摘 要：对选择性必修第三册第四章“原子结构和波粒二象性”的编写意图进行梳理、说明.明确本章结构的设计特点，展现教材编写的逻辑线索，对教材中如何落实学科的核心素养目标进行了解读.在具体说明中，围绕本章的具体内容进行细致说明并给出教学建议.

关键词：原子结构;波粒二象性;物理核心素养;编写说明

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）07-0016-03

作者简介：魏昕（1986-），男，青海人，博士，副编审，研究方向：物理课程与教材.

在量子力学建立之前，玻尔曾在前人关于原子结构研究工作的基础上，根据普朗克、爱因斯坦等提出的量子概念建立了前期量子论，可以部分地说明原子的若干性质.虽然玻尔的理论能够解决的问题有限，并且被后来的量子力学所取代，但是应该看到在物理学的发展史中，每一重大进展都是建立于在此之前的认识之上，必须明确问题所在，进行新的观察和理论研究，不是凭空一蹴而就的.教材以上述科学发展的历史脉络为线索，通过对黑体辐射理论、光电效应、原子模型的发展、粒子波动性，以及波粒二象性等重要内容的介绍，展示了量子理论的建立过程，在讲授相关知识的同时，希望能够帮助学生体会物理观念转变的过程，了解当中蕴含的思想和方法.

1 全章概述

《普通高中物理课程标准（2017年版）》（以下简称“新课标”）要求：（1）了解人类探索原子及其结构的历史.知道原子的核式结构模型.通过对氢原子光谱的分析，了解原子的能级结构.（2）通过实验，了解光电效应现象.知道爱因斯坦光电效应方程及其意义.能根据实验结论说明光的波粒二象性.（3）知道实物粒子具有波动性，了解微观世界的量子化特征.体会量子论的建立对人们认识物质世界的影响.

《物理（必修第三册）》中在对黑体、能量子等概念初步描述的基础上，本章第一节主要介绍黑体辐射的实验规律，通过实验规律与经典电磁辐射理论的矛盾，引出普朗克的能量量子化假说.第二节介绍光电效应实验规律，以及爱因斯坦提出光子概念解释光电效应的实验结果.此外，本节又介绍了康普顿效应，表明光子不仅具有能量，而且具有动量，光子的动量与光的波长和普朗克常量有关.光电效应和康普顿效应揭示了光的粒子性.从此，人们意识光具有波粒二象性.第三、四节主要涉及原子结构模型的发展.第三节介绍电子的发现过程，以及卢瑟福提出的原子核式结构模型.第四节介绍了氢原子光谱的规律，以及玻尔在核式结构模型的基础上提出的新的原子理论.第五节主要介绍了粒子的波动性，波的频率、波长与粒子的能量和动量的关系，以及粒子波动性的实验验证.

本章在核心素养方面有以下考虑：

（1）物理观念.通过原子结构和波粒二象性的学习，促进对于微观世界物质、能量特点的认识，进一步深化学生的物质观、能量观.此外，学生通过物理学史能够领略到经典物理观向量子物理观发展的过程，体会到量子理论不仅以其概念、原理揭示了自然界中物质运动的诸多规律，而且这一重大发现，同时改变了人们的自然观、科学观，思考这一过程中促使观念转变的重要因素以及所蕴含的思想方法，为学生今后物理观念乃至科学观的发展奠定基础.

（2）科学思维.本章介绍了黑体、能量子、电子、原子、波粒二象性等一系列物理模型，通过对这些模型的学习，体会建立过程中的思维特征，促进学生建模能力的提升.此外，这些模型具有紧密的联系，体现了物理学逐步发展的特点，在学习知识的同时，学生也能够体会到创新的内涵，要引导学生正确地理解创新当中的继承与发展的关系.

（3）科学探究.学生既可以通过实际动手学习科学探究，也可以通过了解前人的探究活动学习科学探究.本章所涉及的内容，对于学生自己動手探究而言难度较大，教材通过对原子结构发展的介绍，体现了当时物理学家的探究过程，学生在学习的过程中，能够认识到探究微观世界的方法与途径，拓展他们对科学探究本身以及如何学习科学探究的理解.

（4）科学态度与责任.本章中再现了多位著名科学家的研究工作，他们严谨、不放过细节，同时又大胆、敢于提问与想象，这些优秀品质能够感染学生，加深学生对科学的热爱，有助于提升自身品格.教材在本章最后介绍了量子力学的应用，展现了量子力学与现代生活的密切联系，希望提升学生的学习兴趣.

课时安排建议

第1节 普朗克黑体辐射理论1课时

第2节 光电效应1课时

第3节 原子的核式结构模型1课时

第4节 氢原子光谱和玻尔的原子模型1课时

第5节 粒子的波动性和量子力学的建立1课时

2 具体说明

2.1 突出量子理论对人类物理观念的改变

在普朗克提出能量子假说之前，人们已经知道场与物质能够发生相互作用，并且相互交换能量，但认为这种能量交换是连续的.1900年，在黑体辐射现象面前，普朗克作出了与经典观念相冲突的假设，即辐射的能量是一份一份地向外发出的，而且实验证实他是正确的.1905年，爱因斯坦为了解释光电效应，发展出了光子的概念.

