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第四章 原子结构和波粒二象性
人教版 选择性必修第三册
（单元解读）
目录
CONTENTS
1
《课标》要求
2
学习目标
3
内容分析
4
本单元教学重点与难点
5
教学策略
01
《课标》要求
《课标》要求
3.3.1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。
3.4.1 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。
《课标》要求
3.4.2 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。
02
学习目标
学习目标
节次 学习目标
第1节 普朗克黑体辐射理论 物理观念∶了解黑体辐射以及实验结论，知道能量量子化的内涵。
科学思维∶对比经典能量观和微观能量子的特点，体会量子化物理模型的建立过程。
科学探究：通过观察热辐射的强度波长的关系图培养学生观察能力，感悟以实验为基础的科学探究方法。
科学态度与责任∶了解能量子概念的提出的科学过程，领会这一科学突破过程中科学家的思想，体会量子论的建立深化了人们对物质世界的认识。
第2节 光电效应 物理观念：知道光电效应现象、光电效应的实验规律以及用爱因斯坦理论解释光电效应。形成光量子初步的物理观念，通过学习康普顿效应解释一些天空为什么是蓝的现象，能应用光的波粒二象性解决一些实际问题。
科学思维：培养学生辩证思维能力，运用爱因斯坦理论对光电效应的实验规律进行解释。运用光量子假说成功解释光电效应和康普顿效应，形成光具有能量和动量的思维观念。
科学探究：通过观察光电效应的实验过程培养学生观察能力，感悟以实验为基础的科学探究方法。通过光量子假说分析光电效应的实验规律和康普顿效应。
科学态度与责任：感受微观世界的奇妙和谐，培养学生对科学的好奇心和求知欲，能够体验探索自然规律的艰辛与喜悦。通过物理学史的学习，使学生能从科学家的工作中感悟科学探究，培养学生类比思想，以及严谨的科学思维。
学习目标
节次 学习目标
第3节 原子的结构核式模型 物理观念：知道阴极射线及本质，了解电子及其比荷，知道原子的核式结构模型及原子核的电荷与尺度。
科学思维：掌握电子的电荷量、原子的核式结构模型，能够通过科学推理解决相关的问题。
科学探究：探究阴极射线的本质，理解α粒子散射实验，揭示实验本质，得出结论，体会科学家的探索方法，提高观察与实验的能力。
科学态度与责任：通过学习体验科学家探索科学的艰辛，坚持实事求是的科学态度，培养积极探索科学的兴趣。
4.2氢原子光谱和玻尔的原子模型 物理观念：知道玻尔原子理论基本假设的内容，了解能级、能级跃迁、能量量子化、基态、激发态等概念和相关的实验规律。
科学思维：掌握玻尔理论对氢光谱的解释，能用原子能级图分析、推理、计算，提高解决问题的能力。
科学探究：通过对氢原子光谱实验规律的探究及玻尔理论的理解，揭示物理现象的科学本质，提高探究能力。
科学态度与责任：学会用事实说话，坚持实事求是的科学态度，体验科学家的艰辛，激发探索科学规律的热情。
学习目标
节次 学习目标
第5节 粒子的波动性和量子力学的建立 物理观念：知道德布罗意波，光有波动性和粒子性、量子力学等基本观点和相关实验证据。
科学思维：掌握光的波粒二象性，理解其对立统一关系；并能应用波粒二象性解释有关现象，提高分析、推理能力。
科学探究：通过学习电子衍射、与干涉的探究，学会观察与讨论，并能得出实验结论，提高动脑能力。
科学态度与责任：学习科学家们探究物质波、建立量子力学的艰辛，坚持实事求是的科学态度，激发学习科学的兴趣。
03
内容分析
内容分析
第1节
本节内容由黑体与黑体辐射、黑体辐射的实验规律和能量子三部分组成。在必修课程的基础上，本节对相关内容进行了进一步的阐述，特别是对黑体辐射的实验规律与经典电磁辐射理论相矛盾的问题，有了更加严谨的科学过程解析，使普朗克的能量量子化假说的引人有了扎实的实验基础。本节重点是通过对不同温度下黑体辐射强度与波长关系的实验图像的分析，让学生感悟以实验为基础的科学探究方法。难点是如何让学生认识能量量子化假说。
教科书给出了不同温度下黑体辐射强度与波长关系的实验规律，介绍了经典理论结果与实验事实之间产生的矛盾，在此基础上引出普朗克的能量子假说。对于这部分内容，教科书是按物理学的历史脉络展开的，目的是使学生能从前辈大师的工作中体会科学探究的真实过程。教学中要注意引导学生感受科学家进行探究的科学方法与科学精神。
内容分析
第2节
本节内容由光电效应的实验规律、光电效应经典解释中的疑难、爱因斯坦的光电效应理论、康普顿效应和光子的动量、光的波粒二象性五部分组成，内容较多，难度较大。本节知识是本章的重点内容，教科书把这些内容放在一节的目的是希望让学生对光的本质有一个较为全面的认识。
