电子的发现具有重大的历史意义,因为它确实打开了研究原子结构(甚至物质组成的微观结构)的大门。那么电子的发现过程是怎样的呢?
就《普通高中课程标准实验教科书——物理(选修3-5)》2010年4月第3版“电子的发现”一节编写来看,这个过程是这样的:
1858年,德国物理学家普吕克尔首次捕捉到了阴极射线现象;
1876年,另一位德国物理学家戈德斯坦给出了阴极射线现象产生的原因,并把相应射线命名为阴极射线。
从此旋起了对阴极射线本质的研究,未研究清楚之前有两种观点:一种认为是电磁辐射;另一种认为是带电粒子。
1890年起,英国物理学家J.J.汤姆逊进行了一些列实验,历时7年,通过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(电荷量和质量之比)。
然后再一次更换不同材料做实验,最终推断阴极射线是各种物质的共有的成分,实际上也断定它是比原子更小的微观粒子。
进一步研究了氢离子的比荷,发现阴极射线的比荷大约是氢离子的2000倍。此时,汤姆逊猜测它们的电荷量应该相等,而阴极射线的质量远小于氢离子。
再“后来,汤姆逊直接测量了阴极射线粒子的电荷量,尽管测量不准确,但足以证明这种粒子电荷量的大小与氢离子大致相同,由此看出他当初的猜测是正确的。”
更后一些时间,组成阴极射线的粒子被称为电子。
博主以电子的发现过程为线索组织本节教学,引导同学们体验这一发现过程中的智慧火花,然而就要到上面红色部分内容时,博主先提出了一个问题:到底是阴极射线的电荷比氢离子大,还是质量比氢离子小?一起交流后,大家得出结论需要采用分离变量法来研究,那么到底是先研究质量关系好,还是研究电荷量关系?大家猜测应该先研究电荷量。于是我与学生一起思考这个问题,最终感觉到:使用电场或磁场对阴极射线的偏转,只能得到比荷,未能独立测出电荷量或者质量。于是陷入了思维的困局之中……
博主备课时并没有预设到此情此景,一段时间沉思后,期盼直接领略科学家的智慧,于是就出现了上面红色部分内容。然而不看则已,一看更加苦恼,汤姆逊设计了怎样的实验直接测量出阴极射线的电荷量?
这样一个难题,博主和我的学生们都没能给出圆满答案!14班的廖戈剑同学出色地联想到选修3-1“科学足迹”中《密立根实验——电子电荷量的测定》。于是我请廖戈剑同学介绍这个实验方法,得出这个最小电荷量后,我立刻提出问题:我们何以断定这个最小的电荷量就等于电子的电荷量呢?这一问又使大家陷入了疑惑之中……
这堂课,学生们自己解决了很多疑惑。但是很遗憾,电子的电荷量怎样直接测量却成为了这堂课的一个谜!这当然是一堂很遗憾的课,那么这是一堂失败的课吗?这堂课会给学生留下些什么呢?留给学生的是智慧火花,还是……?
附录:课后博主查阅曾经就读过的专业书籍,也查阅了网络,查阅结果是:没有找到汤姆逊直指测量电子电荷量的实验内容。于是博主猜测,当时电子是人们公认的最小的微观粒子,因此把这个最小的电荷量(元电荷)规定为电子的电荷量这是很自然的事。至于质子的电荷量,则由氢原子的不显电性推断而来,于是质子的电荷也等于元电荷。这种规定,显然具有偶然性,而且就当前的理论现状和运用现状来看,这种规定并不会带来理论上的困惑和实践上的不便。
此刻,我就想,以上工作如果鼓励学生来做,将会有怎样的教育意义呢?我们的家长、我们的校长以及以升学率为政绩的长官们会指出这一做法吗?呜呼哀哉!
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