资源简介

4.3原子的核式结构模型 教案
【教材分析】
（一）教材分析
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人类认识原子结构的重要意义，以及卢瑟福在α粒子散射实验基础上提出的原子核式结构模型。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。教材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。
【学情分析】
（一）学情分析
学生通过化学的学习，对于原子结构有一定的认识，但是科学家经历了怎样的过程，原子那么小，要用什么方法去研究，学生还不太了解，因此对于这一部分的学习，应该有一定的好奇心。有些问题可以引导学生思考，有些研究方法，也可以引导学生用之前所学习的物理知识去理解。
【教学目标】
（一）教学目标
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。
【教学重难点】
（一）教学重难点
重点 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。
难点 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。
【新课导入】
（一）新课导入
早在1858 年，德国物理学家普吕克尔就发现了气体导电时的辉光放电现象。
1876 年，德国物理学家戈德斯坦认为管壁上的荧光是由于玻璃受到的阴极发出的某种射线的撞击而引起的，这种射线被命名为阴极射线。
阴极射线的本质？
赫兹：电磁波说
这种射线本质是一种电磁波的传播过程
汤姆逊：粒子说
这种射线本质是一种高速粒子流
【新课讲解】
（一）电子的发现
电子的发现
教师介绍汤姆孙，给出汤姆孙对射线本质的认识。
问：如果你也认为阴极射线是一种带点粒子流，要如何验证呢？请大家设计一下实验。
答：学生会利用电磁场的相关知识设计实验。引出汤姆孙的气体放电管，并且加以介绍。
教师介绍汤姆孙实验结果：
①1897 年，J. J. 汤姆孙根据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。比荷是氢离子（也就是质子）比荷的近两千倍。J. J. 汤姆孙认为，这可能表示阴极射线粒子电荷量的大小与一个氢离子一样，而质量比氢离子小得多。后来，他直接测到了阴极射线粒子的电荷量， 尽管测量不很准确，但足以证明这种粒子电荷量的大小与氢离子大致相同，这就表明他当初的猜测是正确的。
②汤姆孙进一步发现，用不同材料的阴极做实验， 所得比荷的数值都是相同的。这说明不同物质都能发射这种带电粒子，它是构成各种物质的共有成分。组成阴极射线的粒子被称为电子。
电子发现的过程体现了科学实验的重要性。补充电子电荷量的测量。（密立根油滴实验）
教师介绍密立根油滴实验：
电子电荷的精确测定是在1909 1913年间由密立根通过著名的“油滴实验”做出的。目前公认的电子电荷e的值为e＝1.602176634×10-19C。密立根实验更重要的发现是：电荷是量子化的，即任何带电体的电荷只能是e的整数倍。从实验测到的比荷e的数值，可以确定电子的质量。现在人们普遍认为电子的质量为m＝9.109383 56×10 -31 kg。带电粒子的电荷量与其质量之比，即比荷，是一个重要的物理量。
发现电子以后，J. J. 汤姆孙又进一步研究了许多新现象，如光电效应、热离子发射效应和β射线等。他发现，不论阴极射线、光电流、热离子流还是β射线，它们都包含电子。J. J. 汤姆孙对证实电子的存在有很大贡献，因此公认他是电子的发现者。他因气体导电的研究获得1906 年的诺贝尔物理学奖
经历的电子发现的过程，让学生谈一下电子发现的意义。
教师总结：电子的发现，使人们认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也是有结构的。同时电子带负点，原子带正电，为“原子的核式结构模型”买下伏笔。
原子带正电，电子带负电，那么原子内部的正电和负电是如何分布的，汤姆孙提出了原子的枣糕模型，图片展示枣糕模型，汤姆生的枣糕模型虽然能够解释一些物理现象，但无法解释卢瑟福α粒子散射实验。
3．ɑ粒子散射实验原理、装置、实验现象
ɑ粒子散射实验的装置，主要由放射源、金箔、荧光屏、望远镜和转动圆盘几部分组成。ɑ粒子散射实验在课堂上无法直接演示，利用动画向学生模拟实验的装置、过程和现象，使学生获得直观的切身体验，留下深刻的印象。通过多媒体重点指出，荧光屏和望远镜能够围绕金箔在一个圆周上运动，从而可以观察到穿透金箔后偏转角度不同的ɑ粒子。动画展示实验，通过显微镜观察到的现象，并且要让学生了解，这种观察是非常艰苦细致的工作，所用的时间也是相当长的。
学生分组讨论交流得到实验结果：绝大多数沿原来的方向前进，少数发生了较大偏转，极少数发生大角度偏转。
教师提问：根据汤姆生原子模型分析，α粒子轰击金箔后应出现什么情况？
①α粒子出现大角度散射有没有可能是与电子碰撞后造成的？
②按照汤姆生原子模型，α粒子在原子附近或穿越原子内部后有没有可能发生大角度偏转？
学生分组讨论交流得到结果：
①碰撞前后，质量大的α粒子遇到电子，就像飞行的子弹遇到空气中的尘埃，因此不可能出现大角散射。
②对于α粒子在原子附近时由于原子呈中性，与ɑ粒子之间没有或很小的库仑力的作用，正电荷在原子内部均匀的分布，α粒子穿过原子时，由于原子两侧正电荷将对它的斥力有相当大一部分互相抵消，使α粒子偏转的力不会很大，所以α粒子不可能发生大角度偏转。
