人教版高中物理選修性必修第三冊(cè)4.3《原子的核式結(jié)構(gòu)模型》教案

1、原子的核式結(jié)構(gòu)模型【教學(xué)目標(biāo)】一、知識(shí)與技能1了解陰極射線及電子發(fā)現(xiàn)的過(guò)程。2了解原子結(jié)構(gòu)模型建立的歷史過(guò)程及各種模型建立的依據(jù)。3知道?粒子散射實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，及原子核式結(jié)構(gòu)模型的主要內(nèi)容。二、過(guò)程與方法1通過(guò)對(duì)?粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論與交流，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)現(xiàn)象的分析中歸納中得出結(jié)論的邏輯推理能力。2通過(guò)核式結(jié)構(gòu)模型的建立，體會(huì)建立模型研究物理問(wèn)題的方法，理解物理模型的演化及其在物理學(xué)發(fā)展過(guò)程中的作用。3了解研究微觀現(xiàn)象的方法。三、情感、態(tài)度與價(jià)值觀1理解人類對(duì)原子的認(rèn)識(shí)和研究經(jīng)歷了一個(gè)十分漫長(zhǎng)的過(guò)程，這一過(guò)程也是辯證發(fā)展的過(guò)程，根據(jù)事實(shí)建立學(xué)說(shuō)，發(fā)展學(xué)說(shuō)，或是決定學(xué)說(shuō)的取舍，發(fā)現(xiàn)新的

2、事實(shí)，再建立新的學(xué)說(shuō)。人類就是這樣通過(guò)光的行為，經(jīng)過(guò)分析和研究，逐漸認(rèn)識(shí)原子的。2通過(guò)對(duì)原子模型演變的歷史的學(xué)習(xí)，感受科學(xué)家們細(xì)致、敏銳的科學(xué)態(tài)度和不畏權(quán)威、尊重事實(shí)、尊重科學(xué)的科學(xué)精神。3通過(guò)對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)的不斷深入，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到人類對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)是不斷擴(kuò)大和加深的，領(lǐng)悟和感受科學(xué)研究方法的正確使用對(duì)科學(xué)發(fā)展的重要意義?！窘虒W(xué)重點(diǎn)】1電子的發(fā)現(xiàn)。2原子的核式結(jié)構(gòu)模型?！窘虒W(xué)難點(diǎn)】?粒子散射實(shí)驗(yàn)?！窘虒W(xué)過(guò)程】一、新課導(dǎo)入很早以來(lái)，人們一直認(rèn)為構(gòu)成物質(zhì)的最小粒子是原子。科學(xué)家在研究稀薄氣體放電時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)玻璃管內(nèi)的氣體足夠稀薄時(shí)，陰極就發(fā)出一種射線。它能使對(duì)著陰極的玻璃管壁發(fā)出熒光。實(shí)驗(yàn)演示：

3、觀察陰極射線管1876年，德國(guó)物理學(xué)家戈德斯坦認(rèn)為管壁上的熒光是由于玻璃受到的陰極發(fā)出的某種射線的撞擊而引起的，并把這種未知射線稱之為陰極射線。那么，陰極射線的本質(zhì)是什么？二、新課教學(xué)（一）電子的發(fā)現(xiàn)對(duì)于陰極射線的本質(zhì)，有大量的科學(xué)家作了大量的科學(xué)研究，主要形成了兩種觀點(diǎn)。（1）電磁波說(shuō)：代表人物：赫茲。認(rèn)為這種射線的本質(zhì)是一種電磁波的傳播過(guò)程。（2）粒子說(shuō)：代表人物：湯姆孫。認(rèn)為這種射線的本質(zhì)是一種高速粒子流。思考：你能否設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行陰極射線的研究，能通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)說(shuō)明這種射線是一種電磁波還是一種高速粒子流。如果出現(xiàn)什么樣的現(xiàn)象就可以認(rèn)為這是一種電磁波，如果出現(xiàn)其他什么樣的現(xiàn)象就可以認(rèn)

