资源简介

4.2《原子的核式结构模型》课时教案
学科 物理 年级册别 高三上册 共1课时
教材 教科版选择性必修第三册 授课类型 新授课 第1课时
教材分析
教材分析
本节内容位于教科版高中物理选择性必修第三册第四章第二节，是学生在学习了“光电效应”“康普顿效应”等微观现象后，进一步深入探索原子内部结构的关键环节。教材通过回顾汤姆孙的“枣糕模型”，引出卢瑟福α粒子散射实验的现象与结论，系统阐述了原子核式结构模型的建立过程。该节不仅是连接经典物理与量子物理的重要桥梁，更是培养学生科学思维、实证精神和模型建构能力的核心载体。其作用在于帮助学生理解微观世界的非直观性，掌握“实验—假设—验证”的科学研究范式。
学情分析
高三学生已具备一定的电磁学、力学及近代物理基础知识，能够理解带电粒子在电场中的受力与运动规律。然而，原子尺度下的物理现象远离日常经验，抽象性强，学生容易陷入“宏观类比”的误区。此外，对实验数据的逻辑推理能力仍显薄弱，尤其在从α粒子大角度偏转推导出“质量集中、体积微小”的原子核这一关键跃迁上存在认知障碍。针对此，需通过可视化模拟、情境还原和层层设问引导，帮助学生突破思维瓶颈，实现从现象到本质的跨越。
课时教学目标
物理观念
1. 理解汤姆孙“枣糕模型”的基本构想及其无法解释α粒子大角度散射的局限性。
2. 掌握卢瑟福核式结构模型的核心内容：原子中心存在一个带正电、质量集中、体积极小的原子核，电子绕核运动。
科学思维
1. 能够基于α粒子散射实验的现象，运用归纳与演绎方法，推理得出原子内部结构的可能形式。
2. 学会使用“理想模型法”和“反证法”进行科学建模与假设检验，提升逻辑推理能力。
科学探究
1. 分析α粒子散射实验装置图与实验数据，识别关键现象（绝大多数穿过、少数偏转、极少数反弹）。
2. 设计对比方案，比较不同原子模型对实验结果的预测差异，体验科学发现的过程。
科学态度与责任
1. 感悟科学家勇于质疑权威、坚持实证精神的科研品质，增强尊重实验事实的科学素养。
2. 认识人类对物质结构探索的阶段性与递进性，树立不断追求真理的信念。
教学重点、难点
重点
1. α粒子散射实验的现象及其物理意义。
2. 原子核式结构模型的基本内容与建立依据。
难点
1. 从实验现象出发，逻辑推导出原子核的存在及特性（高密度、小体积、带正电）。
2. 理解“大多数穿过说明空间空旷，极少数大角度偏转说明存在强电场集中区”这一逆向推理过程。
教学方法与准备
教学方法
情境探究法、合作探究法、讲授法
教具准备
多媒体课件、α粒子散射实验动画、金箔结构示意图、静电演示仪
教学环节 教师活动 学生活动
一、创设情境，提出问题
【6分钟】 一、回溯历史，激发认知冲突 （一）、展示“枣糕模型”图示并提问：
教师在PPT中呈现汤姆孙于1904年提出的原子模型——“葡萄干布丁模型”（又称“枣糕模型”）：一个均匀分布的正电荷球体，其中镶嵌着负电荷的电子，整体呈电中性。随即提出问题：“如果我们将这个模型当作真实的原子结构，当高速带正电的α粒子（氦核）穿过它时，会发生什么？”
引导语：“同学们，请设想一下，α粒子就像一颗颗高速飞行的小炮弹，而原子就像是松软的蛋糕。根据我们所学的库仑定律，α粒子会受到来自正电荷区域的排斥力。但由于正电荷是‘均匀分布’在整个球体内的，这种力应该是分散且微弱的。因此，我们可以合理推测——α粒子最多只会发生轻微偏转，不会出现剧烈反弹。”
（二）、引入真实实验结果，制造悬念：
紧接着播放一段精心剪辑的纪录片片段：1909年，盖革与马斯顿在卢瑟福指导下进行α粒子散射实验的真实影像资料。画面定格在探测器闪烁屏上突然出现的大角度闪光。“但事实却令人震惊！实验数据显示，虽然绝大多数α粒子确实如预期般几乎直线穿过金箔，可有约1/8000的α粒子发生了超过90°的大角度偏转，甚至有个别直接被反弹回来！”
教师语气加重：“这就好比你用机关枪扫射一张纸巾，结果发现有些子弹不仅穿过去了，还有几发竟然原路弹了回来！这显然与‘松软蛋糕’的想象完全不符。那么，问题来了——原子内部究竟藏着怎样的‘硬核’，才能让如此高速的α粒子都为之折返？” 1. 观察模型图示，回忆已有知识。
