基于核心素養培養的高中物理教學
——“電子的發現”課堂實錄與思考

戴婷婷

(寧波市慈湖中學　浙江 寧波　315031)

高中物理學科4個方面的核心素養，在“電子的發現”這一課中，對學生觀念的形成、思維的提升、實驗的探究以及科學的態度養成具有重要的促進作用．在以往對本節的教學，往往一帶而過，或自學，或做練習，失去了本節教材對學生核心素養的培養．本節課的教學設計思想為：通過史料和實驗觀察說明陰極射線的存在，接著對陰極射線的本質進行猜測：電磁輻射？帶電微粒？然后利用所學的電磁學知識對陰極射線是否是帶電微粒進行論證來認識陰極射線的本質，其后和湯姆孫共同參與設計電子比荷測定方案，并給出陰極射線的比荷的表達式．介紹湯姆孫對不同材料的陰極做實驗，所得比荷的數值都相同，通過進一步對其他現象研究(光電效應、熱離子發射、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驗比較精確地測出了電子的電荷量．

這節課的內容豐富，既有史料和實驗，又有理論推導，通過電子的發現過程，體會人類對原子的認識和研究經歷了一個辯證發展的過程．

1　課前準備

課程背景分析.本節課是選修3-5第十八章“原子結構”的第1節．前一章，已經介紹了關于微觀粒子運動規律的量子力學理論的內容，選修3-2模塊已經介紹了全部的電磁學的基礎知識．電子的發現屬于近代物理學的內容，由陰極射線和電子的發現兩部分內容組成，重點是電子的發現過程蘊含的科學方法．

學生情況分析.學生對電子的發現過程是知之甚少，很多學生會疑問“什么是陰極射線？它存在嗎？它是怎樣產生的？”的問題，回憶在研究磁場對運動電荷的作用力時，接觸過陰極射線，并且可以演示陰極射線管實驗，重現普呂克爾實驗的現象．其次，學生的電磁學知識的應用能力比較薄弱，特別是碰到真實的物理情境時，往往無從下手，所以在這節課中，創設情境，激發興趣，實驗探究，追尋這段始終貫穿著思考—假設—實驗—解釋—爭論—再實驗, 不斷改進, 不斷提高的探索歷史，能從中得到有益的啟示．

2　課堂實錄

2.1　引入新課

教師：19世紀是電磁學大發展的時期, 到七、八十年代發電機、電動機和變壓器的出現，電氣工業開始有了極大的發展，但是漏電現象嚴重，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家的注意，問題涉及低壓氣體放電現象，于是，人們競相研究與低壓氣體放電現象有關的問題．

演示實驗：用氣體放電管展示通電后氣體發光情況(圖1)，現象明顯，學生興趣濃厚．

師生討論，解釋原因：氣體分子在高壓電場下可以發生電離，使本來不帶電的空氣分子變成具有等量正、負電荷的帶電粒子，使不導電的空氣變成導體．科學家在研究氣體導電時發現了輝光放電現象．

2.2　新課教學

教師演示實驗：演示低壓氣體放電實驗．

學生觀察：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年德國物理學家J·普呂克爾利用低壓氣體放電管研究氣體放電實驗發現, 在對著陰極的玻璃管壁上出現了綠色的熒光．如果把磁鐵放在放電管附近, 熒光斑就隨著磁鐵的移動而改變位置．

1876年德國物理學家戈德斯坦研究輝光放電現象時認為這是從陰極發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．

教師演示實驗：陰極射線管接高壓放出陰極射線.

(a)

(b)

教師：對于陰極射線的本質，有大量的科學家做出大量的科學研究，主要形成了兩種觀點．

(1)電磁波說：代表人物，赫茲．認為這種射線的本質是一種電磁波的傳播過程．

(2)粒子說：代表人物，湯姆孫．認為這種射線的本質是一種高速粒子流．

思考與討論：你能否設計一個實驗來進行陰極射線的研究，能通過實驗現象來說明這種射線是一種電磁波還是一種帶電粒子流．

提示：如果你認為這是一種電磁波，應該出現什么樣的現象．如果你認為這是帶電粒子流，應該出現什么樣的現象，并能否測定這是一種什么粒子．

學生：可以讓射線通過電場，如果發生偏轉的說明該射線是帶電粒子，不發生偏轉的說明是電磁波．

學生：還可以讓射線通過磁場，如果發生偏轉的說明該射線是帶電粒子，不發生偏轉的說明是電磁波．

教師：英國物理學家J·J·湯姆孫也是這么認為的，湯姆孫為了證明陰極射線是帶電粒子流，從1890年起，他進行了一系列實驗研究．介紹氣體放電管：由陰極K 發出的帶電粒子通過小孔A，B 形成一束細細的射線．它穿過兩片平行的金屬板D1，D2之間的空間，到達右端帶有標尺的熒光屏上．

