨福家，褚圣麟版的原子物理教材[5，6]，均采用在第一章介绍原子的位形。该章节作为整个课程的第一部分。在原子物理教学中，具有重要的地位。这一章教学效果的好坏，严重影响后续知识的展开。那么这一章的教学的难点在哪里呢？笔者发现主要还是集中在对卢瑟福散射公式的推导，即卢瑟福散射截面的理解及应用。在历年的教学经验中发现，该知识点的教学问
题
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主要在于：部分学生在该章的学习中普遍遇到的问题是，上课听讲解，对定性的知识点理解还比较顺利。但一旦要进行定量计算，面对具体问题，就遇到了困难。那么从教学方法上如何改善这一现状呢？原子物理课程的特点是从微观结构的考虑入手揭示与之相关的宏观现象与规律的本质。而微观体系遵从它特有的规律，不能直接观测，所以不像宏观物体的运动一样，具有直观性。因此微观结构的认识，必须借助实验手段。密立根在1923年在Nobel领奖台上讲到：科学靠两条腿走路，一是理论，一是实验。有时一条腿走在前面，有时另一条腿走在前面。但只有使用两条腿，才能前进。在实验过程中寻找新的关系，上升为理论，然后再在实践中加以检验。物理学是一门实验性科学，原子物理学更是如此。一切理论的建立都必须以实验为基础，并遵从“实验—理论—实验”的发展原则。因此在原子物理的教学上，一直以来侧重于通过实验现象的分析，揭示其微观结构，及本质运动规律。[7]第一章的教学内容也是如此。通过介绍卢瑟福α粒子大角度散射实验与当时普遍认同的汤姆逊“葡萄干面包”的原子模型有冲突，引出新的卢瑟福核式模型，并应用卢瑟福散射公式再次通过实验验证其核式模型的正确性。从课程讲解的逻辑线索来说，应该是非常明确的“实验—理论—实验”过程。即对α粒子大角度散射实验的实验现象进行描述后，定性否定原来的“汤姆逊”模型，并逐步推导卢瑟福散射公式，应用卢瑟福散射截面和实验数据比较，以验证核式模型的正确性。但是在我校实际讲课的效果来看，这样的授课方式下，学生对核式模型的定性的认识，是容易接受的。但事实上对卢瑟福散射公式的推导过程，尤其是最后卢瑟福散射截面的物理意义的理解是缺乏深度的。以至于一旦面对具体的问题，部分学生完全不知从何处下手。而这一章的教学难点也在于此处。对这个问题一定要具体问题具体分析。以往的教学的方法，一般采取在知识点讲授完成后，学生完成习题。根据习题完成情况，在习题的讲解过程中，做知识点的再次展开，以期达到知识点的巩固与理解。对部分理解力较强，并且主动学习的积极性较高的同学而言，这样的教学方法可以达到较好的效果。而事实是，由于部分相对学习较为被动的学生，课堂教学内容理解还有困难。面对习题根本无从下手，产生畏难情绪，容易出现抄袭现象。作业不能反映其实际学习效果。而后的课堂习题讲解，对这部分同学而言，效果也形同虚设。如何能够降低学习理解的难度，提高这部分学生学习的积极性，成为课堂教学中一个不可回避的问题。另外，由于课时有限，也很难在课后进行大量的习题讲解。针对这一现状，可以采取的方法可以是。在卢瑟福散射公式的教学中，放弃或掠去整个推导过程，直接给出定性结论。以避免在较为繁复的推导过程，使得学生分散了学习注意力。其优点是学习过程中，思路清晰、结论突出，易于接受。但缺点也显而易见。知识点的理解是不深入的。物理从古至今，讲究格物致知。知其然，且要知其所以然。对物理专业的学生，省略推导，而直接给出结论的方式，显然是不够的。既然卢瑟福散射公式的推导是不可避免的。如何才能让学生容易理解，是解决问题的关键。结合课堂教学的经验，笔者认为以下方法还是切实可行的。第一步，理清思路，贯彻“实验—理论—实验”的基本逻辑线索。在介绍瞄准距离，库仑散射公式，卢瑟福散射公式等难点内容前，首先定性给出为什么要学习介绍这些内容。如库仑散射公式是描述核式散射的基本公式，但瞄准距离，实验上不可测。而卢瑟福散射公式则是基于库仑散射的基础上，推出了可以实验测量的散射截面这个物理量。而且卢瑟福散射截面其物理意义为散射粒子在不同散射角的散射几率。在此基础上给出库仑散射公式，卢瑟福散射公式的详细推导。这一步，在学习的过程中，起到一个明确学习目的，理清学习思路的作用。第二步，在公式推导后，布置作业前，先直接挑选典型课后习题，即具体物理题型，进行解题思路的提示。既深化知识点的理解，又能够帮助学生降低解题的难度，减少学习中的畏难情绪。促使学生可以自主地思考完成习题。从而在之后课后习题的讲解阶段，又可以大大缩短时间，提高效率，做到事半功倍。相对来说，学习能力较强的学生，可以对知识点掌握较为深入；而部分学习较为被动的学生，也可以较容易接受和掌握基本知识点的应用，从而能够兼顾不同程度的学生。Reference：[1]冯景华.谈谈原子物理教学中思维能力的培养[J].遵义师范学院学报，2004，（3）：65-67.[2]董丽荣，郑晓光.原子物理学课程改革的探究[J].吉林师范大学学报（自然科学版），2004，（4）：77-78.[3]胡昆明，郑世旺，王宝玉，谷勤忠.在原子物理教学中把握课程主线的若干探索[J].教学研究，2003，（4）：367-369.[4]彭双艳，原子物理中的方法论[J].毕节师范高等专科学校学报（综合版），2002，（2）：65-67.[5]杨福家.原子物理学[M].北京：高等教育出版社，2000.[6]褚圣麟.原子物理学[M].北京：高等教育出版社，1979.[7]靳奉涛，周兆妍.原子物理教学中的人文教育和科学观培养[J].高等教育研究学报，2011，（4）：102-104. -全文完-
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