本节知识的重点和难点是光电效应的实验规律和爱因斯坦的光电效应理论。建议教学中要创造条件做好实验，用好教科书的几幅插图。光电效应和康普顿效应是认识光的粒子性的重要依据，爱因斯坦在普朗克能量子假说的基础上，用量子思想对光电效应的解释是科学转折的重大信号，更多的科学家开始关注普朗克提出的量子观点，并开创了新的局面。
内容分析
第3节
本节内容由电子的发现、原子的核式结构模型、原子核的电荷与尺度三部分组成。重点是电子的发现对于人类认识原子结构的重要意义，以及卢瑟福在a粒子散射实验基础上提出的原子的核式结构模型。本节内容开启了对原子结构发现历史与其科学研究方法的探索旅程。教科书通过介绍人类认识原子结构的过程，启发学生认识科学探究的意义。
电子的发现说明原子不是组成物质的最小微粒，对揭示原子结构有重大意义，是19世纪末物理学的三大发现(X 射线、放射性、电子)之一。物质通常是不带电的，即原子应该是电中性的，由于原子含有带负电的电子，推想到原子中还有带正电的部分。这就提出了进--步探索原子的结构、建立原子模型的问题。
内容分析
第4节
本节内容主要分为两大部分:第一部分是光谱、氢原子光谱的实验规律和经典理论的困难;第二部分是玻尔原子理论的基本假设、玻尔理论对氢光谱的解释和玻尔理论的局限性。第二部分是本节的重点和难点。
本节内容再现了原子结构理论在实践中接受检验、推理、再检验、再修正的过程。要在教学过程中使学生体会到，从原子核式结构(理论)→经典理论难以解释(实践)→玻尔原子结构假说(新理论)→对氢光谱的成功解释(再实践)的科学探究过程，领会科学方法和科学精神。
内容分析
第5节
本节内容由粒子的波动性、物质波的实验验证、量子力学的建立和量子力学的应用四部分组.成。教科书第一-部分介绍了1924年德布罗意如何受到普朗克能量子和爱因斯坦光子理论的启发,提出实物粒子也具有波粒二象性的假设，并提出德布罗意波的概念。实物粒子具有粒子性已是不争的事实，实物粒子的波动性还有待于实验的验证。教科书第二部分介绍了1927 年戴维森和G.P.汤姆孙分别利用单晶和多晶晶体做了电子束衍射的实验，成功地观察到了电子束的衍射图样，从而证实了实物粒子也具有波动性。教科书后两部分简单介绍了量子力学的建立过程，并利用时间轴向列表介绍了一些量子力学推动的重要技术，以及这些技术的应用。
本节教科书中关于粒子的波动性内容是对学生进行类比思想方法培养的好素材，在教学中应当高度重视。
04
本单元教学重点与难点
本单元教学重点与难点
教学 重点 1、黑体辐射和能量量子化。
2、光电效应的实验规律和用爱因斯坦理论解释光电效应;光电效应方程、康普顿效应和光的波粒二象性。
3、了解电子及其比荷，知道原子的核式结构模型及原子核的电荷与尺度。
4、玻尔原子理论的基本假设。
5、实物粒子的波粒二象性，实验验证物质波，量子力学的建立。
教学 难点 1、理解能量量子化假说。
2、光电效应的实验规律和用爱因斯坦理论解释光电效应。
3、探究阴极射线的本质，理解α粒子散射实验，揭示实验本质，得出结论，体会科学家的探索方法，提高观察与实验的能力。
4、玻尔理论对氢光谱的解释。
5、实物粒子的波粒二象性，实验验证物质波。
05
教学策略
教学策略
1.从科学概念蜕变的历史轨迹中领悟科学家的科学探究
在普朗克提出能量量子化假说之前，人们总认为能量值是连续的。通过展示科学家探究黑体 辐射的实验规律的历史轨迹，可以让学生感悟到物理学研究方法的进步中包含着传统观念的蜕变，以及科学家的独特思考与探索。
例如，1900年，在黑体辐射问题面前，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，基于这个假说的数学公式与实验吻合得非常完美。关于这个问 题，《普通高中教科书物理必修第三册》第十三章第5节“能量量子化”已对黑体、能量子等概 念进行了初步的介绍。本章再次介绍黑体辐射和普朗克的能量量子化假说，目的是突出黑体辐射 的实验规律与经典电磁理论的矛盾，进一步引出能量量子化
教学策略
假说。关于普朗克为什么会想到微观 粒子的能量是量子化的，他当时的具体想法已经不重要了，重要的是这个假说的推论与事实相符。这是反映科学家完成科学探究过程的关键要素之一，这一点在教学中应予以强调。
1905年，爱因斯坦推广了普朗克假说，提出了光量子理论。为了解释光电效应，必须假定 电磁波本身的能量也是不连续的，即认为“光”本身就是由一个个不可分割的能量子(光子)组 成的，这一理论使光电效应的全部实验结果得到圆满解释。基于光量子理论得出的光电效应方 程，圆满解释了光电效应，并经受了密立根实验的进一步检验。
教学策略
