《量子化現(xiàn)象》教學(xué)設(shè)計

《量子化現(xiàn)象》教學(xué)設(shè)計教學(xué)目標(biāo)1．知識與技能(1)初步了解微觀世界中的量子化現(xiàn)象，知道量子論的主要內(nèi)容。(2)知道宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點，了解光的波粒二象性。(3)知道量子論的建立不僅是物理學(xué)的革命，也對人類認識世界和科技發(fā)展具有重要影響。2．過程與方法(1)通過了解經(jīng)典物理學(xué)能量連續(xù)性觀點在解釋“黑體輻射”現(xiàn)象時的失敗，體會普朗克提出量子假說的偉大意義。(2)通過了解“光電效應(yīng)”實驗與經(jīng)典物理學(xué)理論的矛盾，體會愛因斯坦的光子說對光的本性的揭露。(3)通過了解光的波粒二象性和氫原子光譜，使學(xué)生知道微觀世界能量量子化的特征，從而使學(xué)生認識到：量子論的觀點是作為現(xiàn)代人認識客觀世界的重要方法。(4)通過列舉量子論的發(fā)展所帶來的科學(xué)技術(shù)的重大變革和對其他自然科學(xué)領(lǐng)域的影響，體會量子論對人類認識世界的深遠影響。3．情感、態(tài)度與價值觀(1)通過了解量子論的建立和發(fā)展過程，使學(xué)生體會科學(xué)家們探求真理的無限艱辛和他們非凡的創(chuàng)造性思維的光芒，使學(xué)生不僅從中獲取科學(xué)知識，更受到科學(xué)思維的熏陶．引導(dǎo)學(xué)生善于逆向思維，培養(yǎng)思維的靈活性、發(fā)散性和創(chuàng)造性。(2)關(guān)注量子物理對我們生活所造成的影響，體會量子物理對20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域和人類文明進步所造成的影響。(3)引導(dǎo)學(xué)生沿著前輩科學(xué)家的足跡，去體驗他們是如何由實驗事實出發(fā)，尊重經(jīng)驗事實對理論的檢驗，從而一步步登入微觀世界的大門，感受科學(xué)家客觀求實、理性追求、批判創(chuàng)新的精神，培養(yǎng)學(xué)生敢于質(zhì)疑的科學(xué)品質(zhì)。(4)通過了解并體會科學(xué)假說在物理學(xué)理論研究、發(fā)展中的作用，學(xué)習(xí)科學(xué)假說的思想方法，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。教學(xué)重點：量子論、量子化現(xiàn)象教學(xué)難點：黑體輻射教法與過程本節(jié)內(nèi)容對學(xué)生來說，無法用已有的經(jīng)典物理的觀點去理解，學(xué)生缺乏相關(guān)知識的鋪墊，因而對教學(xué)會造成相當(dāng)大的困難。首先應(yīng)正確地定位教學(xué)的層次和難度，《課程標(biāo)準(zhǔn)》對本節(jié)要求的知識技能目標(biāo)是“初步了解和知道”，在必修課程中編排現(xiàn)代物理的內(nèi)容，目的是使學(xué)生在完成必修課程后對物理學(xué)的發(fā)展和前景有整體性了解，也是為進一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，所以教學(xué)要求以了解為主，不做更高要求。教學(xué)形式可以教師啟發(fā)性地講授為主，配合指導(dǎo)學(xué)生在課外閱讀相關(guān)科普讀物，希望在學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容之后學(xué)生能夠產(chǎn)生更多的問題和更濃厚的興趣。其次，教學(xué)中最好能根據(jù)學(xué)生的認知基本規(guī)律，即“從生動的直觀到抽象的思維”這一特點出發(fā)，創(chuàng)造條件以實驗演示、計算機模擬等手段來激發(fā)學(xué)生興趣，突破教學(xué)難點。此外，教學(xué)中應(yīng)當(dāng)注意在傳授知識的同時，更側(cè)重于科學(xué)研究的方法以及科學(xué)觀點的教學(xué)，使學(xué)生通過學(xué)習(xí)能獲取更多認識客觀世界的研究方法和全面的、發(fā)展的科學(xué)觀點，這對其終身的發(fā)展將會起到較大的幫助。