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12.1 走进微观
一、探索微观世界的历程
人类对物质组成的探索从未停止，从古代的哲学猜想到现代的科学实验，我们对微观世界的认识不断深化。
古代思想家早已提出关于物质构成的猜想。古希腊哲学家德谟克利特认为，万物都是由不可分割的微小粒子 ——“原子” 构成的，“原子” 一词在希腊语中意为 “不可分割”。我国古代思想家墨子也提出了 “端” 的概念，认为物质被分割到最后会得到不可再分的最小单元。
17 世纪，科学家通过实验开始建立对微观世界的科学认识。英国科学家罗伯特 胡克用自制显微镜观察软木薄片，发现了类似小房间的结构，将其命名为 “细胞”，开启了微观观察的先河。19 世纪初，英国科学家道尔顿提出了近代原子学说，认为物质是由原子构成的，原子是不可再分的实心球体，同种原子的性质和质量都相同。
19 世纪末到 20 世纪初，一系列重大发现推动了微观世界研究的飞跃。汤姆生发现了电子，打破了 “原子不可再分” 的传统观念，提出了 “葡萄干布丁” 模型，认为原子是一个带正电的球体，电子像葡萄干一样镶嵌在其中。卢瑟福通过 α 粒子散射实验，提出了原子核式结构模型，认为原子中心有一个很小的原子核，电子在核外绕核运动。之后，玻尔、薛定谔等科学家进一步完善了原子结构理论，逐步揭开了微观世界的神秘面纱。
二、物质的微观构成
（一）物质由分子组成
我们身边的一切物质，无论是固态、液态还是气态，都是由极其微小的粒子 —— 分子组成的。分子是保持物质化学性质的最小微粒。
分子的体积非常小，通常以 10 米为单位来度量（1 纳米 = 10 米，分子直径约为 0.1 纳米左右）。例如，一个水分子的直径约为 4×10 米，如果把水分子紧密排列，1 立方厘米的水中大约含有 3.35×10 个水分子，这么多的分子如果让一个人去数，每秒数 1 个，大约需要数 1 万亿年才能数完。
分子之间存在空隙。将 50 毫升水和 50 毫升酒精混合后，总体积小于 100 毫升，这是因为水分子和酒精分子之间存在空隙，混合时分子相互填充了对方的空隙。固体和液体分子之间的空隙较小，气体分子之间的空隙较大，所以气体容易被压缩，而固体和液体很难被压缩。
（二）分子由原子构成
分子并不是微观世界的最小单元，分子是由原子构成的。例如，一个水分子（H O）由 2 个氢原子和 1 个氧原子构成；一个二氧化碳分子（CO ）由 1 个碳原子和 2 个氧原子构成。
不同的物质由不同的原子构成，原子的种类决定了元素的种类。目前，人类已经发现的元素有 118 种，正是这些种类有限的原子，通过不同的组合方式构成了千千万万种不同的物质。
（三）原子的结构
原子是由位于中心的原子核和核外电子组成的。原子核带正电，电子带负电，电子在原子核的引力作用下绕核做高速运动。
原子核的体积非常小，只占原子体积的几千亿分之一，但原子的几乎全部质量都集中在原子核上。原子核是由质子和中子组成的，质子带正电，中子不带电，一个质子所带的电荷量与一个电子所带的电荷量相等。
不同原子的核内质子数不同，质子数决定了原子的种类。例如，氢原子的核内只有 1 个质子，氦原子的核内有 2 个质子，碳原子的核内有 6 个质子。核外电子的数量与核内质子数量相等，所以整个原子呈电中性。
电子的质量很小，约为质子质量的 1/1836。电子在核外的运动状态比较特殊，它不像行星绕太阳那样有固定的轨道，而是在一定的空间范围内做无规则的高速运动，我们可以用 “电子云” 来描述电子在核外空间出现的概率分布。
三、微观粒子的特性
（一）微观粒子在永不停息地做无规则运动
一切物质的分子都在永不停息地做无规则运动，这种运动叫做分子的热运动。温度越高，分子的热运动越剧烈。
我们可以通过扩散现象来证明分子的热运动。将一滴红墨水滴入一杯清水中，过一段时间后，整杯水都会变红，这是红墨水分子在水中做无规则运动的结果。在气体中，扩散现象更加明显，比如在房间里打开一瓶香水，很快就能在房间的各个角落闻到香味。
（二）微观粒子之间存在相互作用力
分子之间同时存在着引力和斥力。当分子之间的距离较小时，斥力起主要作用，表现为分子之间相互排斥；当分子之间的距离较大时，引力起主要作用，表现为分子之间相互吸引；当分子之间的距离等于平衡距离时，引力和斥力相等，分子处于平衡状态。