4、為這是一種高速粒子流，能否測(cè)定這是一種什么粒子。1湯姆孫的研究英國(guó)物理學(xué)家湯姆孫在研究陰極射線時(shí)發(fā)現(xiàn)了電子。實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，從高壓電場(chǎng)的陰極發(fā)出的陰極射線，穿過(guò)D1D2后沿直線打在熒光屏P上。思考：（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖鞘裁?？?）判斷陰極射線是否是帶電粒子流的基本方法是什么？（3）測(cè)陰極射線比荷的基本思路是怎樣的？（4）哪些量可以當(dāng)作已知量處理？教師解答：（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模号袛嚓帢O射線是否帶電。如果陰極射線帶電，則測(cè)出其比荷。（2）判斷陰極射線是否是帶電粒子流的基本方法是什么？讓帶電粒子通過(guò)電場(chǎng)或磁場(chǎng)，觀察它是否偏轉(zhuǎn)。如果偏轉(zhuǎn)則帶電，否則不帶電。（3）測(cè)陰極射線比荷的基本思路是怎樣的？先加電場(chǎng)使陰

5、極射線偏轉(zhuǎn)。再加磁場(chǎng)，調(diào)整電場(chǎng)磁場(chǎng)的強(qiáng)度，使陰極射線不偏轉(zhuǎn)。每個(gè)陰極射線微粒受到的庫(kù)侖力等于洛倫茲力，求出陰極射線的速度。只保留磁場(chǎng)，陰極射線只受洛倫茲力，做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，再求比荷。（4）哪些量可以當(dāng)作已知量處理？場(chǎng)強(qiáng)E，磁感應(yīng)強(qiáng)度B，圓周運(yùn)動(dòng)的半徑r。教師：施加電場(chǎng)E之后，射線發(fā)生偏轉(zhuǎn)并射到屏上P2處。由此可以推斷陰極射線帶有什么性質(zhì)的電荷？怎么判斷的？學(xué)生：帶負(fù)電，因?yàn)閳?chǎng)強(qiáng)E的方向豎直向上，而射線向下偏，說(shuō)明電場(chǎng)力F的方向豎直向下，所以射線帶負(fù)電。教師：再加磁場(chǎng)抵消陰極射線的偏轉(zhuǎn)，使它從P2點(diǎn)回到P1，需要在兩塊金屬板之間的區(qū)域再施加一個(gè)大小、方向合適的磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)的方向是？根據(jù)什么判斷

6、？學(xué)生：垂直于黑板面向外，用左手定則判斷。教師：怎么得到不偏轉(zhuǎn)的時(shí)候電子的速度？學(xué)生：設(shè)粒子質(zhì)量為m，帶電荷為e，受到磁場(chǎng)力和電場(chǎng)力的作用，如果不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，則受力平衡：F電=eE=eVd，F(xiàn)磁=evBF電=eE=evB=F磁，得：v=EB教師：如果偏轉(zhuǎn)P3，我們可以得到什么？去掉D1、D2間的電場(chǎng)E，只保留磁場(chǎng)B，陰極射線在有磁場(chǎng)的區(qū)域?qū)?huì)形成一個(gè)半徑為r的圓?。╮可以通過(guò)P3的位置算出）。mv2r=evB得：qm=EB2r2實(shí)驗(yàn)結(jié)論：陰極射線是帶負(fù)電的粒子流。還可求出這種粒子的比荷。湯姆孫還發(fā)現(xiàn)用不同材料的陰極做實(shí)驗(yàn)，比荷數(shù)值都相同。說(shuō)明：不同物質(zhì)都能發(fā)射這種帶電粒子，它是構(gòu)成各種物質(zhì)的共有

7、成分。湯姆孫還由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的陰極射線的比荷是氫離子的比荷近2000倍。后來(lái)，湯姆孫直接測(cè)到了陰極射線粒子的電荷量，盡管當(dāng)時(shí)測(cè)量很不準(zhǔn)確，但足以證明這種粒子的電荷量與氫離子大致相同，質(zhì)量比氫離子小得多。發(fā)現(xiàn)電子以后，湯姆孫進(jìn)一步研究又發(fā)現(xiàn)了許多新現(xiàn)象：金屬受熱熱離子流紫外線照射光電流放射性物質(zhì)射線湯姆孫后續(xù)的實(shí)驗(yàn)粗略測(cè)出了這種粒子的電荷量確實(shí)與氫離子的電荷量差別不大，證明了湯姆孫的猜測(cè)是正確的。湯姆生把新發(fā)現(xiàn)的這種粒子稱之為電子。第一次較為精確測(cè)量出電子電荷量的是美國(guó)物理學(xué)家密立根利用油滴實(shí)驗(yàn)測(cè)量出的。密立根通過(guò)實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，電荷具有量子化的特征。即任何電荷只能是e的整數(shù)倍。電子的電荷量：e1.60

