《原子與原子核的結(jié)構(gòu)》教學(xué)設(shè)計(jì)

原子與原子核的結(jié)構(gòu)教學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)時(shí)：2學(xué)時(shí)，第1學(xué)時(shí)完成原子的核式結(jié)構(gòu)模型;第2學(xué)時(shí)完成原子核的組成和質(zhì)能方程。 一、教材結(jié)構(gòu)框圖 二、教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì) (一)知識(shí)與技能 1.了解盧瑟福a粒子散射實(shí)驗(yàn)，核式結(jié)構(gòu)模型的建立，了解從分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果到提出原子的核式結(jié)構(gòu)學(xué)說的過程; 2.知道質(zhì)子和中子的發(fā)現(xiàn)過程及原子核的組成;了解原子物理的研究方法是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)分析; 3.了解原子核的表示方法，了解同位素;了解愛因斯坦質(zhì)能方程的含義，感受它的科學(xué)之美。 (二)過程與方法 通過對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)過程的學(xué)習(xí)，體會(huì)物理學(xué)解決“黑箱問題”的方法，并理解人類對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)是不斷擴(kuò)大和加深的科學(xué)探究永無止境; (三)情感態(tài)度與價(jià)值觀 通過閱讀史料，感受前輩科學(xué)家為探究真理而畢生奮斗的科學(xué)精神。 三、學(xué)習(xí)重點(diǎn) 盧瑟福的粒子散射實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象及所說明的問題。 四、教學(xué)過程設(shè)計(jì) 第一環(huán)節(jié)：回顧歷史，提出問題 (播放1964年我國第一顆原子彈爆炸成功的視頻) 1945年7月16日，美國在新墨西哥州沙漠中阿拉莫戈多的“三一”試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)30米高的鐵塔上，進(jìn)行了人類有史以來的第一次核試驗(yàn);1954年建在前蘇聯(lián)的卡盧加州奧布寧斯克城的世界首座核電站;1964年我國第一顆原子彈爆炸成功。說明人類已經(jīng)開始利用原子的核能。 1893年道爾頓(J. Dalton)提出了原子學(xué)說：一切物質(zhì)都由極小的微粒原子組成。不同的物質(zhì)，含有不同的原子，不同原子的大小、質(zhì)量和性質(zhì)不同。隨后被許多實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，并且對(duì)許多現(xiàn)象給予了定量的解釋?？茖W(xué)的發(fā)展證實(shí)了原子的存在。當(dāng)原子學(xué)說逐漸被人們接受以后，人們又面臨著新的問題：原子到底有多大?原子是如何構(gòu)成的?內(nèi)部結(jié)構(gòu)如何?原子是最小的粒子嗎 (出示雞蛋或者雞蛋的圖片) 問題1：假如你以前從未吃過雞蛋，甚至沒有見過雞蛋，現(xiàn)在你想知道這東西里面究竟有什么，有什么辦法嗎? 問題2：如果你不想打碎它，但又想知道這里面有什么，有什么辦法嗎? 問題3：在陌生的環(huán)境中，發(fā)現(xiàn)一個(gè)不認(rèn)識(shí)的東西。為了了解它，有什么簡(jiǎn)潔的辦法? (黑箱法：指一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不清楚，或根本無法弄清楚時(shí)，從外部輸入控制信息，使系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)后輸出信息，再根據(jù)其輸出信息來研究其功能和特性的一種方法。) 問題4：我們用什么辦法去探究微觀的原子世界? 很自然地引導(dǎo)學(xué)生歸納出科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)探索常用的思維方法：即觀察物理現(xiàn)象提出假設(shè)構(gòu)建理想化物理模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 第二環(huán)節(jié)：提出假設(shè)，科學(xué)驗(yàn)證 (一)原子的核式結(jié)構(gòu)模型 (1)電子的發(fā)現(xiàn)把人們帶入了原子內(nèi)部的世界 1897年，湯姆遜通過陰極射線管的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電子，并進(jìn)一步測(cè)出了電子的荷質(zhì)比：e/m。