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2019-2020年高中物理 18.2《原子的核式結(jié)構(gòu)模型》教學任務分析 新人教版選修3-5 一、 教學任務分析 電子的發(fā)現(xiàn)、a粒子散射實驗、原子的核式結(jié)構(gòu)模型的提出，這些都是人類探求物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認識過程的起點，其中涉及到的實驗、邏輯推理方法也都是人類認識自然規(guī)律的典型的科學方法。因此這些內(nèi)容不僅是本章的核心內(nèi)容，而且也為后面繼續(xù)學習人類對微觀世界認知過程打下重要的思維與方法的基礎。 學習本節(jié)內(nèi)容需要以庫侖定律、帶電粒子在電場磁場中的運動等電、磁場知識為基礎。 從介紹湯姆孫的陰極射線實驗入手，通過實驗現(xiàn)象分析得到陰極射線是由電子組成的，揭示了原子是可分的。 介紹盧瑟福a粒子散射實驗，通過分析實驗結(jié)果，對湯姆孫建立的“葡萄干蛋糕模型”提出質(zhì)疑，在此基礎上介紹盧瑟福提出的核式結(jié)構(gòu)模型，。并運用該模型解釋a粒子散射實驗結(jié)果。 在介紹盧瑟福a粒子散射實驗的實驗設計思想時，使學生了解研究微觀世界的一種重要有效的方法與手段是利用其他的高能粒子去碰撞原子，引起某些可能觀察到的現(xiàn)象，從分析這些現(xiàn)象的過程中逐步探索認識原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和規(guī)律。從而使學生理解人類是如何在實驗的基礎上認識原子結(jié)構(gòu)；怎樣在實驗與理論的相互推動下，使認識不斷發(fā)展不斷深入的。 在介紹盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型時，可通過比較該模型、湯姆孫的原子模型與實驗結(jié)論的相互印證關系，使學生感受到物理模型是一種高度抽象的理想客體和形態(tài)；物理學的研究通常需通過提出假設、建立物理模型、實驗驗證等幾個過程；物理學的發(fā)展過程，可以說就是一個不斷建立物理模型和用新的物理模型代替舊的或不完善的物理模型的過程。這些認識都將提高學生的科學意識與科學品質(zhì)。 二、教學目標 1．知識與技能 （1）知道盧瑟福a粒子散射實驗。 （2）知道原子的核式結(jié)構(gòu)模型。 （3）理解盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)學說對a粒子散射實驗的解釋。 2．過程與方法 （1）通過分析盧瑟福a粒子散射實驗的結(jié)果，感受物理學的研究方法——提出假設、建立物理模型、實驗驗證等方法。 （2）通過了解人類探索認識原子結(jié)構(gòu)的歷史，認識人類通過收集、處理和分析微觀現(xiàn)象所發(fā)出的各種信息，來認識不能直接感知的微觀世界的認知手段與方法。 3．情感、態(tài)度與價值觀 （1）通過了解人們對于物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的不斷深化的認識過程，樹立科學的物質(zhì)觀。 （2）通過對原子結(jié)構(gòu)的認識過程的學習，感悟辯證唯物主義在物理學發(fā)展中的指導作用。 三、教學重點與難點 重點：盧瑟福a粒子散射實驗的結(jié)果及盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)學說的主要論點。 難點：對盧瑟福a粒子散射實驗裝置、實驗結(jié)果的理解。 四、教學資源 1、器材：陰極射線管、平行板電場、磁鐵、電源等。 2、課件：陰極射線管結(jié)構(gòu)圖、湯姆孫的原子模型圖、a粒子散射實驗裝置圖、a粒子分別穿越湯姆孫原子模型與盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型的動態(tài)模擬、盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型的示意圖。 3、錄像：當時科學家提出的各類原子結(jié)構(gòu)模型介紹、盧瑟福建立原子的核式結(jié)構(gòu)模型的背景介紹。 五、教學設計思路 本設計的內(nèi)容包括三個方面：一是電子的發(fā)現(xiàn)揭示了原子是可以再分的，二是盧瑟福a粒子散射實驗介紹，三是根據(jù)實驗結(jié)果盧瑟福建立了原子的核式結(jié)構(gòu)模型。 