教师再次提问：这个实验结果和我们预想的结果有什么不同？汤姆生原子结构模型准确吗？
学生分组讨论交流得到结果：汤姆生原子结构模型无法解释ɑ粒子散射实验现象。
教师再次提问：你认为原子中的正电荷和质量应如何分布，才有可能造成ɑ粒子的大角度偏转？
学生小组讨论、小组间互相提问。
教师总结：
①绝大多数粒子基本不偏转表明：原子内部绝大部分是“空”的。
②少数粒子发生较大偏转表明：原子内部有“正电荷集中”的区域。
③极少数粒子被弹回表明：作用力很大，质量很大的核。
师生互动，学生小组讨论，学生分析推理得到卢瑟福的原子结构模型，得到卢瑟福的原子的核式结构模型后再展示立体动画α粒子散射模型，使学生有更清晰的直观形象、生动的认识。
（一）原子的核式结构模型
原子的核式结构模型
汤姆孙原子模型是什么样的？
原子是一个球体，正电荷均匀分布在整个球体内，电子镶嵌其中。
德国物理学家勒纳德 1903 年做了一个实验，使电子束射到金属膜上，发现较高速度的电子很容易穿透原子。这说明原子不是一个实心球体，这个模型可能不正确。之后的α粒子散射实验则完全否定了这个模型。
引导学生辩证看待问题：虽然汤姆孙模型被否定，但是他的大胆假设，同时这个模型可以解释原子的电中性。
那么什么是α粒子散射实验
①介绍卢瑟福，介绍他高超的物理实验技能
②介绍α粒子散射实验装置。介绍实验装置的工作原理，记录α粒子数目，是一件很辛苦的事情，科学家在这个过程中所展现出来的科学态度和研究精神，都值得我们学习。利用视频展现α粒子散射实验装置工作过程，帮助学生去直观理解。
实验结果：实验发现，绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数 α 粒子（约占八千分之一）发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于900 ，也就是说它们几乎被“撞了回来”。 汤姆孙模型无法解释大角度偏转。
问：①、电子能否使α粒子大角度偏转？
②、1微米厚的金箔内含3000层原子层，绝大多数α粒子穿过金箔仍沿原方向前进说明什么？
③、少数α粒子的大角度偏转甚至反弹是怎么造成的？
这些问题，可以引导学生用已经学习过的电场、动量等相关知识去解释，并且提出自己的想法。可以让学生有学习的获得感。
卢瑟福原子结构模型（原子的核式结构模型）
原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动。
利用原子核式结构模型解释大角度偏转。当α粒子接近原子时，电子对它的影响仍如前述可以忽略，但是，正电体对它的作用就不同了。因为正电体很小，当a粒子进入原子区域后，大部分离正电体很远，受到的库仑斥力很小，运动方向几乎不改变。只有极少数α粒子在穿过时距离正电体很近，因此受到很强的库仑斥力，发生大角度散射。这个情况如图所示。
卢瑟福还用这个模型进行了计算，结果与实验符合的很好。在物理学中，实验和理论总是相辅相成的。
原子核的尺度很小，那原子核到底有多大呢？
（4）原子核的电荷与尺度
原子核的电荷：由不同元素对α粒子散射的实验数据可以确定各种元素原子核的电荷Q。又由于原子是电中性的，可以推算出原子内含有的电子数。科学家们注意到，各种元素的原子核的电荷数，即原子内的电子数，非常接近它们的原子序数，这说明元素周期表中的各种元素是按原子中的电子数来排列的。
现在，我们知道，原子确实是由带电荷＋Ze 的核与核外Z 个电子组成。原子序数 Z 等于核电荷与电子电荷大小的比值。后来又发现原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数就是核中的质子数。
原子核的尺度：通常用核半径表征核的大小。原子核的半径是无法直接测量的，一般通过其他粒子与核的相互作用来确定。a 粒子散射是估计核半径的最简单的方法。对于一般的原子核，实验确定的核半径的数量级为10-15m，而整个原子半径的数量级是10-10m，两者相差十万倍之多。可见原子内部是十分“空旷”的。可以通过下图的类比，感知原子内部的空旷。
（一）原子核的电荷与尺度
环节三：原子核的电荷与尺度
阅读教材第82页的相关内容，了解原子核的电荷和原子核的大小。
教师检查学生的自学情况，进行归纳总结：
(1)原子核的电荷：原子是由带电荷量+Ze的核与核外Z个电子组成的。原子序数Z表示原子核的电荷是一个电子电荷量的多少倍。原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数就是核内的质子数。
(2）原子核的大小：原子核半径的数量级为10-15m，而整个原子半径的数量级是10-10m，两者相差十万倍之多。
思考与讨论：原子核的半径只相当于原子半径的十万分之一，体积只相当于原子体积的千万亿分之一。如果把原子核比喻为一枚一元硬币的大小，那么原子有多大呢？
足球场的大小。
【板书】
（一）板书
一、电子的发现
1、电子的比荷
2、电子的电荷量
二、原子的核式结构模型
卢瑟福α粒子散射实验
三、原子核的电荷与尺度
1、由质子和中子组成
2、半径数量级10-15m
【课后反思】
（一）课后反思
本节教学中始终以实验为基础，通过宏观现象来研究微观结构，为了有助于观察，可以用课件模拟汤姆孙发现电子实验，a粒子散射实验，在教学中突出问题提出的实验基础和研究问题的方法和过程。本节内容属于定性介绍，这些知识可能学生都已经了解过，会有轻视心理，所以教学时精心设计问题。通过学习，使学生了解到人类是怎样在实验与理论的相互推动下不断加深对原子结构的认识的，教学中应该重视唯物辩证主义观点和科学的思想方法的教育。

展开更多......

收起↑