不久，人們發(fā)現(xiàn)在氣體電離和過電效應(yīng)等現(xiàn)象中，都可以從物質(zhì)中擊出電子。電子的質(zhì)量比最輕的氫原子的質(zhì)量小的多，因而認(rèn)為電子是原子的組成部分。 湯姆遜被譽(yù)為：“一位最先打開通向基本粒子物理學(xué)大門的偉人?！?(2)提出假設(shè)湯姆生原子模型 電子帶負(fù)電，而原子是中性的，可見，原子內(nèi)還有帶正電的物質(zhì)。由此，科學(xué)家提出了許多原子模型，最有影響力的是湯姆生提出的棗糕式模型。 (3)設(shè)計(jì)新的探究方案粒子散射實(shí)驗(yàn) 19091911年，盧瑟福為了驗(yàn)證他的導(dǎo)師湯姆生的“棗糕式模型”，建議他的研究生蓋革和馬斯頓觀察鐳發(fā)射出的高速粒子穿過薄的金屬箔片后的偏轉(zhuǎn)情況。 1.粒子散射實(shí)驗(yàn)原理： 湯姆生提出的棗糕式原子模型是否對(duì)呢?原子的結(jié)構(gòu)非常緊密，用一般的方法是無法探測(cè)它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的，要認(rèn)識(shí)原子的結(jié)構(gòu)，需要用高速粒子對(duì)它進(jìn)行轟擊。而粒子具有足夠的能量，可以接近原子中心。它還可以使熒光屏物質(zhì)發(fā)光。如果粒子與其他粒子發(fā)生相互作用，改變了運(yùn)動(dòng)方向，熒光屏就能夠顯示出它的方向變化。研究高速的粒子穿過原子的散射情況。是研究原子結(jié)構(gòu)的有效手段。 (教師指出：研究原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)要用到的方法：黑箱法、微觀粒子碰撞方法。) 2.粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置 粒子散射實(shí)驗(yàn)的裝置，主要由放射源、金箔、熒光屏、望遠(yuǎn)鏡和轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤幾部分組成。 (由于粒子散射實(shí)驗(yàn)無法用真實(shí)的實(shí)驗(yàn)演示給學(xué)生看，所以利用動(dòng)畫向?qū)W生模擬實(shí)驗(yàn)的裝置、過程和現(xiàn)象，使學(xué)生獲得直觀的切身體驗(yàn)，留下深刻的印象。通過多媒體重點(diǎn)指出，熒光屏和望遠(yuǎn)鏡能夠圍繞金箔在一個(gè)圓周上運(yùn)動(dòng)，從而可以觀察到穿透金箔后偏轉(zhuǎn)角度不同的粒子。并且要讓學(xué)生了解，這種觀察是非常艱苦細(xì)致的工作，所用的時(shí)間也是相當(dāng)長(zhǎng)的。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的巧妙之處：1.炮彈奇特，高速粒子;電量是氫離子的2倍，質(zhì)量是氫離子的四倍，是電子的7000倍，速度是光速的1/10，能量巨大。2.靶子極薄，金的延展性非常好，可以達(dá)到微米級(jí)的厚度，容易打穿。3.裝置巧妙，顯微鏡和熒光屏可以在一個(gè)圓周上運(yùn)動(dòng)，統(tǒng)計(jì)在各個(gè)不同位置相同時(shí)間內(nèi)接收到的粒子數(shù)就可以確定粒子穿過金原子后的偏轉(zhuǎn)情況。) 3.實(shí)驗(yàn)的觀察結(jié)果 粒子散射實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù) 散射角 15o 30o 45o 60o 75o 105o 120o 150o 閃爍數(shù) 132019 7800 1435 477 211 69 51 33 根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用科學(xué)語言表述實(shí)驗(yàn)結(jié)果： (學(xué)生分組討論交流)得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果：絕大多數(shù)沿原來的方向前進(jìn)，少數(shù)發(fā)生了較大偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。 第三環(huán)節(jié)：分析討論，得出結(jié)論 根據(jù)湯姆生原子模型分析： 問題1：粒子出現(xiàn)大角度散射有沒有可能是與電子碰撞后造成的? (引導(dǎo)學(xué)生討論交流)碰撞前后，質(zhì)量大的粒子遇到電子，就像飛行的子彈遇到空氣中的塵埃，因此不可能出現(xiàn)大角散射。 