2. 思考并预测α粒子穿过后的运动轨迹。
3. 对比预测与实验结果，产生强烈认知冲突。
4. 提出疑问：为何会有大角度散射？
评价任务 预测准确：☆☆☆
现象描述：☆☆☆
问题提出：☆☆☆
设计意图 通过“理论预测”与“实验现实”的强烈反差，制造认知失衡，激发学生的探究欲望。利用形象比喻降低理解门槛，使抽象概念具象化，为后续深入分析奠定情感与思维基础。
二、实验解析，层层推进
【15分钟】 一、剖析实验装置与过程 （一）、讲解实验器材与原理：
教师在屏幕上展示完整的α粒子散射实验装置图：放射源（释放α粒子）、铅盒准直缝、极薄金箔（厚度仅4×10 m）、可旋转的荧光屏与显微镜组合。逐项说明功能：“放射源提供高速α粒子束；铅盒限制方向形成细束；金箔作为靶材；每当α粒子撞击荧光屏就会发出微光，通过显微镜观察记录位置。”强调金箔选用金的原因：延展性好，可制成极薄单层原子膜，减少多次散射干扰。
随后指出关键参数：α粒子速度高达2×10 m/s，动能约为7.7 MeV，质量是电子的7300倍，因此电子对其影响可忽略不计。真正决定偏转的是原子内带正电的部分。
（二）、呈现核心数据，引导分类观察：
教师投影实验统计图表：
- 绝大多数α粒子（>99.9%）偏转角小于1°，近乎直线穿过；
- 少数α粒子发生明显偏转（1°--90°）；
- 极少数α粒子偏转角大于90°，最高达150°以上，相当于“反弹”。
要求学生分组讨论：“这些数据分别说明了原子内部哪些特征？”教师巡视指导，提示从“空间分布”“电荷集中度”“相互作用强度”三个维度思考。
二、构建模型，逻辑推理 （一）、组织小组合作探究：
下发探究任务单：“请各小组尝试用现有知识解释三类现象，并评估‘枣糕模型’是否成立。”给予8分钟时间讨论。期间教师参与交流，适时点拨：“若正电荷均匀分布，最大偏转应很小；如今出现大角度偏转，意味着必须存在一个能产生极强局部电场的区域。”
待小组汇报后，教师总结：“正是由于绝大多数α粒子未受影响，说明原子内部大部分是‘空旷’的；而极少数遭遇剧烈偏转，则说明存在一个‘体积小、质量大、带正电’的核心——这就是‘原子核’的概念雏形。”
（二）、引入卢瑟福的估算思想：
教师板书推导思路：根据库仑斥力做功等于动能变化，结合最近距离公式 rmin = (2kZe )/(E_k)，估算α粒子最接近原子核的距离。以金原子为例（Z=79），计算得rmin ≈ 3×10 m，远小于原子半径（约10 m），从而证明原子核极其微小。同时指出，如此高的质量集中于此，密度可达10 kg/m ，堪称宇宙中最致密的物质之一。 1. 识读实验装置图，理解各部件作用。
2. 分析统计数据，归纳三类散射现象。
3. 小组讨论，尝试解释现象成因。
4. 反思旧模型缺陷，接受新假设可能性。
评价任务 数据解读：☆☆☆
模型评估：☆☆☆
逻辑推理：☆☆☆
设计意图 通过分解实验要素，帮助学生建立完整实验图景。借助数据分析与小组协作，促使学生主动参与科学推理过程。引入定量估算，强化“证据—结论”之间的严密联系，体现物理学的精确性与说服力。
三、模型建构，深化理解
【12分钟】 一、正式提出核式结构模型 （一）、清晰陈述模型内容：
教师在黑板中央绘制示意图：一个小圆代表原子核，周围环绕若干小点表示电子。郑重宣布：“1911年，卢瑟福基于上述实验，提出了划时代的原子核式结构模型。其核心观点有三点：第一，原子中心有一个带正电的原子核，集中了全部正电荷和几乎全部质量；第二，原子核体积非常小，直径约为10 --10 m，仅为原子直径的十万分之一；第三，带负电的电子在核外广阔空间绕核运动，整个原子呈电中性。”
特别强调：“这不是凭空猜想，而是唯一能解释大角度散射现象的合理模型。正如卢瑟福所说：‘这就像你朝一张纸巾发射一枚15英寸炮弹，结果它反弹回来打中了你一样难以置信，但它确实发生了。’”
（二）、对比验证，巩固认知：
教师组织学生再次对照三类实验现象，逐一验证新模型的解释力：
1. “绝大多数穿过” → 因为原子内部绝大部分是真空，α粒子未靠近原子核；