固体很难被拉伸，是因为分子之间存在引力；固体和液体很难被压缩，是因为分子之间存在斥力。当分子之间的距离大于分子直径的 10 倍以上时，分子之间的相互作用力变得十分微弱，可以忽略不计。
四、微观世界与宏观世界的联系
微观世界的结构和特性决定了宏观物质的性质。例如，金属之所以具有良好的导电性，是因为金属原子的核外有自由电子，这些自由电子可以在电场的作用下定向移动形成电流；金刚石和石墨都是由碳原子构成的，但由于碳原子的排列方式不同，金刚石坚硬无比，而石墨却比较柔软，并且具有良好的导电性。
通过对微观世界的研究，我们可以更好地理解宏观物质的性质和变化规律，从而推动材料科学、化学、生物学等众多学科的发展。例如，科学家通过研究半导体材料的微观结构，发明了晶体管和集成电路，为信息技术的飞速发展奠定了基础；通过研究生物分子的微观结构，我们可以了解生命活动的奥秘，开发新的药物和治疗方法。
五、课堂小结
人类对微观世界的探索经历了漫长的历程，从古代的哲学猜想到现代的科学理论，不断深化对物质构成的认识。
物质是由分子组成的，分子由原子构成，原子由原子核和核外电子组成，原子核由质子和中子组成。
微观粒子具有体积小、永不停息地做无规则运动、粒子之间存在相互作用力等特性。
微观世界的结构和特性决定了宏观物质的性质，研究微观世界对推动科学技术发展具有重要意义。
六、课后练习
下列关于分子的说法中，正确的是（ ）
A. 分子是构成物质的最小微粒
B. 分子是保持物质物理性质的最小微粒
C. 分子是保持物质化学性质的最小微粒
D. 分子是不可再分的微粒
请举例说明分子在永不停息地做无规则运动。
原子是由什么组成的？原子核又是由什么组成的？
为什么固体很难被拉伸，也很难被压缩？
结合生活实际，谈谈你对微观世界与宏观世界联系的理解。
2024沪科版物理八年级全册
12.1走进微观
第十二章 小粒子与大宇宙
授课教师： . 班 级： . 时 间： .
能简单说明物质是由分子和原子组成的。(重点）
02
对物质世界从微观到宏观的尺度有大致的数量级的概念。
01
了解原子的核式结构模型，能用图形、文字和语言描述原子、分子模型。（重、难点）
03
了解人类探索微观世界的历程，并认识到这种探索将不断深入。
04
浩瀚的星空
远飞的大雁
用电子显微镜观察到的病毒
从无限的宇宙到微小的基本粒子，物质以各种各样的形态展现着，宇宙及微观领域到底有多大呢？
自然的尺度
目前，人类能观测到的空间最远已到达1026m的宇宙深处。
自然的尺度
在人们不能直接看到的世界里，例如：细胞、病毒、分子、原子……目前科学家的研究已深入到了10-19m的微观领域。
自然的尺度

我们周围的一切，包括有生命的和无生命的，都是物质。物质在不停地运动，并以各种各样的形态存在着。
目前，人类的探索，也到达了距离我们 1026m 的宇宙深处。
宇宙的尺度
太阳系在银河系中的位置
你了解物质的尺度吗？
知识点1 自然的尺度
宏观物体的尺度
上海中心大厦
高度632m
成年长颈鹿身高通常在4.5~6m
该刻度尺的分度值为1mm
随着现代科技的发展，科学家的研究已深入 10-19m的微观领域。
微观物体的尺度
人的头发丝的直径大约是60～80 μm
人体细胞的直径
大约是10～20 μm
病毒的直径通常在100nm左右
例1 地球、太阳系、电子、原子按空间尺度由大到小的排列顺序是（ ）
A.太阳系、地球、电子、原子
B.电子、原子、地球、太阳系
C.太阳系、电子、原子、地球
D.太阳系、地球、原子、电子
D
知识点2 探索物质的组成
1.古人对物质组成的认识
我们的祖先认为宇宙万物由金、木、水、火、土组成，这被称为“五行说”。
古希腊人认为宇宙万物由水、火、土、气组成，这被称为“四元素说”。
物质是由什么组成的呢？从古至今，人们一直在探寻这个问题的答案。
2.分子和原子
认为宇宙万物由原子构成，原子是极微小的、不可分割的粒子。
德谟克里特(Democritus，约前460-约前370)
在实验的基础上提出了原子论。
道尔顿
(J. Dalton，1766-1844)
将保持物质性质不变的颗粒命名为“分子”。
阿伏加德罗
(A. Avogadro，1776-1856)
分子的体积很小：其直径通常以10-10m来度量，无法用肉眼直接观察。
分子的特点：
分子的质量很小：一个水分子的质量约为3×10-26 kg。
一亿倍显微镜下的水分子
分子的数目巨大： 1cm3的水中大约有 3.34×1022个水分子。
