原子核式結(jié)構(gòu)模型 教學(xué)設(shè)計(jì) 高二下學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第三冊(cè)

教學(xué)設(shè)計(jì)

課程基本信息課題原子的核式結(jié)構(gòu)模型教學(xué)目標(biāo)1．了解原子結(jié)構(gòu)模型建立的歷史過程及各種模型建立的依據(jù)。[來源:學(xué).2．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。3.通過對(duì)原子模型演變歷史的學(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。教學(xué)內(nèi)容教學(xué)重點(diǎn)：1．引導(dǎo)學(xué)生小組自主思考討論：會(huì)預(yù)設(shè)棗糕模型會(huì)出現(xiàn)的軌跡，再由粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)矛盾，從而否定棗糕模型，得出原子的核式結(jié)構(gòu)2．在教學(xué)中滲透和讓學(xué)生體會(huì)物理學(xué)研究方法，滲透物理學(xué)方法：模型法教學(xué)難點(diǎn)：引導(dǎo)學(xué)生小組自主思考討論：對(duì)ɑ粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析從而否定棗糕模型，得出原子的核式結(jié)構(gòu)教學(xué)過程一．引入新課知識(shí)復(fù)習(xí)——電子的發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)單復(fù)習(xí)上節(jié)課的內(nèi)容：自從1808年道爾頓提出原子學(xué)說，人們都認(rèn)為原子是組成物質(zhì)的最小微粒，是不能再分的。直到1897年，湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子（板書）提出了原子是可分割的。電子的發(fā)現(xiàn)是人類對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)上的一次巨大飛躍，是近代物理三大發(fā)現(xiàn)之一（X射線放射性電子）。湯姆孫也由此榮獲了諾貝爾物理獎(jiǎng)，被稱為“電子之父”。二．新課學(xué)習(xí)（一）粒子散射實(shí)驗(yàn)1.提出問題電子發(fā)現(xiàn)的同時(shí)也誕生一個(gè)新的問題：通常情況下物質(zhì)是不帶電的，也就是原子是電中性的，而電子帶負(fù)電且質(zhì)量很小，可見原子內(nèi)部還有帶正電的部分且具有大部分原子的質(zhì)量，這些帶正電的部分和帶負(fù)電的電子是如何分布的呢？這就是我們本節(jié)課要學(xué)習(xí)的內(nèi)容2，猜想建模（西瓜模型）咱們物理學(xué)研究中有常用的方法叫模型法。發(fā)現(xiàn)電子后，關(guān)于原子中正負(fù)電荷的分布問題，科學(xué)家們提出了許多原子模型，最有影響的模型之一是：湯姆孫提出的一種模型湯姆孫認(rèn)為，原子是球體，帶正電的物質(zhì)均勻地分布于球體內(nèi)，帶負(fù)電的電子一顆一顆地鑲嵌在球內(nèi)各處的一個(gè)個(gè)同心環(huán)上。這個(gè)模型和我們生活很多物體都很相似。比如梅子布丁、棗糕、西瓜。湯姆孫原子模型因此又被形象的稱為梅子布丁模型、棗糕模型、“西瓜模型”。因?yàn)槲鞴夏Ｐ秃芊先藗兊娜粘ＵJ(rèn)識(shí)，又解釋了原子為什么是電中性的，電子在原子里是怎樣分布的，還解釋了原子為什么發(fā)光等等。一切看似都很完美，1903年出現(xiàn)一個(gè)小插曲。勒納德做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，使電子束射到金屬膜上，發(fā)現(xiàn)速度較高的電子很容易穿透原子。由此人們想到：難道原子不是一個(gè)實(shí)心球體嗎？3.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（粒子散射實(shí)驗(yàn)）西瓜模型到底對(duì)不對(duì)呢？我說了不算，你說也不算，科學(xué)僅僅有猜想是不夠的，還需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。湯姆孫的原子模型提出后，他的學(xué)生盧瑟福就想用實(shí)驗(yàn)的方法來驗(yàn)證。可是如同這個(gè)西瓜，你想知道它內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，怎么辦？切開！對(duì)，可是由于原子的結(jié)構(gòu)非常緊密，一般的方法無法打開它。盧瑟福想到有效的方法：利用高能粒子去轟擊原子。為什么選擇粒子？從質(zhì)量和速度分析帶正電，電量是電子電量的2倍，質(zhì)量約是氫原子的4倍，約是電子質(zhì)量的7300倍。從放射性元素中放射出來的粒子動(dòng)能很大，射出速度達(dá)107m/s，不折不扣的高能粒子。α粒子打到熒光屏上能產(chǎn)生一個(gè)閃爍的亮點(diǎn)，可用顯微鏡觀察。所以1909～1911年，英國物理學(xué)家盧瑟福和他的學(xué)生進(jìn)行了用粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn)，即粒子散射實(shí)驗(yàn)。（2）粒子散射實(shí)驗(yàn)原理：粒子打在金箔上，由于金原子里的帶電體會(huì)產(chǎn)生庫侖力，一些粒子的運(yùn)動(dòng)方向會(huì)發(fā)生改變，就是粒子的散射現(xiàn)象。統(tǒng)計(jì)散射到各個(gè)方向的粒子所占的比例，就可以推知原子中電荷的分布情況。（3）粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置圖片展示：粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置圖。放射源：放射物質(zhì)放在帶小孔的鉛盒中，能放射粒子。金箔：厚度極小，可至1微米（雖然很薄但仍有幾千層原子）。熒光屏：玻璃片上涂有熒光物質(zhì)硫化鋅，裝在顯微鏡上。α粒子打到熒光屏上能產(chǎn)生一個(gè)閃爍的亮點(diǎn)，可用顯微鏡觀察。顯微鏡：能夠圍繞金箔在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，在不同偏轉(zhuǎn)角觀察，可看到α粒子的散射現(xiàn)象。