8、21773310-19C電子的質(zhì)量：m9.109389710-31kg（二）原子的核式結(jié)構(gòu)模型1湯姆孫的原子模型在J.J.湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子之后，對(duì)于原子中正負(fù)電荷如何分布的問(wèn)題，科學(xué)家們提出了許多模型。J.J.湯姆孫本人于1898年提出了一種模型。他認(rèn)為，原子是一個(gè)球體，正電荷彌漫性地均勻分布在整個(gè)球體內(nèi)，電子鑲嵌其中。有人形象地把他的這個(gè)模型稱為“西瓜模型”或“棗糕模型”。這個(gè)模型能夠解釋一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。但德國(guó)物理學(xué)家勒納德1903年做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，使電子束射到金屬膜上，發(fā)現(xiàn)較高速度的電子很容易穿透原子。這說(shuō)明原子不是一個(gè)實(shí)心球體，這個(gè)模型可能不正確。之后不久，?粒子散射實(shí)驗(yàn)則完全否定了這個(gè)模型。

9、2?粒子散射實(shí)驗(yàn)根據(jù)湯姆生模型猜想的結(jié)果：電子質(zhì)量很小，對(duì)?粒子的運(yùn)動(dòng)方向不會(huì)發(fā)生明顯影響；由于正電荷均勻分布，?粒子所受庫(kù)侖力也很小，故?粒子偏轉(zhuǎn)角度不會(huì)很大。教師演示實(shí)驗(yàn)，根據(jù)演示的實(shí)驗(yàn)描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：（1）絕大多數(shù)?粒子穿過(guò)金箔后仍沿原來(lái)方向前進(jìn)；（2）少數(shù)?粒子（約占8000分之一）發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)；（3）極少數(shù)?粒子的偏轉(zhuǎn)超過(guò)了90，有的甚至幾乎被撞了回來(lái)。這個(gè)現(xiàn)象讓盧瑟福很是震驚，在晚年曾說(shuō)過(guò)：這是我一生中最不可思議的事件，就像你對(duì)著一張紙發(fā)射一枚炮彈，卻被反射回來(lái)的炮彈擊中一樣的不可思議！采訪學(xué)生：此刻的你有什么感想？老師總結(jié)：這個(gè)結(jié)果固然讓我們震驚，很是激動(dòng)，但是我覺(jué)得在這個(gè)過(guò)程

10、中科學(xué)家們的鍥而不舍、嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的科學(xué)態(tài)度，更讓我們敬畏。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)史上十大最美實(shí)驗(yàn)之一（伽利略的自由落體、卡文迪許的扭秤實(shí)驗(yàn)、密里根的油滴實(shí)驗(yàn)，其他的大家不熟悉，有興趣的可以查資料了解）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之前預(yù)測(cè)完全不一致！思考：既然電子影響不大，那只能是正電荷，均勻分布又不行。那你認(rèn)為原子中的正電荷應(yīng)如何分布，才有可能造成?粒子的大角度偏轉(zhuǎn)？以及如何用你新的模型解釋三條現(xiàn)象？學(xué)生討論引導(dǎo)：不是電子，必為正電物質(zhì)，但又不時(shí)均勻分布，那么質(zhì)量和電荷量只能集中在很小的空間內(nèi)。點(diǎn)評(píng)：盧瑟福也是這么想的！英雄所見(jiàn)略同！總結(jié)原子特點(diǎn)：絕大部分是空的，正電體占原子質(zhì)量絕大部分而只占據(jù)很小的空間范圍。老師：

11、此時(shí)的盧瑟福既激動(dòng)，又矛盾：難道湯姆孫的模型是錯(cuò)誤的嗎？可是這是他的恩師，也是當(dāng)時(shí)物理學(xué)界的權(quán)威??！如果是你，你會(huì)怎么做？（有前途，下一個(gè)盧瑟福）老師：最后他花了一兩年的時(shí)間，做了大量的實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算后深思熟慮，決定尊重事實(shí)，不畏權(quán)威，大膽的推翻了湯姆孫的模型，提出了核式結(jié)構(gòu)模型。3原子的核式結(jié)構(gòu)模型（1）在原子的中心有一個(gè)很小的核，叫做原子核。（2）原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里。（3）帶負(fù)電的電子在核外空間繞著核旋轉(zhuǎn)。盧瑟福提出的原子模型中，帶正電的原子核像太陽(yáng)，帶負(fù)電的電子像繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)的行星。因而這個(gè)模型又被稱為“行星模型”。而這個(gè)唯美的圖片也已經(jīng)廣泛出現(xiàn)在科普讀物上，稱