本設計的基本思路是：從介紹湯姆孫的陰極射線實驗入手，指出陰極射線是由電子組成的，從而打破了“原子不可分割”的舊觀念。然后經(jīng)過對盧瑟福a粒子散射實驗結(jié)果的分析探討，否定了湯姆孫建立的“葡萄干蛋糕模型”，自然發(fā)展到有必要建立一種新的模型來符合實驗結(jié)果，從而提出了盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型，表明了人類對微觀世界認識的發(fā)展的必然性與科學性。 本設計要突出的重點是：盧瑟福a粒子散射實驗的結(jié)果及盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)學說的主要論點。方法是：在介紹a粒子散射實驗時先充分介紹實驗的背景、實驗裝置、實驗過程，使學生對實驗先產(chǎn)生較全面的了解，再通過圖片、動畫演示實驗的結(jié)果及核式結(jié)構(gòu)模型，使學生對這些微觀、抽象的知識具有具象的認識。然后通過學生討論將兩者進行聯(lián)系，進一步加深對該知識的理解與記憶。 本設計要突破的難點是：對盧瑟福a粒子散射實驗裝置、實驗結(jié)果的理解。方法是：首先充分利用課件和媒體將實驗過程、實驗結(jié)果清晰地展示給學生。由于該實驗設計思想及實驗結(jié)果具有非常嚴密的邏輯性，解釋該實驗結(jié)果需要運動學、電磁學的綜合知識，因此教學過程中通過三次學生活動逐步引導學生體會理解如何通過分析宏觀的實驗現(xiàn)象去推測微觀世界，三次活動的難度逐步提高，為最后學生準確理解實驗結(jié)果做好充分的準備鋪墊。本節(jié)課學生第一次接觸到微觀世界的研究方法，缺少感性認識和課堂演示實驗，可鼓勵引導學生充分調(diào)動想象力與已學過的知識，綜合運用，解決問題。 本設計強調(diào)以人類對于物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的不斷深化的認識過程為知識主線，在教師的方法引導下，學生通過有目的、層次漸進的自主思維活動逐步感受理解人類研究微觀世界的一般研究方法。通過豐富的歷史背景介紹激發(fā)學生的求知欲望；利用清晰準確的課件幫助學生較好地理解抽象的知識；通過學生根據(jù)實驗結(jié)論的討論，在否定湯姆孫的原子模型的基礎上自然引出盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型，切實感受到物理學的提出假設、建立物理模型、實驗驗證等研究方法的運用及科學家尊重實驗結(jié)論的科學品質(zhì)。 完成本設計的內(nèi)容約需1課時。 六、教學流程： 1、教學流程圖 情景 演示實驗 活動I 設計原子模型 湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子 湯姆孫的原子模型 盧瑟福a粒子散射實驗裝置、結(jié)論 活動III 學生討論2 活動II 學生討論1 原子的核式結(jié)構(gòu)模型 原子核式結(jié)構(gòu)模型解釋實驗結(jié)果 原子光譜 2．流程圖說明 情景 演示實驗：陰極射線在電場與磁場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 通過觀察實驗現(xiàn)象，引導學生根據(jù)已學的電場、磁場知識分析得到這是一種帶電粒子流，再根據(jù)粒子流在電場中的偏轉(zhuǎn)方向進一步分析得出該種粒子帶負電。 活動Ⅰ 根據(jù)這些推測學生自主設計一種原子模型。 自行設計原子模型時，要求學生利用已知的事實運用所學過的電磁知識盡量合理安排原子的各部分在原子內(nèi)的結(jié)構(gòu)，并通過設計結(jié)果的交流展示來激發(fā)學生的探究興趣。這樣在設計活動后再介紹湯姆孫的原子模型會引起學生充分的興趣和感受，還可簡單介紹同時期的其他科學家提出的原子模型。 活動Ⅱ 學生討論1 實驗結(jié)果能否用湯姆孫的原子模型解釋？ 根據(jù)所學的電場、磁場知識學生還不能完全解釋湯姆孫的原子模型與實驗的不相符合處。需事先提供給學生較多的數(shù)據(jù)，如：原子的尺寸大小、電子與原子的質(zhì)量比、a粒子質(zhì)量與電子質(zhì)量比等。若學生已在拓展教材中學過動量知識，這部分討論可以更加深入。這個討論環(huán)節(jié)是幫助學生理解盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型對實驗結(jié)論的解釋的一個重要鋪墊與知識準備。 