3.實(shí)驗(yàn)預(yù)想投影出三個(gè)問題讓學(xué)生先自己思考，師生共同分析，然后讓學(xué)生小組討論預(yù)想：如果原子結(jié)構(gòu)是湯姆孫的“西瓜模型”，α粒子穿過“西瓜模型”原子的軌跡是怎樣的呢？1.α粒子射入金箔是難免跟電子碰撞，電子的碰撞可能使粒子出現(xiàn)大角度散射嗎？2．按照西瓜模型，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)？沿哪個(gè)方向前進(jìn)的可能性較大？學(xué)生回答：1．粒子跟電子碰撞過程中，粒子質(zhì)量是電子質(zhì)量的7300倍，電子對(duì)粒子在速度大小和方向上的影響就像灰塵對(duì)槍彈的影響是完全可以忽略的，因此碰撞后質(zhì)量大的粒子速度幾乎不變。2．對(duì)于粒子在原子附近時(shí)由于原子呈中性，與ɑ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)，分幾種情況：從中間不偏，原子間的空隙中過不偏，上邊上偏，下邊下偏，當(dāng)粒子穿過原子時(shí)，四面八方的正電荷都對(duì)它有庫倫斥力，大部分互相抵消，使粒子偏轉(zhuǎn)的力不會(huì)很大老師總結(jié)：可見，粒子這顆重型炮彈轟擊原子時(shí)，無論是小小的電子，還是均勻分布的正電荷，都不會(huì)使粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn).即使受到一點(diǎn)阻擋的話，也只是稍微改變一下方向而已。我們看一段BBC的科普記錄片實(shí)驗(yàn)主要任務(wù)是觀察熒光屏，數(shù)粒子數(shù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)十分的辛苦，如果盯著顯微鏡觀察半小時(shí)，有什么感覺？頭暈。那么當(dāng)時(shí)盧瑟福他們是否也是面臨了身心煎熬，但也要堅(jiān)持一步步找尋真理盧瑟福和他的學(xué)生觀察了幾個(gè)月之久，經(jīng)過了長(zhǎng)期的多角度的觀察，驚奇的事情出現(xiàn)了！他們觀察到了被金箔反彈回來了的粒子。經(jīng)過大量的統(tǒng)計(jì)，得到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：=1\*GB3①.絕大多數(shù)粒子穿過金箔后仍沿原方向前進(jìn)；=2\*GB3②少數(shù)粒子穿過金箔后發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)；=3\*GB3③極少數(shù)粒子偏轉(zhuǎn)幾乎達(dá)到180°，被金箔彈了回來。極少數(shù)的粒子能夠觀察到的機(jī)率是1/8000，即有8000個(gè)粒子轟擊金箔，才可能有一個(gè)粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。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)，但是我覺得在這個(gè)過程中科學(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.矛盾出現(xiàn)按照“西瓜模型”預(yù)想的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)的真實(shí)結(jié)果一致嗎？不，解釋不了思考:既然電子影響不大，那只能是正電荷，均勻分布是不行的。那你認(rèn)為原子中的正電荷應(yīng)如何分布，才有可能造成ɑ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)?？偨Y(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。點(diǎn)評(píng)：盧瑟福也是這么想的！英雄所見略同！老師：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？我的老師湯姆孫錯(cuò)了嗎？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）二次采訪學(xué)生感想：如果是你，你會(huì)怎么做？點(diǎn)評(píng)（有前途，下一個(gè)盧瑟福）老師：虛擬實(shí)驗(yàn)室微觀演示做了大量的實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算后深思熟慮，決定尊重事實(shí)，大膽的提出了核式結(jié)構(gòu)模型。5.重新建模（核式結(jié)構(gòu)模型）為了解釋粒子的散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果，盧瑟福在1911年提出了原子的核式結(jié)構(gòu)學(xué)說：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高速旋轉(zhuǎn)。盧瑟福提出的原子模型中，帶正電的原子核像太陽，帶負(fù)電的電子像繞著太陽轉(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。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)存在不足，新現(xiàn)象的出現(xiàn)預(yù)示著新的理論的形成，也只有新的理論可以解決新問題?？茖W(xué)就是這樣螺旋式前進(jìn)著，不斷發(fā)現(xiàn)未知，不斷完善理論，一步步的走向真理。二．原子核的電荷和尺度（一）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)（二）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10-15m，兩者相差105倍！舉例：原子如果相當(dāng)于直徑約為百米的體育場(chǎng)大小，半徑大約100米，大家找找原子核相當(dāng)于體育場(chǎng)里的什么呢？則原子核的直徑相當(dāng)于毫米大小的露珠；三．課后拓展其實(shí)盧瑟福的模型提出后，很多科學(xué)家都無法接受，因?yàn)殡娮釉趲靵隽ο吕@核運(yùn)轉(zhuǎn)，電磁場(chǎng)發(fā)生變化，激發(fā)出電磁波，就是向外輻射能量。那么能量越來越少，電子軌道半徑減小，最后會(huì)撞到原子核上。但事實(shí)上很穩(wěn)定。那么這個(gè)矛盾又在呼喚著什么新理論的出現(xiàn)，誰又將繼續(xù)完成我們的發(fā)現(xiàn)之旅呢？我