問題2：粒子在原子附近或穿越原子內(nèi)部后有沒有可能發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)? (學(xué)生分組討論交流得到結(jié)果)對(duì)于粒子在原子附近時(shí)由于原子呈中性，與粒子之間沒有或很小的庫侖力的作用，正電荷在原子內(nèi)部均勻的分布，粒子穿過原子時(shí)，由于原子兩側(cè)正電荷將對(duì)它的斥力有相當(dāng)大一部分互相抵消，使粒子偏轉(zhuǎn)的力不會(huì)很大，所以粒子不可能發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。 問題3：這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和我們預(yù)想的結(jié)果有什么不同?湯姆生原子結(jié)構(gòu)模型準(zhǔn)確嗎? 學(xué)生分組討論交流得到結(jié)果：湯姆生原子結(jié)構(gòu)模型無法解釋粒子散射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。 問題4：湯姆生原子模型中的正電荷和質(zhì)量均勻分布在整個(gè)原子內(nèi)預(yù)想的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不同，你認(rèn)為原子中的正電荷和質(zhì)量應(yīng)如何分布，才有可能造成粒子的大角度偏轉(zhuǎn)? (學(xué)生小組討論、小組間互相提問)解答：實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)極少數(shù)粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，甚至反彈回來，表明這些粒子在原子中某個(gè)地方受到了質(zhì)量、電量均比它本身大得多的物體的作用，可見原子中的正電荷、質(zhì)量應(yīng)都集中在一個(gè)中心上。 (師生互動(dòng)，學(xué)生小組討論，學(xué)生分析推理)得到： 1.絕大多數(shù)粒子不偏移原子內(nèi)部絕大部分是“空”的。 2.少數(shù)粒子發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)原子內(nèi)部有“核”存在。 3.極少數(shù)粒子被彈回表明：作用力很大;質(zhì)量很大電量集中。 (盧瑟福的原子結(jié)構(gòu)模型圖片) 在原子的中心有一個(gè)很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外空間里繞著核旋轉(zhuǎn)。 根據(jù)盧瑟福的原子核式模型和粒子散射的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以推算出各種元素原子核的電荷數(shù)，還可以估計(jì)出原子核的大小。 原子的半徑約為10-10米、原子核半徑約是10-14米，原子核的體積只占原子的體積的萬億分之一。 原子核所帶正電荷數(shù)與核外電子數(shù)以及該元素在周期表內(nèi)的原子序數(shù)相等。 電子繞核旋轉(zhuǎn)所需向心力就是核對(duì)它的庫侖力。 盧瑟福的原子核式模型，能解釋粒子散射實(shí)驗(yàn)，卻與經(jīng)典的電磁理論發(fā)生了矛盾。 (二)原子核的組成 閱讀：質(zhì)子和中子的發(fā)現(xiàn)人們認(rèn)識(shí)到原子核的組成 英國物理學(xué)家盧瑟福在1919年做核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子，經(jīng)過研究證明，質(zhì)子帶正電荷，其電量和一個(gè)電子的電量相同，它的質(zhì)量等于一個(gè)電子質(zhì)量的1836倍.進(jìn)一步研究表明，質(zhì)子的性質(zhì)和氫原子核的性質(zhì)完全相同，所以質(zhì)子就是氫原子核。 1932年英國物理學(xué)家查德威克又發(fā)現(xiàn)了中子，通過研究證明中子的質(zhì)量和質(zhì)子的質(zhì)量基本相同，但是不帶電.是中性粒子.在對(duì)各種原子核進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和電子是組成原子核的兩種基本粒子。 中子的發(fā)現(xiàn)是世界科學(xué)史上又一個(gè)里程碑，它使人類從此跨進(jìn)了原子能時(shí)代。因?yàn)橹凶拥陌l(fā)現(xiàn)解決了理論物理學(xué)家在原子核的質(zhì)子、電子模型上碰到的難題，人們認(rèn)識(shí)到原子核原來是由質(zhì)子和中子組成的，而不是由質(zhì)子和電子組成的。