活動Ⅲ 學生討論2 如何用原子的核式結(jié)構(gòu)模型解釋a粒子散射實驗中粒子發(fā)生的大角度偏轉(zhuǎn)。 在討論1的基礎上，學生根據(jù)模型對實驗結(jié)論的解釋，對核式結(jié)構(gòu)模型進行更深入的理解。并在這一討論過程中感受科學家們認真細致地對待尊重實驗結(jié)果的科學品質(zhì)。 通過兩次討論可使學生初步了解研究微觀世界的一種重要有效的方法與手段是通過收集、處理和分析微觀現(xiàn)象所發(fā)出的各種信息，來認識不能直接感知的微觀世界。 3、教學主要環(huán)節(jié) 本設計可分為三個主要的教學環(huán)節(jié)： 第一環(huán)節(jié)，通過演示湯姆孫的陰極射線實驗，介紹電子的發(fā)現(xiàn)過程，指出原子是可分的。 第二環(huán)節(jié)，通過介紹、分析盧瑟福a粒子散射實驗結(jié)果，否定了湯姆孫的“葡萄干蛋糕模型”。 第三環(huán)節(jié)，介紹盧瑟福提出的原子核式結(jié)構(gòu)模型，并運用該模型解釋a粒子散射實驗結(jié)果。 七、教案示例 （一）引入。 公元前5世紀，希臘哲學家提出物質(zhì)是由不可分的微粒組成的。一百多年前，人們從化學實驗中知道，物質(zhì)由分子組成，分子由原子組成。而在化學反應中原子的種類和數(shù)目不變，使人們一直認為原子是組成物質(zhì)的最小微粒，是不能再分的。 （二）電子的發(fā)現(xiàn)和湯姆孫原子模型 1、第一個打開原子大門的是湯姆孫，他根據(jù)實驗提出了原子是可分的。 演示實驗：陰極射線在電場與磁場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 根據(jù)陰極射線偏轉(zhuǎn)的方向，可以判斷出這種射線是一種帶負電的粒子流。湯姆孫利用這種帶電粒子在電場和磁場中的偏轉(zhuǎn)程度，通過精確的實驗測定了這種陰極射線粒子的電量和質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)不同物質(zhì)發(fā)出的陰極射線的電荷與電量的比都有相同的值。表明這種帶電粒子是一切不同元素的原子的共同組成部分。人們稱它為電子。 電子是構(gòu)成所有物質(zhì)的普適成分，它的發(fā)現(xiàn)說明了原子是可以再分的，因而對原子的組成的了解起著極為重要的作用。是人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)認識上的一次飛躍，開創(chuàng)了探索原子內(nèi)部構(gòu)造和物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的新時代。湯姆孫也由于發(fā)現(xiàn)了電子，不僅榮獲了1906年諾貝爾物理獎，而且被后人譽為“最先打開通向基本粒子物理學大門的偉人”。 2、既然電子是原子的組成部分，而原子又是中性的，說明原子內(nèi)必定還存在著帶正電的組成成分；由電子的質(zhì)量與原子相比很小又可推測原子的質(zhì)量絕大部分集中在內(nèi)帶正電的部分。 學生活動：根據(jù)這些推測來設計一種原子模型。 根據(jù)這些推測科學家們提出了很多種原子模型，其中最有影響的是1903年湯姆孫提出“葡萄干蛋糕模型”。 圖片展示：湯姆孫的原子模型。 湯姆孫認為原子是中性的，由質(zhì)量很小的電子（如葡萄干）鑲嵌在集中了原子的幾乎全部質(zhì)量的正電荷（如蛋糕）中構(gòu)成，電子是不動的。 （三）盧瑟福a粒子散射實驗 湯姆孫的原子模型不僅能解釋原子為什么是電中性的，電子在原子里是怎樣分布的，還能解釋陰極射線等現(xiàn)象。根據(jù)這個模型還能估算出原子的大小約10-8厘米，正由于湯姆遜模型能解釋當時很多的實驗事實，所以很容易被許多物理學家所接受。 科學僅僅有猜想是不夠的，還需要實驗驗證。湯姆孫的原子模型提出后，他的學生盧瑟福想用實驗的方法來加以論證。由于原子是微小的，無法直接觀察它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，盧瑟福發(fā)現(xiàn)研究原子的有效辦法是利用高能粒子去碰撞原子，引起某些可能觀察到的現(xiàn)象，從分析這些現(xiàn)象的過程中逐步探索認識原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和規(guī)律。