圖3　氣體放電管原理圖

學生分組活動一：如果你是陰極射線是帶電粒子流的支持者，根據“思考與討論”的提示，設計計算陰極射線微粒的比荷的方法，并畫出示意圖．

學生活動約3 min.

討論以下幾個問題：

(1)如果未加電場和磁場時，陰極射線做什么運動？

(2)加電場、未加磁場時，陰極射線做什么運動？

(3)加磁場、未加電場時，陰極射線做什么運動？

學生：未加電場和磁場時；陰極射線不受力，做勻速直線運動到P1；

加電場、未加磁場；陰極射線只受電場力，做類平拋運動；當在平行板間加上如圖所示的電場，發現陰極射線打在熒光屏上的位置向下偏，則可判定，陰極射線帶有負電荷；

加磁場、未加電場時，陰極射線只受洛倫茲力作用，做勻速圓周運動．

學生活動約3 min.

學生討論：撤去電場，只留下磁場時，利用磁場使帶電的陰極射線發生偏轉，能否根據磁場的特點和帶電粒子在磁場中的運動規律來計算陰極射線的比荷？

學生：只存在磁場的情況下，偏轉圓弧為圓周運動一部分，出磁場后成勻速直線運動，根據有關幾何知識，我們一定是可以求出帶電粒子圓周運動的半徑r的．

教師：如何測出陰極射線的運動速度？

學生：可以在兩極板D1和D2間加勻強電場和勻強磁場，在平行板間產生豎直向上的電場E,在垂直電場向外的方向上加一磁場B，陰極射線受庫侖力和洛倫茲力，通過適當地調整電場、磁場的強度，可使其做勻速直線運動，可以測出速度大小.

則電場力和磁場力平衡時滿足

qvB=qE

即

學生活動約5 min.推導陰極射線比荷的表達式.

如果撤去電場E, 保留磁場B, 粒子滿足

即

圖4　幾何量之間的關系

參看圖4，再由幾何知識

(1)

(2)

利用 式(1)、(2)解出r即可.

學生分組活動二：我們能不能換個思路，換個方法，研究帶電粒子在電場中的偏轉從而得到關于帶電粒子的比荷呢？

圖5　變換方法

測量陰極射線的速度的方法同上.

學生活動約5 min.推導陰極射線比荷的表達式.

小組討論，派代表上黑板交流方案.

分析偏轉為類平拋，寫出類平拋表達式.

教師引導分析:

引導分析y是不易直接測量的,而Y則是可直接測量的，如何從Y得到y?

由電場速度關系和圖6的幾何知識聯立方程

圖6　引導分析Y可直接測量

解得

自學指導：閱讀教材49頁：介紹湯姆孫對不同材料的陰極做實驗，所得比荷的數值都相同，然后進一步對其他現象研究(光電效應、熱離子發射、β射線)，得出電子是所有原子的組成部分．

師：介紹密立根實驗的原理和結果.

密立根測量出電子的電量

e=1.6022×10-19C

根據比荷，可以精確地計算出電子的質量

m=9.109 4×10-31kg

質子質量與電子質量的比值

課堂教學思考：

本節課緊緊圍繞著湯姆孫發現電子的過程展開，首先利用氣體放電管發光和陰極射線管的實驗，激發學生的興趣，解決了學生心中“陰極射線”是否存在的疑問，為進一步探索陰極射線的本質是什么做好了準備．在探索陰極射線本質的過程中，學生成功地列舉出了解決方案；計算帶電粒子比荷的過程中，加強師生互動，利用小組討論，讓學生講述自己的觀點，自我評價，很好地培養了學生分析問題和解決問題的能力．課本教材讓學生自主學習，課堂教學中始終展示了科學家們鍥而不舍的探索精神和驚人的科學膽識, 一旦抓住了有希望的線索, 就追根究底, 積極嘗試, 進而導致了觀念上的更新和科學上的重要發現，給學生留下深刻的印象．