(三)教材說明與教學(xué)建議本節(jié)開篇即指出：19世紀(jì)末20世紀(jì)初的許多現(xiàn)象與經(jīng)典物理學(xué)王理論相矛盾，從而引發(fā)了物理學(xué)的另一場革命——量子論的建立。這也是本節(jié)教學(xué)的線索，從矛盾出發(fā)去理解量子論誕生的理論背景和必然性，教學(xué)中最好以這一思路貫穿始終。1．黑體輻射：能量子假說的提出“黑體輻射”的教學(xué)首先應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生了解人們對“黑體輻射”研究的社會背景(參見課程資源《黑體輻射》)，使學(xué)生理解科學(xué)的發(fā)展總是和社會、經(jīng)濟的需求密切聯(lián)系的．教學(xué)中要突出用經(jīng)典物理學(xué)理論來解釋黑體輻射遇到的困難，使學(xué)生認識到黑體輻射是經(jīng)典物理能量連續(xù)性概念不適用于微觀世界的典型事例，在此基礎(chǔ)上講述普朗克的能量子假設(shè)，才能使學(xué)生切實地認識到量子概念的必然。同時使學(xué)生領(lǐng)會當(dāng)實驗事實和理論相違背時，往往預(yù)示著理論存在的缺陷，或是新的理論誕生的萌芽。普朗克提出“能量子假說”宣告了物理學(xué)的一場革命．然而在當(dāng)時由于經(jīng)典物理中的能量連續(xù)性概念在人們的頭腦中根深蒂固，幾乎所有的科學(xué)家相信包括能量在內(nèi)的一切自然過程都是連續(xù)的，普朗克提出這種與經(jīng)典物理學(xué)截然不同的觀點是需要極大的勇氣的，教學(xué)中可補充介紹普朗克在公開提出“能量子假說”時的“謹慎和大膽”(可查詢《世界著名科學(xué)家簡介》和《物理學(xué)家風(fēng)雅趣聞》中關(guān)于普朗克的介紹)，使學(xué)生體會科學(xué)家尊重客觀規(guī)律、為揭示真理而勇于挑戰(zhàn)傳統(tǒng)觀念的科學(xué)精神。教學(xué)中還應(yīng)指出盡管普朗克開創(chuàng)了量子論，然而他的工作是不徹底的．他認為，輻射的能量僅僅在原子吸收或發(fā)射時是不連續(xù)的，一份一份的，而在傳播過程中，則仍是連續(xù)的．曾有記者問他“您說能量到底是連續(xù)的呢?還是不連續(xù)的呢?”普朗克回答說：“如果一個人用小碗從缸里舀水，倒在水池中，您說水是連續(xù)的呢?還是不連續(xù)的呢?”從普朗克的回答中，我們可以看出，他認為輻射本質(zhì)上還是連續(xù)的，只是在原子發(fā)射或吸收輻射時，才是一份一份的。把量子化思想貫徹到底的是愛因斯坦。[討論與交流]此處安排的“討論與交流”目的是使學(xué)生體會能量子假說與經(jīng)典物理的傳統(tǒng)觀念格格不入．過去，人們總認為一切自然過程都是連續(xù)的，比如能量的傳遞和釋放中，宏觀狀態(tài)下的能量總是由一切微觀狀態(tài)下的能量連續(xù)排列組合而成，中間毫不間斷。因此，“能量子假說”是對經(jīng)典物理學(xué)理論的重大突破。2．光子說：對光電效應(yīng)的解釋光電效應(yīng)是經(jīng)典物理能量連續(xù)性概念不適用于微觀世界的另一典型現(xiàn)象。教學(xué)中應(yīng)重點將經(jīng)典物理和光子說對光電效應(yīng)現(xiàn)象的解釋(注意指出一個電子吸收一個光子的能量)進行對比，使學(xué)生能將經(jīng)典物理以“光是電磁波，它的能量是連續(xù)的”這種觀點對光電效應(yīng)現(xiàn)象作出解釋時與實驗事實的矛盾，與光子說對這些矛盾的圓滿解釋相對照，從而領(lǐng)悟光具有粒子性。出于降低難度考慮，教材中僅介紹了“光電效應(yīng)的產(chǎn)生與光的頻率有關(guān)而與強度無關(guān)”這一現(xiàn)象特征，教學(xué)中可視學(xué)生情況決定是否補充介紹其他特征(參見課程資源《光電效應(yīng)》)。如果學(xué)校條件容許，最好能安排光電效應(yīng)演示實驗或者根據(jù)教學(xué)實際需要，設(shè)計制作多媒體課件，利用計算機模擬實驗，盡可能為學(xué)生提供一種研究、探索的情景，同時輔以積極的思維活動，不僅使學(xué)生較好地掌握了光電效應(yīng)現(xiàn)象的本質(zhì)，也使他們受到了一次物理實驗方法的熏陶。3．