2. “少数偏转” → α粒子从原子核附近经过，受到较强库仑斥力；
3. “极少数反弹” → α粒子正面撞击或极近距离掠过原子核，受到极大排斥力。
每一点均由学生自主回答，教师补充完善。
二、动态模拟，直观呈现 （一）、播放三维动画模拟：
启动预先制作的交互式动画程序：左侧为α粒子束入射，右侧为多个金原子排列。随着播放，可见多数α粒子笔直穿行；部分路径弯曲；个别发生锐角反射。点击任意轨迹，可弹出受力分析矢量图，显示库仑力方向与大小随距离变化。
教师同步解说：“注意看，当α粒子离核越近，红箭头（代表库仑力）就越长，加速度越大，轨迹弯曲越明显。这正是‘距离平方反比律’的生动体现。”
（二）、现场演示类比实验：
使用静电演示仪模拟：将一带正电的金属球悬挂于支架上代表“原子核”，手持另一带正电的泡沫球（系线）缓慢靠近。“大家看，当我慢慢接近时，手中的球就开始向外偏转，越近排斥越强。这就类似于α粒子接近原子核时的情景。”让学生轮流体验，感受“无形之力”的存在。 1. 听讲并记录模型三大要点。
2. 对比回答三类现象的成因。
3. 观看动画，理解力与轨迹关系。
4. 参与体验，感知静电力作用。
评价任务 模型表述：☆☆☆
现象解释：☆☆☆
模拟理解：☆☆☆
设计意图 通过系统讲述与多模态呈现（图示+动画+实操），全方位构建学生对核式模型的空间想象与物理直觉。强调“唯一性解释”，突出科学理论的解释力与排他性。动手体验增强感官记忆，促进抽象概念内化。
四、拓展延伸，思想升华
【7分钟】 一、科学方法论的提炼 （一）、总结研究路径：
教师引导学生回顾整节课的思维历程：“我们今天走过了这样一条科学之路：首先面对异常现象（大角度散射），然后否定旧模型（枣糕模型失效），接着提出新假说（核式结构），最后通过逻辑与数学验证其合理性。这条‘问题—假设—验证’的路径，正是现代科学研究的标准范式。”
引用爱因斯坦评价：“卢瑟福的工作是科学史上最美丽的实验之一。”并指出：“这个模型虽然后来被玻尔等人修正，但它揭示了原子的基本架构，开启了核物理时代的大门。”
（二）、讲述背后的故事：
分享一段鲜为人知的历史细节：“当年卢瑟福听到马斯顿报告‘有些粒子反弹回来了’时，曾惊呼：‘这简直难以置信，就像你用15英寸巨炮轰击一张卫生纸，炮弹却弹回来打中你自己一样！’但他没有忽视这个‘偶然’，而是敏锐捕捉到了它的价值。正是这种对‘反常数据’的尊重，成就了伟大发现。”
过渡语：“有时候，推动科学前进的不是完美的数据，而是那个不肯放过‘意外’的眼睛。”
二、联系现代科技，展望未来 （一）、链接现实生活：
提问：“同学们，你们知道今天的癌症治疗中有一种叫‘质子治疗’的技术吗？它就是利用加速器将质子精准打入肿瘤细胞核，破坏DNA结构。而这背后的思想源头，正是卢瑟福首次证实原子核存在的那一刻。”
展示图片：医院质子治疗中心外观与工作原理简图。
结语升华：“一百多年前的那个实验室里，一次看似简单的散射实验，最终改变了人类对抗疾病的方式。或许有一天，你们当中也会有人站在新的科学前沿，用一份执着与好奇，揭开下一个未知的秘密。” 1. 回顾科学探究流程。
2. 倾听科学家轶事，感悟科研精神。
3. 了解原子物理的应用价值。
4. 展望个人未来发展可能。
评价任务 方法归纳：☆☆☆
情感共鸣：☆☆☆
应用联想：☆☆☆
设计意图 超越知识点本身，聚焦科学本质教育。通过讲述科学家的真实反应，传递实事求是、勇于质疑的精神品格。关联现代医学技术，展现基础研究的深远影响，增强学科认同感与社会责任意识。
五、课堂总结，巩固提升
【5分钟】 一、结构化总结与开放式收尾 （一）、系统梳理本课要点：
教师带领学生齐声复述：“今天我们学习了两个重要模型：汤姆孙的‘枣糕模型’因其无法解释大角度散射而被否定；卢瑟福基于α粒子散射实验，提出了‘核式结构模型’，即原子由居于中心的原子核和核外电子组成，原子核体积小、质量大、带正电。”
再次强调：“这个模型的意义不仅在于正确描述了原子结构，更在于它确立了一种依靠实验而非直觉来认识微观世界的方法论。”
（二）、布置开放性思考题：
