基于科研经验的“核构成”教学设计_原子核论文

基于科学研究体验的“原子核的组成”教学设计,本文主要内容关键词为:原子核论文,教学设计论文,科学研究论文,此文献不代表本站观点,内容供学术参考,文章仅供参考阅读下载。

化学新课程标准明确指出化学课程的基本理念要“结合人类探索物质及其变化的历史与化学科学发展的趋势,引导学生进一步学习化学的基本原理和基本方法,形成科学的世界观”。化学课堂教学中如何将化学知识的习得与科学研究的体验紧密结合,让学生感受化学的发展和了解化学家的工作,挖掘化学教学的人文内涵,启迪学生的科学精神与创造意识,是每一个化学教学工作者正在思考并设法加以解决的问题。本文以苏教版必修1专题一“原子核的组成”教学设计为例,与大家交流商榷。

设计理念:本课教材知识方面,涉及原子核的组成及组成粒子的数学关系,以及核素、同位素的概念、质量数的计算。但在知识陈述上较为浅显直接,知识前后联系上较为松散,许多结论已为学生熟谙(如质子、中子、原子核的组成等),而科学史上如何得到这些知识的过程,则是相当曲折艰辛、富有教学内涵的。为此,笔者尝试以原子核组成的研究史为主线索,渗透原子核组成研究的方法,探讨研究过程中的前因后果,让学生在科学史的体验中习得学科知识,用科学研究的艰辛撼动学生的心灵。

过程实录:

一、创设情景,引入课题

师:多媒体展示以下材料,提出原子核组成研究的课题。

材料1:地球上的一切能量来源于太阳内部的核聚变反应,即4个氢原子核聚变为1个氦原子核。聚变过程中释放出巨大的能量以辐射、对流等形式向外传递。

材料2:展示居里夫妇、卢瑟福、查德威克等人的照片。

生:被吸引,期待了解原子核组成和相关科学家。

二、科学史体验,积极思考

1.放射性研究和质子的发现

师:多媒体展示以下材料。

居里夫妇

材料一:说到放射性肯定要谈居里夫妇,1903年,皮埃尔·居里与玛丽·居里由于发现镭而获得诺贝尔物理学奖。让人印象更深刻的是他们的奉献精神。为了研究放射性对人体的影响,皮埃尔·居里把自己作为试验品,让胳膊裸露在放射性射线下数小时,以记录射线对皮肤的渐进烧伤反应,而居里夫人也在长期病痛之后,死于由过度辐射引起的血癌。

材料二:卢瑟福提出了原子的有核模型,并发现了放射性的本质:元素的自发衰变。放射性元素的原子核放出射线后自身衰变成了另一种元素。如:

卢瑟福

师:从何角度分析原子核由更小的微粒组成?

生1:不可能用显微镜观察到。(学生大笑。)

生2:一种原子的原子核会衰变成另一种原子的原子核,这说明原子核可以改变,原子核还有它的内部结构。

师:对,原子核的变化应该是其组成的更小的微粒的数目变化,正如化学反应中分子的变化是原子的组合方式或数目的变化一样。

生3:原子核是极小的粒子,要探测其内部组成,就要让原子核发生变化,如高能量使其分解,在这种变化中,看看有什么共同的东西从核中释放出来。

师:这一想法很好,但想分解原子,化学反应的能量是远远不够的!必须借助粒子对撞机!粒子对撞的猛烈作用或极高能量才会分解。基于变化中观察的观点,科学家尝试用高速的粒子去轰击原子核,使原子核发生变化,从而探究原子核的组成。

师:多媒体展示以下材料。

卢瑟福最早致力于这方面的研究。1919年,他在用α粒子(即氦原子)轰击氮原子核时,发现可产生出一种新的、射程很长、质量更小的粒子,并发现它带有一个单位的正电荷,推测其数目应与电子数相同,卢瑟福把他发现的这种粒子命名为“质子”。若用α粒子去轰击其他元素的原子核,也都产生类似的转变,并产生质子,说明质子是各种原子核里都有的成分。

生:学生有所感悟,初步体会到成功的喜悦。

2.中子是怎么被发现的?

师:多媒体展示以下材料:

材料一:质子发现后人们的困惑。一些科学家经过测量,发现氢原子的原子核的质量数约为质子数的2倍,所以原子核内还应有质量与质子差不多的中性粒子。1920年,卢瑟福提出了原子核中可能存在一种中性粒子的预言:“在某些条件下,一个电子有可能更紧密地与氢核(质子)相结合,从而形成一个中性偶极子”。但在较长时间内无法测定其存在。

材料二:1930年,德国科学家玻特和贝克用α粒子轰击铍核的实验时,发现并未发射出质子,而放出了一种新的射线,这种射线几乎不能使气体电离,在电场和磁场中也不发生偏转。1931年,居里夫妇重复了玻特和贝克的实验,并用这种未知射线去轰击石蜡。结果竟从中打出了质子。但令人惋惜的是,由于错误的判断,他们均与“中子”失之交臂!1932年1月底,查德威克获悉居里夫妇的实验,测出射线的速度不到光速的十分之一,排除了是γ射线的可能,然后又作了两件工作,成功证实了这种射线就是中子流。为此,他当之无愧地成为“中子之父”,并因此获得1935年诺贝尔物理奖。

查德威克

师:根据上述材料,你可得出中子质量、电性有何特点?