光的波粒二象性：光的本性揭示由于學(xué)生沒有學(xué)過關(guān)于“光的波動性”以及“干涉、衍射”的知識，對于認識“光的波粒二象性”顯然難度較大．這里最好能做光的雙縫干涉實驗，結(jié)合實驗現(xiàn)象來解釋何為“概率波”，也可以借助語言，通過比喻或類比，進一步豐富學(xué)生的表象，如光的波粒二象性，我們可以想象：光似乎是一群“光子雨”，光的顏色反映出“雨點”的力量，霧靄茫茫，多像煙波；點點滴滴，又多像顆粒這里注意引導(dǎo)學(xué)生以全面的、辯證的觀點認識事物。實際上光的波粒二象性取決于你觀察問題的著眼點，就像我們常常用瞎子摸象來比喻同一個事物的不同側(cè)面的反映，在微觀世界中：大量光子運動產(chǎn)生的效果顯示出波動性，個別光子運動產(chǎn)生的效果顯示出粒子性，光在傳播時顯示波動性；與物質(zhì)發(fā)生作用時往往顯示粒子性?？梢灾笇?dǎo)學(xué)生在課后進一步了解科學(xué)界關(guān)于“光的本性”的探索歷程(參見課程資源《光的本質(zhì)——波動說與微粒說的交鋒》)，鼓勵學(xué)生撰寫小論文或分組交流、匯報各自的學(xué)習(xí)成果，從而使學(xué)生了解近代物理學(xué)的形成、發(fā)展的歷程，這當(dāng)中包括科學(xué)的假說、科學(xué)的遺憾、科學(xué)的突破、科學(xué)的爭論、科學(xué)的蒙難；使學(xué)生在了解物理學(xué)史的過程中受到科學(xué)研究方法的熏陶，也使學(xué)生感受科學(xué)家腳踏實地、埋頭苦干、不圖功利的科學(xué)態(tài)度和崇高的思想品德。4．原子光譜：原子能量的不連續(xù)原子光譜是微觀粒子能量不連續(xù)的典型現(xiàn)象，這里重在通過這一形象實例使學(xué)生更深地領(lǐng)會微觀世界能量量子化的特征。量子論建立的意義教材沒有作過多介紹，教學(xué)中可靈活處理，教師可以舉例說明也可以布置學(xué)生查詢量子論的發(fā)展對現(xiàn)代科技領(lǐng)域和社會發(fā)展的影響體現(xiàn)在哪些方面?？梢韵?qū)W生說明，普朗克的能量量子化思想、愛因斯坦的光量子假說以及之后的玻爾原子軌道量子化理論統(tǒng)稱為舊量子論，具有一定的局限性，很難應(yīng)用到更復(fù)雜的情況。1924年開始，為了擺脫舊量子論的局限性，物理學(xué)家們建立了全新的、描述微觀世界運動的理論——量子力學(xué)，新的量子理論不僅能勝任舊量子理論的全部任務(wù)，而且能夠準(zhǔn)確地描述更復(fù)雜的現(xiàn)象，并方便地應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域(參見課程資源《量子力學(xué)的建立和意義》)。也可指導(dǎo)學(xué)生在課后了解量子論進一步發(fā)展為量子力學(xué)的過程以及量子力學(xué)與科技、生活的密切聯(lián)系。注意應(yīng)向?qū)W生說明，量子論和量子力學(xué)的建立并不是完全否定了經(jīng)典力學(xué)，它只是在微觀世界領(lǐng)域否定了經(jīng)典物理中根深蒂固的連續(xù)性概念和決定論思想，事實上宏觀的經(jīng)典物理是量子物理的極限形式。本節(jié)教學(xué)中應(yīng)注重突出科學(xué)假說的作用和滲透科學(xué)假說的思想方法，這是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的重要途徑．對21世紀(jì)知識經(jīng)濟時代中參與競爭的學(xué)生，培養(yǎng)探究形成假說的能力、嚴密思維的能力和創(chuàng)新思維的能力無疑是十分必要和十分緊迫的．量子物理的發(fā)展與假說方法聯(lián)系密切，從黑體輻射問題的研究中出現(xiàn)的“紫外災(zāi)難”，到1900年普朗克的能量子假說，到1905年愛因斯坦“光量子假說”，到玻爾量子理論解釋原子問題，建立舊量子論，到海森堡、薛定諤提出量子力學(xué)，再應(yīng)用愛因斯坦相對論提出相對論量子力學(xué)的整個量子理論的發(fā)展，無不體現(xiàn)了從假說——理論——新假說——新理論……的循環(huán)發(fā)展模式，而每一次的發(fā)展都是對前一層次理論(假說)的繼承、完善和修改，又是后一層次理論(假說)的重要臺階。應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生體會假說的意