12、為科學(xué)的標(biāo)志。再次驗(yàn)證：盧瑟福以這個(gè)模型為依據(jù)，利用經(jīng)典力學(xué)計(jì)算了各個(gè)方向粒子的比例，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合的很好。這里大家會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)很有趣的現(xiàn)象：剛開始我們公認(rèn)的牛人：電子之父有著重要的貢獻(xiàn)，但是今天所有的教科書都要批評(píng)他的西瓜模型。這也告訴我們：曾經(jīng)正確的科學(xué)家也會(huì)犯錯(cuò)誤，矛盾的出現(xiàn)預(yù)示著新的理論的形成，也只有新的理論可以解決矛盾?？茖W(xué)就是這樣螺旋式前進(jìn)著，一步步地走向真理。（三）原子核的電荷與尺度1原子核的帶電量思考：原子核帶多少正電荷？回答：原子核的電荷數(shù)電子數(shù)原子序數(shù)質(zhì)子數(shù)2原子核的尺度原子半徑的數(shù)量級(jí)多大？原子核半徑的數(shù)量級(jí)多大？回答：原子半徑的數(shù)量級(jí)為10-10m、原子核半徑數(shù)量級(jí)為

13、10-15m，兩者相差105倍！舉例：假設(shè)我們的教室就是一個(gè)原子，半徑大約10米，大家找找原子核相當(dāng)于教室里的什么呢？原子核的半徑大約只有0.1毫米！相當(dāng)于教室里的一個(gè)灰塵?！揪毩?xí)鞏固】1電子的發(fā)現(xiàn)說(shuō)明（ ）A原子是由原子核和電子組成的B物質(zhì)是帶電的且一定帶負(fù)電C原子可進(jìn)行再分D原子核可再分答案：C2關(guān)于陰極射線，下列說(shuō)法正確的是（ ）A陰極射線就是稀薄氣體導(dǎo)電的輝光放電現(xiàn)象B陰極射線是在真空管內(nèi)由陰極發(fā)出的電子流C陰極射線是某一頻率的電磁波D陰極射線可以直線傳播，也可被電場(chǎng)、磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)答案：BD3一只陰極射線管，左側(cè)不斷有電子射出，若在管的正下方，放一通電直導(dǎo)線AB時(shí)，發(fā)現(xiàn)射線徑跡向下偏，則（

14、 ）A導(dǎo)線中的電流由A流向BB導(dǎo)線中的電流由B流向AC若要使電子束的徑跡往上偏，可以通過(guò)改變AB中的電流方向來(lái)實(shí)現(xiàn)D電子束的徑跡與AB中的電流方向無(wú)關(guān)答案：BC4有一電子（電荷量為e）經(jīng)電壓為U0的電場(chǎng)加速后，進(jìn)入兩塊間距為d，電壓為U的平行金屬板間，若電子從兩板正中間垂直電場(chǎng)方向射入，且正好能穿過(guò)電場(chǎng)，求：（1）金屬板AB的長(zhǎng)度；（2）電子穿出電場(chǎng)時(shí)的動(dòng)能。答案：（1）d2U0U（2）eU0+U25提出原子核式結(jié)構(gòu)模型的科學(xué)家是（ ）A湯姆孫 B法拉第C盧瑟福 D奧斯特答案：C6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(guò)金屬箔后，仍按原來(lái)的方向前進(jìn)B絕大多數(shù)粒子穿過(guò)金屬箔后，仍按原來(lái)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(guò)金屬箔后，仍按原來(lái)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)答案：B7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(shuō)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(shuō)明原子的電子只能在某些不連續(xù)的軌道上運(yùn)動(dòng)答案：C8在粒子散射實(shí)驗(yàn)中，沒(méi)有考慮粒子跟電子的碰撞，其原因是（ ）A粒子不跟電子發(fā)生相互作用B粒子跟電子相碰時(shí)，損失的能量極少，可忽略C電子的體積很小，粒子不會(huì)跟電子相碰D由