生1:原子核的质量数约为质子数的2倍,中子质量应与质子差不多。

生2:中子流几乎不能使气体电离,在电场和磁场中也不发生偏转,说明是不带电的。

生3:中子的质量较大,其射线的能量很大。用它去轰击石蜡,能打出质子。

师:请你评价卢瑟福的预言。

生:卢瑟福的预言:“在某些条件下,一个电子有可能更紧密地与氢核(质子)相结合,从而形成一个中性偶极子”的结论是不准确的,中子应是独立的微粒。

师:你认为查德威克除了排除了该射线是γ射线的可能外,还需要做哪两件工作?

生1:测出其质量应与质子的质量差不多。

生2:排除该粒子是由质子和电子组合而成的可能。即证明中子应是独立的微粒。

师:以上同学提出的想法很好,发现中子的实验正是按照这些思路去设计而获得成功的。

到此,学生对中子发现的推测获得了印证,思维空间打开了,求知欲望被充分调动起来。课堂气氛推向了高潮。

师:查德威克是卢瑟福的学生,对导师预言的中子,作过多次探测的尝试。“机遇只偏爱有准备的头脑”,当中子存在的迹象一出现,他就能用正确的方法去认定它。中子的发现,有重大的意义。中子不带电,中子流去轰击原子核,不受带电粒子间力的影响,穿透本领更大,是轰击原子核变的有效“炮弹”。人们用它轰击各种原子核,获得许多人工放射性同位素,如用它轰开铀核,实现了原子能的利用。

3.同位素的发现

师:在天然放射性逐渐被认清的基础上,人们知道有些放射性元素的原子虽然质量、放射性显著不同,但化学性质却完全一样。于是同位素被发现了。

师:同位素化学性质完全一样意味着什么?放射性为何显著不同?

生:同位素的化学性质相同是因它们的核外电子数相同,且具有相同电子层结构。由于质子数:核电荷数:核外电子数,质子数相同。但由于它们的中子数不同,这就造成了各原子质量会有所不同,并导致其某些物理性质(如放射性、形成气体后的密度、扩散速度等)有所不同。

师:把具有一定质子数和一定中子数的一种原子称为核素。人们把质子数相同,质量数(或中子数)不同的核素互称为同位素。常用质量数(将原子核中所有的质子和中子的相对质量取整数,加起来所得到的数值)来表示核素的相对质量的大小。质量数(A)=质子数(Z)+中子数(N)。

生:阅读拓展视野——同位素的应用

师:美国科学家尤里,因发现氢的同位素氘而获得1934年诺贝尔化学奖。他通过蒸发液氢的方法将氢氘分离,使人们对同位素有了进一步了解,同位素除了拓展视野中的应用外还有:是作为确定原子量标准的原子;氘和氚是制造氢弹的材料:是制造原子弹的材料和核反应堆的原料等。

尤里

三、启发引导,总结提高

(1)练习巩固原子核的组成:质子、中子和电子的质量、相对质量和电量、质量数的计算、同位素的判断等知识点。

师:引导学生把握学科知识内容。

(2)阅读教材中的“拓展视野”:夸克的发现。结合原子核组成的研究史,谈一下学习体会。

生1:科学家探索原子核的结构经历了艰难的过程。

生2:实验、假设、模型等科学方法在化学研究中起着极其重要的作用。

生3:人类对原子核结构的认识是一个不断发展的过程。夸克的发现,并不意味着人类对原子结构的认识到了最后阶段。

生4:科学是没有国界的,对原子核的认识,既有个人的突出贡献,又有科学家们集体智慧的结晶。

生5:机遇只偏爱有准备的头脑。

……

师:生活和学习也如科学研究一样,我们在平时要养成用心观察、用情思考、亲手实践的习惯,我相信,你们化学学习的水平一定会提高到一个新的层次。

四、教学反思

(1)“授之以鱼,仅供一饭之需;授之以渔,则一生受用。”本课例在着眼让学生掌握基本的学科知识的同时,更重要的是突出学生的主体地位,让学生模仿科学家研究的方向和思路,运用猜想、模型、对比等研究方法,并对一定时期的科学结论作一些评点。在教学过程中,学生能不断自我激发、在学科知识水平和科学研究素养上获得了有效提升。而科学研究进程中科学家们知难而进及奉献精神,无不都是对学生情感态度与价值观的一次次洗礼。

(2)以科学史为教学主线索串联本节课的教学内容。由于学生知识水平有限,又涉及许多物理知识(如放射性、各种射线等),学生接受有一定难度。可从两方面加以解决:一是适当弱化涉及的物理知识,并在课前准备相关物理知识的阅读材料,二是可要求学生先做一些知识储备,如到图书馆或上网查阅有关资料。

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