另外，教学中应引导学生了解以下观点：光电效应和康普顿效应都说明光子具有粒子性，光电效应表明光子具有能量，康普顿效应表明光子既有能量又有动量。了解这样的观点对学生理解 电磁波的物质性是很有必要的。教科书曾在《普通高中教科书物理必修第三册》第九章第3节 “电场 电场强度”、第十三章第1节“磁场 磁感线”和第4节“电磁波的发现及应用”中，就 告诉学生有关“磁场”“电场”“电磁场”的物质性问题。但是，为什么电磁场是一种物质 它与通常理解的物质，例如水、石块有什么共性 这些问题都未涉及。所以，在此之前关于电磁场物质性的说法都只是停留在字面上，无法让学生理解它的真正含义。康普顿效应要用动量守恒的关 系来处理，表明电磁场不但具有能量而且具有动量。能量和动量是物质的最基本属性，至此，学生对电磁场物质性的认识才得以深化。
教学策略
3. 贯穿原子结构发现的历史和科学研究的方法
在中学物理课程中，学生可以通过自己的探究活动来学习科学探究、体验探究过程；也可以 通过科学家的探究活动学习科学探究。学生在初中已经学过原子的核式结构，但并不了解这些知 识是怎样获得的。教科书介绍了科学家怎样一步一步地深入认识了原子结构，学生通过这段历史 可以进一步了解科学探究的过程，了解人类认识微观世界的方法和途径，有利于培养他们的学习兴趣，发展他们的思维能力。
教科书把人类认识原子结构的历程大致分为以下三个阶段，每个阶段都体现了科学探究的特 点。第一阶段：发现电子，认识到原子内部也有结构。教科书首先介绍了人们对阴极射线本质认 识的两种观点，以及J.J.汤姆孙对阴极射线的研究，引出了电子的发现过程。电子的发现，对人类认识原子结构具有重大意义。它使人们改变了认为原子是组成物质的最小微粒的看法，认识到原子是由更小的微粒构成的。
教学策略
第二阶段：推测原子中电荷的分布，认识到原子的核式结构。教科书介绍了卢瑟福根据α粒子散射实验结果提出的原子核式结构模型。在我们日常所处的宏观世界中，可以直接用眼睛观察 物体的结构，但在原子尺度的微观世界里，已经不能靠眼睛来获取信息了。最常用的获取微观世界信息的方法是用中性的(如中子)或者带电的(如α粒子)粒子轰击所要研究的物质，使入射粒子与物体中的微粒相互碰撞。
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(原子的稳定性和原子光谱的分立特征),玻尔提出了新的原子理论。通过上述三个阶段的学习，学生可以感悟到，人类对微观世界的认识是逐步深入的，在认识各种未知事物时，理论(假说)与实验总是相互促进的。科学家通过对实验事实的分析，提出模型或假说，这些模型或假说又在实验中接受检验，正确的被肯定下来，经不起检验的被否定，在新的基础上再提出新的学说。科学研究就是这样不断向前发展的。人类对原子结构的认识，生动地体现了科学发展的这种过程。
教学策略
4. 正确认识创新与继承的关系
科学认识发展的历史，就是一部创新的历史。教科书希望学生通过对本章内容的学习，能够 感悟创新思维的意义和方式，正确认识创新与继承的关系。例如，科学家在对原子结构的认识过 程中，卢瑟福提出的原子的核式结构模型可以很好地解释α粒子散射实验，但是，无法解释原子 的稳定性和原子的分立光谱。玻尔在发展卢瑟福的模型时，就保留了它的合理内容，即有原子核 存在，而摈弃了其他不合理的内容。所以说，玻尔的原子理论和卢瑟福的核式结构模型之间有一 种继承和发展的关系。同样，玻尔的原子模型也是不完善的，它解决了原子的稳定性问题，很好 地解释甚至预言了氢原子的光谱，但是面对更复杂的原子，玻尔理论也无能为力。在后来发展的 量子理论中，玻尔提出的定态和在定态之间跃迁的概念都被保留下来，而不正确的经典轨道概念就被抛弃了。
诺贝尔物理学奖获得者汤川秀树说：“对旧有知识的熟知和对新事物的敏感是一个人创造力的基础和源泉。”物理教学应该帮助学生在熟知已有知识体系的基础上，正确看待继承和发展的关系，提升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。
教学策略
5. 突出量子理论对人类物理观念的改变
本章是围绕量子力学的建立过程展开的，力图向学生阐明：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，同时，这一重大发现还改变了人们的自然观、科学观，成为人类思想和观念进步的伟大阶梯。
我们知道，人的科学素养不仅指科学知识方面的素养，它还有更高的层次，也就是对科学方 法、科学意识和科学精神等方面的要求。具体来说，教科书介绍了普朗克黑体辐射理论、爱因斯 坦光电效应理论、康普顿散射理论、玻尔氢原子理论以及德布罗意物质波假说等一系列理论，这 些理论在解释实验方面又都取得了成功。而且，值得注意的是，这些理论都与普朗克常量密切相 关，教科书用图4.5-3 直观地向学生展示了这个关系。它预示着这些理论之间存在着紧密的内在联系，进而引出人们对建立描述微观世界的物理理论——量子力学的需求。
教学策略
6.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
谢谢观看
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