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第十六章 永恒的探索：宇宙和粒子
第2节 探索微观世界的历程
物理观念：了解物质的微观结构（分子、原子、原子核、夸克等），建立 “物质可分” 的认知；
科学思维：通过史料分析，理解 “猜想→实验→修正” 的科学探究逻辑；
科学探究：体验 “α 粒子散射实验” 的推理过程，学习模型建构的方法；
科学态度与责任：感受科学家的探索精神，认识微观研究对科技发展的意义。
教学重点：物质的微观结构层次；原子结构的发现历程；
教学难点：α 粒子散射实验的推理过程；微观粒子的尺度感知。
1.我国古代 “无中生有” 的思想：物质由 “无” 产生，可无限分割；
从“无中生有”到“一尺之棰”
2.战国时期 “一尺之棰，日取其半，万世不竭” 的观点。
你认为物质能无限分割吗？是否存在组成物质的最小单元吗？
缺少科学实验基础
原子论：从思维的火花走向科学
物质由 “原子” 构成，原子是不可再分的最小单位。
德谟克利特的“原子论”
多数物质可通过化学反应合成（化合物）；
少数物质（元素）不能由其他物质合成（元素）
原子是元素保持化学性质的最小单元。
17-18世纪的实验证据
原子真的是不可再分的最小粒子吗
道尔顿
放电管中气体稀薄时，阴极发出射线。
阴极射线的秘密——电子的发现
1.实验现象：
阴极射线
射线在电场中偏转，偏转方向与带负电的粒子相同，证明阴极射线是带负电的电子流。
2.汤姆孙的研究：
原子并不是物质的不可再分的最小单元，包含电子。
3.结论：
汤姆孙
原子的组成：揭开原子的“面纱”
放射源→金箔→荧光屏
α粒子散射实验：原子的核式结构
1.实验装置：
多数 α 粒子直接穿过金箔，少数α粒子发生偏转，极少数反弹。
2.实验现象：
原子中心有体积小、质量大的 “原子核”（带正电），电子绕核运动。
3.推理结论：
卢瑟福用 α 粒子轰击氮核，发现带正电的粒子（质子）
原子核的组成：质子与中子
1.质子的发现：
查德威克发现原子核内不带电的粒子（中子）。
2.中子的发现：
原子核由质子和中子构成。
3.结论：
质子和中子是最小的粒子吗？
1.如图是氢原子的结构示意图，则该氢原子（　　）
A．核外有1个正电荷 B．原子核不带电
C．整体不显电性 D．整体有2个电子
C
2.如图是某同学在学习物质结构层次后，画出的氮气由多种粒子构成的层级示意图，原子由粒子a、b构成，粒子a由粒子c和中子构成，下列选项中说法正确的是（　　）
A．a粒子通常不显电性 B．a粒子是原子核
C．b粒子是质子 D．c粒子带负电
B
基础粒子：探索未有穷期
安德森在发现正电子的径迹（电子的反粒子）
“基本粒子”的家族
2.正电子的发现：
μ 子、π 介子、K 介子、超子等。
3.更多粒子：
正、负电子对在适当条件下可以成对地产生或湮灭，意味着物质的各种形态可以相互转变。
4.反物质：
赵忠尧在实验中发现，硬γ射线的高能量光子束在通过重金属铅时出现了“反常吸收”现象，并发生特殊辐射。
1.正、负电子对湮灭：
1956年，李政道和杨振宁提出弱相互作用中“宇称不守恒定律”，后被吴健雄用实验证明。
5.宇称不守恒定律：
夸克：基本粒子的 “积木”
上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。
2.夸克种类：
质子、中子、介子、超子等都由三种基础粒子组成，分别为上夸克、下夸克和奇异夸克。
1.盖尔曼的猜想：
夸克模型
人们认知的构成物质的最小、最基本的单元称为基本粒子。
3.基本粒子：
夸克是目前已知的最小粒子之一
纳米科技：从幻想到现实
微观世界的“尺度阶梯”
原子、原子核及更小的粒子统称为微观粒子，简称粒子。
1.粒子：
尺度都小于10-9m
10-9m是一个长度单位，称为纳米。
2.纳米：
从微观到宏观：纳米技术
提供了观察原子的“纳米眼”和操纵原子的“纳米手”。
1.扫描隧道显微镜：
1993年中国操纵原子成功写出“中国”字样
特殊的物理、化学性质（如纳米铜的超延展性）。
2.纳米材料特点：
纳米机器人、纳米防水涂层纳米技术制造分子开关和导线。
3.应用举例：
3.我国古代典籍《庄子·天下篇》中曾记载：一尺之棰，日取其半，万世不竭。这体现出我国古代人民对物质无限可分思想的认识。随着科学家对物质世界微观领域的不断探索，发现了越来越多的微观粒子。构成物质的下列微观粒子中，尺度最小的是（　　）
A．分子 B．质子
C．夸克 D．原子核
C
4.纳米机器人可进入血管精准清除血栓，它的研制属于“分子纳米技术”的范畴。把纳米机器人和下列微观粒子一起按照空间尺度由小到大排序，其中正确的是（　　）
A．纳米机器人 夸克 原子核 质子
B．夸克 质子 原子核 纳米机器人
C．夸克 原子核 质子 纳米机器人
D．夸克 质子 纳米机器人 原子核
B

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