随处存在的碳原子——铅笔芯中的石墨、闪闪发光的钻石、空气中的二氧化碳、净水器中的活性炭都含有碳原子。一个碳原子的半径约为 7.7×10 -11m，质量约为 1.99×10 -26kg。
后来，人们又发现分子也有结构，它们是由原子构成的。
通常，物质是由分子或原子构成的。电子显微镜(EM)等现代科学工具的发明，揭开了微观世界神秘的面纱，使我们能够观察到分子或原子。
放大后硅表面的原子排列图像
电子显微镜
显微镜下的分子
例2 关于分子和原子，下列说法中正确的是（ ）
A.分子的体积很大
B.分子是最小的粒子
C.分子能用肉眼直接观察
D.通常，物质由分子或原子构成
D
知识点3 探索微观粒子
1.人类探索粒子结构的历程
19世纪初，人们已发现分子由原子构成
绝大多数分子由多个原子构成，叫做多原子分子。
水分子模型
氖原子结构模型
有的分子由单个原子构成，叫做单原子分子；
1897年，英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子——人类发现的第一个比原子小的粒子。电子带负电，是原子的构成部分之一。它的发现打破了原子不可再分的传统观念。
正电荷均匀分布在整个原子内，电子则镶嵌其中，被称为“枣糕模型”。
1911年，卢瑟福在α粒子散射实验的基础上，提出了原子核式结构模型。
原子核式结构模型
模型法
20世纪初，科学家在探索物质结构的历程中，相继发现原子核可以释放出质子和中子，质子带正电荷，中子不带电，原子核由质子和中子构成。
随着科学探索不断深入，科学家发现质子和中子还可以再分，它们都是由被称为夸克的更小粒子构成的。
20 世纪中叶起，为了探索微观世界的奥秘，人类制造了各种类型的加速器。借助于不断完善的粒子加速器，又发现了μ子、π介子、K介子、 Λ 超子、 Σ超子及τ子等400余种粒子。
直线重离子加速器
2.原子的结构
原子
原子核
电子
质子
中子
——夸克
——夸克
不显电性
带正电
带负电
带正电
不带电
原子核内质子所带正电荷数和核外的电子所带负电荷数相等，因此整个原子不显电性。
科学书屋
物质世界的大致尺度
主题情境
图中“一尺之棰，日取其半，万世不
竭……”的思想，是我国古代大思想
家庄子远在古希腊原子论之前就提出
的，人类立足“有限”，却一直相信
“无限”，就像一根砍不完的木头。
了解物质的组成
1.庄子的这句话里面包含了古代关于物质______可分的思想。
无限
2.假如给庄子一台显微镜观察分子。你会给庄子提供一台
______(填“光学”或“电子”)显微镜。
电子
探索微观粒子
3.工厂伐木时，飞出很多木头屑，一粒木头屑______
(填“是”或“不是”)一个分子。
不是
4.当木头被切割至直径约为___ 数量级微小木块时就达到原
子大小了。
C
A. B. C. D.
5.木头被切割至原子大小后还能再分吗？被评为“物理最美实
验”之一的 粒子散射实验可以继续探索原子的组成。
(1)进行 粒子散射实验得出原子核式结构模型的科学家是
( )
A
A.卢瑟福 B.汤姆孙 C.阿伏伽德罗
(2)如图所示， 粒子散射实验的结果发
现，绝大多数 粒子穿过金箔后仍沿原
方向前进，但是有少数 粒子却发生了
较大的偏转，并且有极少数的 粒子偏
转超过 ，有的甚至几乎达到 ，
原子核
像是被金箔弹了回来。根据实验现象，科学家提出：“原子
的大部分质量集中到了一个很小的结构上”，这个“很小的结
构”指的是________。
(3)原子核式结构模型与下列哪个模型相似( )
D
A.枣糕
B.西瓜
C.苹果
D.太阳系
(4)如图所示是用来说明原子及原
子核结构情况的示意图。图中
指的是______， 指的是______。
原子核内的______带正电，
_______不带电。由此图提供的
电子
质子
质子
中子
可以
信息可知：原子核内中子______ (填“可以”或“不能”)再分。
知道自然的尺度
6.在木头、原子、夸克、质子、分子、 粒子等微观粒子中，
空间尺度最小的是______。空间尺度最大的是______。
夸克
木头

走进微观
自然的尺度
物质的组成——物质由分子或原子组成
微观粒子
原子核
核外电子
质子
中子
分子
原子
谢谢观看！

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