在這樣的思想方法的指導下，1909-1911年盧瑟福和他的助手蓋革，學生馬斯登等做了用a粒子轟擊金箔的實驗，也就是著名的a粒子散射實驗。 1、 實驗裝置 圖片展示：a粒子散射實驗裝置圖。 放射源：釙放在帶小孔的鉛盒中，能放射a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）。 顯微鏡：能夠圍繞金箔在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。 熒光屏：玻璃片上涂有熒光物質(zhì)硫化鋅，裝在顯微鏡上。 a粒子：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7000倍。從放射性元素中放射出來的a粒子動能很大，射出速度達107m/s，α粒子打到熒光屏上能產(chǎn)生一個閃爍的亮點，可用顯微鏡觀察。 2、實驗過程 （1）釙放出的a粒子從鉛盒小孔射出，形成很細的一束射線，射到熒光屏上產(chǎn)生閃光，通過顯微鏡觀察。 （2）放上金箔，觀察a粒子穿過金箔打到熒光屏上發(fā)出的閃光。 （3）轉(zhuǎn)動顯微鏡和熒光屏，在不同偏轉(zhuǎn)角θ處觀察，可看到α粒子的散射現(xiàn)象。 3、實驗結(jié)論 動畫視頻演示：a粒子散射實驗的實驗現(xiàn)象。 （1）絕大多數(shù)的a粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進； （2）少數(shù)粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)； （3）極少數(shù)粒子（約有1/8000）的偏轉(zhuǎn)角q超過90，甚至有個別粒子（約占總數(shù)的1/xx0）被反彈回來。 4、實驗結(jié)論討論 學生討論：實驗結(jié)果能否用湯姆孫的原子模型解釋？ 動畫演示：若湯姆孫的模型正確，a粒子穿過后可能會出現(xiàn)的實驗現(xiàn)象。 通過簡單分析可以發(fā)現(xiàn)若湯姆孫的原子模型正確，a粒子穿過原子后應該只會出現(xiàn)小角度散射，不可能出現(xiàn)“極少數(shù)粒子被反彈”這樣的現(xiàn)象。 湯姆生原子模型不能解釋a粒子的散射實驗結(jié)果中的大角度散射現(xiàn)象，因而被否定。 （四）原子的核式結(jié)構(gòu)模型 1、為了解釋a粒子的散射實驗結(jié)果，盧瑟福在1911年提出了原子的核式結(jié)構(gòu)學說： 在原子的中心有一個很的核，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，帶負電的電子在核外空間里繞著核高速旋轉(zhuǎn)。 2、原子的核式結(jié)構(gòu)模型對a粒子散射實驗的解釋 學生討論：如何用原子的核式結(jié)構(gòu)模型解釋a粒子散射實驗中粒子發(fā)生的大角度偏轉(zhuǎn)。 由于a粒子的質(zhì)量大約是電子質(zhì)量的8000倍，所以a粒子在與電子作用時，幾乎不會改變方向，只有在a粒子十分接近原子核時，才受到很大的斥力而發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。由于原子核很小，原子內(nèi)很空曠，a粒子接近原子核的機會非常少，所以有上述實驗結(jié)果。 3、原子核大小的估計 a粒子散射的實驗的數(shù)據(jù)，可以估計原子核的半徑約為10-14m，不同元素原子核的半徑略有不同。原子半徑約為10-10m，原子核半徑只相當于原子半徑的萬分之一。如果把原子比作100m半徑的大球，原子核就相當于半徑1cm的小石子。 4、對原子核式結(jié)構(gòu)模型的理解 盧瑟福提出的原子模型中，帶正電的原子核像太陽，帶負電的電子像繞著太陽轉(zhuǎn)的行星。在這個“太陽系”中，支配它們之間的作用力是電磁相互作用力。因而這個模型又被稱為“行星模型”。 5、原子光譜 圖片展示：觀察各種原子的光譜 盧瑟福在原子的核式結(jié)構(gòu)學說中認為：帶負電的電子在核外空間里繞著核旋轉(zhuǎn)，但這仍只是一種猜想，缺少實驗的依據(jù)，而且無法解釋原子發(fā)光問題。對此，他的學生玻爾對此又作了深入的研究，提出了新的模型，并用該模型解釋了這一問題，有興趣的同學可以在課外查找資料進一步了解人類對原子結(jié)構(gòu)模型認識的發(fā)展。 （五）歸納小結(jié)、布置作業(yè)。