随后，德布罗意从类比和对称性的角度出发，认为在对实物粒子的研究上，可能过多地强调了粒子性，而忽视了粒子存在的波动性.这种思考导致了一种新的物理观念——物质具有波粒二象性被树立起来.至此，原有的观念——物质或者只能是粒子、或者只能是波的观念被破除了.

新的观念深刻地改变了人们对科学的认识.教师要引导学生进行总结与思考：对于宏观对象，我们可以根据直接经验，建立粒子模型和波动模型进行研究，并得出它们的运动规律.对于微观粒子，虽然缺少感官的直接认识，但是我们也要建立一些模型来研究它们的运动规律，微观粒子的波粒二象性就是这样的模型.即使这一模型与学生的直接经验十分不符，但只要基于它所建立的概念及理论与实验结果一致，就说明该模型能够在一定范围内正确地代表我们要研究的对象.

2.2 拓展学生对科学探究的认识

在高中阶段，学生需要拓展对科学探究的认识，知道既可以通过实际动手来学习科学探究，也可以通过了解科学家的真实探究历程来了解科学探究.初中阶段，学生已经学过原子的结构，但并不了解这些知识的获得过程.本章教材介绍了人类是如何一步一步地深入认识原子结构的，学生通过这段历史可以了解科学探究的过程，了解人类研究微观对象的方法和途径，有利于培养学生的探索兴趣，发展他们的科学思维能力.

教材将人类对原子结构的探究历程大致分为三个阶段.第一阶段：发现电子.线索如下：（1）根据实验现象提出问题——阴极射线究竟是电磁辐射还是带电微粒？（2）汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定它的本质是带负电的粒子流，并求出了这种粒子的比荷.（3）汤姆孙进一步发现，用不同材料的阴极做实验，所得比荷的数值都是相同的，这说明不同物质都能发射这种带电粒子，它是构成各种物质的共有成分.（4）汤姆孙通过比较阴极射线粒子的比荷与氢离子的比荷，认为阴极射线粒子电荷量的大小与一个氢离子的电荷量相同，后来他用实验证明了自己的猜想，阴极射线粒子即为电子.（5）密立根实验精确测定了电子电荷量，并发现电荷是量子化的，任何带电体的电荷只能是电子电荷量的整数倍.（6）汤姆孙进一步对光电效应、热离子发射、β射线等新现象进行研究，发现它们当中都包含电子.

第二阶段：认识原子的结构.线索如下：（1）汤姆孙发现电子后，提出了原子的“西瓜模型”;（2）α粒子散射实验否定了“西瓜模型”的正确性;（3）根据α粒子散射实验的结果，卢瑟福提出了自己的原子结构模型——核式结构模型;（4）卢瑟福以核式结构模型为依据，利用经典力学计算了各个方向散射的α粒子的比例，结果与实验事实相一致，证明了原子核式结构模型的正确性.

第三阶段：在对电子运动的研究中，经典电磁理论遇到了矛盾，玻尔提出了新的观念.线索如下：（1）经典电磁理论无法解释原子的稳定性和原子光谱的分立特征;（2）玻尔提出新的假设，即轨道和能量具有分立性，并进行了数学推理;（3）理论计算与氢光谱实验等结果一致，证实原子玻尔模型的有效性;（4）玻尔模型不能解释比氢原子稍复杂的原子的光谱，仍具有局限性.

通过以上三个阶段的学习，学生可以体会到：理论和实验相互促进人类对微观世界的理解.科学家在对实验、事实分析的基础上，提出能够对其进行描述和解释的模型或假说，这些模型或假说又要在后续的实验中接受检验，正确的被接受，与实验不符的則被否定，或是在新的实验基础上再次提出新的假说.学生应当认识到，真实的科学探究就是这样不断交错展开的，科学就是这样不断向前发展的.

2.3 引导学生体会创新思维

科学的发展史就是一部创新史.教材希望学生通过对本部分内容的学习，能够体会创新的思维方式，正确认识创新当中继承与发展的关系.例如，在对原子结构的认识过程中，汤姆孙发现电子后提出了“西瓜模型”，但这一模型与α粒子散射实验的结果不相符，因此被卢瑟福提出的核式结构模型所替代.但随着认识的不断深入，核式结构模型又无法解释原子的稳定性和原子的分立光谱，于是，玻尔保留了其合理的部分——有原子核存在，而摈弃了其他不合理的部分，发展出了半经典、半量子的玻尔原子理论.同样，玻尔原子理论也具有局限性，虽然它第一次将量子观念引入原子领域，成功地解释了氢原子光谱的实验规律，但面对稍微的或更复杂一点的原子，玻尔原子理论也无法解释它的光谱现象.在随后的量子理论中，玻尔提出的定态和跃迁的概念被保留，而经典粒子的观念——将电子的运动看作经典力学描述下的轨道运动便被抛弃了.

从以上人类对微观世界的探索历程可以看出，新、旧理论之间存在着密切的联系，物理教学应该在帮助学生熟知已有知识体系的同时，培育学生正确看待这种继承和发展的关系，以及对新事物敏感的思维品质，鼓励他们敢于解脱传统观念，勇于提出新见解.

（收稿日期：2021-01-20）