提出问题：“既然电子绕核运动，按照经典电磁理论，它应该不断辐射能量而螺旋坠入原子核，导致原子坍缩。但现实中原子是稳定的。这个矛盾该如何解决？请大家课后查阅资料，下节课我们将进入‘玻尔的原子模型’。”
激励语：“科学的发展从来不是一蹴而就的。每一个答案的背后，往往隐藏着更多更深的问题。愿你们永远保持这份追问的热情。” 1. 复述模型内容，强化记忆。
2. 明确科学方法的重要性。
3. 接受挑战，预习下一课题。
4. 激发持续学习兴趣。
评价任务 知识复述：☆☆☆
方法认同：☆☆☆
问题提出：☆☆☆
设计意图 采用“结构化+开放式”双重复合总结方式，既巩固核心知识，又埋下后续学习伏笔。通过设置认知缺口，驱动学生主动预习，实现课内外学习的有效衔接。
作业设计
一、基础巩固题
1. 下列关于α粒子散射实验的说法中，正确的是（　　）
　A. 实验中发现绝大多数α粒子穿过金箔后发生了大角度偏转
　B. 实验中发现少数α粒子穿过金箔后发生了大角度偏转
　C. 实验现象支持汤姆孙的“枣糕模型”
　D. 实验表明原子核集中了原子的全部质量和全部电荷
2. 卢瑟福的α粒子散射实验说明了（　　）
　A. 原子中带正电的部分体积很小
　B. 原子中电子所占空间很大
　C. α粒子发生偏转是由于受到电子的作用
　D. 原子核是由质子和中子组成的
二、能力提升题
3. 若金原子核的半径约为7×10 m，原子半径约为1×10 m，请估算原子核体积与原子体积之比，并由此说明原子内部的“空旷”程度。
4. 结合库仑定律，解释为什么α粒子离原子核越近，偏转角度越大？请画出受力示意图并加以说明。
三、拓展阅读与写作
5. 查阅资料，撰写一篇300字左右的小短文，题目为《从“卫生纸上的炮弹”到癌症治疗——谈卢瑟福实验的现代意义》。
【答案解析】
一、基础巩固题
1. B 【解析】绝大多数α粒子几乎无偏转地穿过，只有少数发生较大偏转，极少数反弹，故A错误，B正确；实验否定了“枣糕模型”，C错误；原子核集中了几乎全部质量，而非全部，D表述不严谨。
2. A 【解析】大角度偏转说明存在一个高电荷密度的小区域，即原子核体积小，A正确；B非实验直接结论；C错误，电子质量太小，影响可忽略；D为后来查德威克发现中子后才明确的内容。
二、能力提升题
3. 解：V核/V原 = (4/3πr核 )/(4/3πr原 ) = (r核/r原) = (7×10 / 1×10 ) = (7×10 ) ≈ 3.43×10 。说明原子核仅占原子体积的极小部分，原子内部极其空旷。
4. 答：根据F = kQq/r ，α粒子离核越近，r越小，库仑斥力F越大，加速度越大，运动方向改变越显著，故偏转角度越大。示意图略（应包含α粒子轨迹、原子核、库仑力矢量指向远离核的方向）。
板书设计
§4.2 原子的核式结构模型
一、旧模型：汤姆孙“枣糕模型”
　　● 正电荷均匀分布 + 电子嵌入
　　● 预测：α粒子轻偏转
二、新实验：α粒子散射实验（卢瑟福）
　　现象：
　　　→ 绝大多数：几乎无偏转 → 空旷
　　　→ 少数：明显偏转 → 受到斥力
　　　→ 极少数：大角度反弹 → 存在“硬核”
三、新模型：核式结构模型
　　● 原子核：居中、带正电、质量集中、体积极小
　　● 电子：绕核运动
　　● 关系：r核 : r原 ≈ 1:10
四、科学方法：实验 → 否定 → 假说 → 验证
教学反思
成功之处
1. 以“认知冲突”为主线贯穿全课，有效激发了学生的学习兴趣与探究动机。
2. 运用动画模拟与静电演示相结合的方式，将抽象的微观过程可视化，显著提升了理解效果。
3. 注重科学史与科学本质教育，通过讲述卢瑟福的真实反应，增强了课堂的人文温度与思想深度。
不足之处
1. 在定量估算环节，部分学生对公式r_min的理解仍有困难，需增加铺垫性问题引导。
2. 小组讨论时间略显紧张，个别小组未能充分表达观点，下次应优化任务分工与时间分配。
3. 板书布局可进一步优化，将“实验现象”与“模型解释”对应排列，更利于学生对照记忆。

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