意大利的著名科學(xué)家費(fèi)米后來用中子作核炮彈依次來襲擊各種元素的原子核，于是由此發(fā)現(xiàn)了核裂變和核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。查德威克由于發(fā)現(xiàn)了中子，被授予1935年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。 閱讀課本48頁后回答：什么是同位素? (三)質(zhì)能方程 閱讀課本49頁： (1)質(zhì)量虧損 科學(xué)家研究證明在核反應(yīng)中原子核的總質(zhì)量并不相等，例如精確計(jì)算表明：氘核的質(zhì)量比一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量之和要小一些，這種現(xiàn)象叫做質(zhì)量虧損，質(zhì)量虧損只有在核反應(yīng)中才能明顯的表現(xiàn)出來。(回顧質(zhì)量、能量的定義、單位。明確質(zhì)量不是能量、能量也不是質(zhì)量，質(zhì)量不能轉(zhuǎn)化能量，能量也不能轉(zhuǎn)化質(zhì)量，質(zhì)量只是物體具有能量多少及能量轉(zhuǎn)變多少的一種量度) (2)愛因斯坦質(zhì)能方程： E=mc2 相對(duì)論指出，物體的能量(E)和質(zhì)量(m)之間存在著密切的關(guān)系，即E=mc2式中，c為真空中的光速。愛因斯坦質(zhì)能方程表明：物體所具有的能量跟它的質(zhì)量成正比。由于c2這個(gè)數(shù)值十分巨大，因而物體的能量是十分可觀的。 (3)核反應(yīng)中由于質(zhì)量虧損而釋放的能量：E=m c2 物體貯藏著巨大的能量是不容置疑的，但是如何使這樣巨大的能量釋放出來?從愛因斯坦質(zhì)能方程同樣可以得出，物體的能量變化E與物體的質(zhì)量變化m的關(guān)系：E=mc2 第四環(huán)節(jié)：小結(jié)交流，測(cè)試反饋 課本50頁“問題與練習(xí)”1，2，3，4 5.盧瑟福提出原子的核式結(jié)構(gòu)學(xué)說的根據(jù)是，在用粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)粒子( ) A.全部穿過或發(fā)生很小的偏轉(zhuǎn); B.絕大多數(shù)穿過，只有少數(shù)發(fā)生很大偏轉(zhuǎn)，甚至極少數(shù)被彈回; C.絕大多數(shù)發(fā)生很大的偏轉(zhuǎn)，甚至被彈回，只有少數(shù)穿過; D.全部發(fā)生很大的偏轉(zhuǎn)。 6.在用粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn)中，盧瑟福觀察到的粒子的運(yùn)動(dòng)情況是( ) A.全部粒子穿過金屬箔后仍按原來的方向前進(jìn) B.絕大多數(shù)粒子穿過金屬箔后仍按原來的方向前進(jìn)，少數(shù)發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)甚至被彈回 C.少數(shù)粒子穿過金屬箔后仍按原來的方向前進(jìn)，絕大多數(shù)發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，甚至被彈回 D.全部粒子都發(fā)生很大偏轉(zhuǎn) 7.原子的核式結(jié)構(gòu)學(xué)說，是盧瑟福根據(jù)以下哪個(gè)實(shí)驗(yàn)或現(xiàn)象提出來的( ) A.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn) B.氫原子光譜實(shí)驗(yàn) C.粒子散射實(shí)驗(yàn) D.天然放射現(xiàn)象 8.盧瑟福粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果( ) A.證明了質(zhì)子的存在 B.證明了原子核是由質(zhì)子和中子組成的 C.說明原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在一個(gè)很小的核上 D.說明原子的電子只能在某些不連續(xù)的軌道上運(yùn)動(dòng) 9.當(dāng)粒子被重核散射時(shí)，如圖所示的運(yùn)動(dòng)軌跡哪些是不可能存在的( ) 10.質(zhì)子的質(zhì)量mp，中子的質(zhì)量為mn，它們結(jié)合成質(zhì)量為m的氘核，放出的能量應(yīng)為( ) A.(mp+mn-m)C2B.(mp+mn)c2C.mc2D.(m-mp)c2 五、結(jié)束語 普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)指出：“高中物理課程應(yīng)促進(jìn)學(xué)生自