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新课改下高中物理概念的教学探讨

卢海霞

北京市中国人民大学附属中学分校,100080

摘要: 以人教版“核力与结合能”(参照普通高中课程标准实验教科书:物理选修3-5,2017年7月第3版与物理选择性必修第三册,2020年7月第1版)的教学为例,探讨新课改下高中物理概念教学中呈现出的问题,进行原因分析并提出相应的思考和解决办法。
关键词: 物理概念;结合能;比结合能;质量亏损
DOI:10.12721/ccn.2021.157026
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一、教学案例分析

(一)呈现的问题

人教版(物理选修3-5,2017年7月第3版)课本82页中,图19.5-3反映了不同原子核的比结合能是不一样的,课本中提出:“如果使较重的核分裂成中等大小的核,或者把质量较小的核合并成中等大小的核,核子的比结合能会增加,即核子将发生新的质量亏损,释放新的结合能。”

教师教学用书解释为:由图像可以清楚地看到:中等大小的核比结合能最大,一方面说明中等大小的核最牢固;另一方面说明由轻核结合为中等质量的核,或由重核分裂为中等质量的核都会出现新的质量亏损。

课后学生表示听完解释还是很疑惑,有些学生问道:较重的核分裂成中等大小的核时,是要把核子分开,这时需要从外界吸收能量,怎么现在却是释放能量?很明显,学生并没有很好的把核反应中“所释放的能量”与“结合能”等效对应起来,同时对本节课中“质量亏损”与“结合能”不可分割的关系的理解似是而非 ,因此需要专门去更正强化。

(二)原因分析

1.教材的编排:在各版教材的更替过程中,相关的概念经历了多次的变化与取舍。1980年和1985年的版本中都出现过原子核的结合能及核子的平均结合能曲线,1987年和1990年的版本中全部取消,2003年重新引入了“核子平均质量”及平均质量曲线,2005年的《普通高中课程标准实验教科书》物理选修3-5再次回归介绍“结合能”和比结合能曲线。2020年的现行《普通高中课程标准实验教科书》物理选择性必修第三册,吸取了2004年版的编写经验,进行了再次编写修订。

2.教师的教学:在整个高中物理教学体系中,原子物理相对于力学、电磁学一直处于相对弱势地位,这与高考的设分比例密不可分。教师在整个教学中也会体现出点到为止,并没有讲深讲透,使得学生在一些概念的理解上出现误区。

3.学生的学习:通过对必修2《机械能守恒定律》一章的学习,知道了能量的转化与守恒定律,但原子核模型的抽象,再加上新概念的加入,导致思维定势起负面影响,很难把“质量亏损”与“结合能”有效联系起来,即使联系一起也是死记硬背,生搬硬套。

二、加强物理概念教学

(一)层次分明,严谨扎实。首先从学生熟悉的宏观现象类推核子结合成原子核也要失去一部分能量,同理把原子核分裂成核子时,要克服核力做功,因此必须从外界吸收能量,此时引出结合能的概念也就水到渠成;进而讲比结合能,质量亏损。并设计一道例题,让学生从一个具体的事例中认识到什么是质量亏损,认识到与结合能的相当关系;然后通过课本82页图19.5-3让学生了解不同原子核的比结合能是不一样的,中等大小的核的比结合能最大(平均每个核子的质量亏损最大),提出释放核能的途径的设想,为后续内容做铺垫。

(二)深入浅出,突破难点。让学生弄命白结合能和比结合能都是反映核子结合或核分裂过程中能量的变化量。深刻理解质量亏损并非质量消失,而是减少的质量Δm以能量形式辐射(动质量),因此质量守恒定律不被破坏。

(三)渗透方法,拓宽视野。突出科学研究过程中“猜想”的要素。在讲述结合能时提及:核子将发生新的质量亏损,释放新的结合能。这些能量岂不是可以供人使用?这在核裂变和核聚变中得到印证,体现了“从物理走向生活”。

三、落实新教材的改编

在2005年的《普通高中课程标准实验教科书》物理选择性必修第三册, 《核力与结合能》这一节中,提出结合能的概念即“原子核是凭借核力结合在一起构成的,要把它们分开,也需要能量,这就是原子的结合能”,并做了进一步的解释“结合能并不是由于核子结合成原子核而具有的能量,而是为把原子核分开而需要而的能量”。教材中多次强调原子核分开与结合能的关系,很容易让学生产生困惑或形成固定思维,认为结合能只在把原子核分开时才有。

在2020版的《普通高中课程标准实验教科书》物理选择性必修第三册, 《核力与结合能》这一节中,教材进行了改编,对结合能概念对的引入,进行了很好的铺垫,在“思考与讨论”中,以“氢原子核”为例提出“氢原子核是由两个质子和两个中子凭借核力结合在一起的,要把它们分开,需要吸收能量。反过来,4个核子结合成氢原子核要放出能量。那么,把核子分开需要的能量与核子结合放出的能量有什么关系?”,这样问题的提出,让学生有层次的思考并经过讨论,水到渠成的得出结合能的概念“原子核是凭借核力结合在一起构成的,要把它们分开,也需要能量,这就是原子的结合能”,并在概念的得出之后,教材有做了进一步的强调“这个能量也是核子结合成原子核而释放的能量”。教材在此处的改编,让学生有效并且正确的接受理解结合能这一概念。

参考文献:

[1] 司德平,核子平均质量曲线与比结合能曲线的比较[J]. 物理教学,2011(04):33.

[2] 普通高中课程标准实验教科书:物理选修3-5,人民教育出版社,2017年7月第3版.

[3] 普通高中课程标准实验教科书:物理选择性必修第三册,人民教育出版社,2020年7月第1版

[4] 普通高中课程标准实验教科书:教师教学用书,人民教育出版社,017年7月第3版.