《原子的結(jié)構(gòu)》第1課時(shí)教學(xué)設(shè)計(jì)

《原子的結(jié)構(gòu)》第1課時(shí)教學(xué)設(shè)計(jì)〖教材分析〗首先通過實(shí)驗(yàn)說明陰極射線的存在，最后通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)了電子。電子的發(fā)現(xiàn)說明原子不是組成物質(zhì)的最小微粒，對(duì)揭示原子結(jié)構(gòu)有重大意義。在此基礎(chǔ)上湯姆孫提出了棗糕模型，a粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)否定了棗糕模型，提出了原子的核式結(jié)夠模型?！冀虒W(xué)目標(biāo)與核心素養(yǎng)〗物理觀念∶知道原子核式結(jié)夠模型，體會(huì)物理模型建立的艱辛?？茖W(xué)思維∶通過a粒子散射實(shí)驗(yàn)，知識(shí)通過宏觀分析研究微觀世界的方法?？茖W(xué)探究：通過觀察電子的發(fā)現(xiàn)過程實(shí)驗(yàn)和a粒子散射實(shí)驗(yàn)過程培養(yǎng)學(xué)生觀察能力，感悟以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)探究方法?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任∶體會(huì)研究微觀世界的一種科學(xué)方法，以及在科學(xué)方法論中的重要意義。學(xué)習(xí)科學(xué)家們的艱苦奮斗的精神，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情?！冀虒W(xué)重難點(diǎn)〗教學(xué)重點(diǎn)：電子發(fā)現(xiàn)的過程、a粒子散射實(shí)驗(yàn)和原子核式結(jié)構(gòu)。教學(xué)難點(diǎn)：a粒子散射實(shí)驗(yàn)?！冀虒W(xué)準(zhǔn)備〗多媒體課件等。〖教學(xué)過程〗一、新課引入科學(xué)家在研究稀薄氣體放電時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)玻璃管內(nèi)的氣體足夠稀薄時(shí)，陰極就發(fā)出一種射線。它能使對(duì)著陰極的玻璃管壁發(fā)出熒光，這種射線的本質(zhì)是什么呢?這種射線稱為陰極射線。歷史上對(duì)陰極射線本質(zhì)的認(rèn)識(shí)有兩種觀點(diǎn)：德國(guó)科學(xué)赫茲認(rèn)為原子就是最小的粒子，陰極射線是電磁波；英國(guó)科學(xué)湯姆孫他認(rèn)為陰極射線是由運(yùn)動(dòng)的帶電粒子組成的。二、新課教學(xué)（一）電子的發(fā)現(xiàn)1.湯姆孫實(shí)驗(yàn)裝置①K產(chǎn)生陰極射線②A、B形成一束細(xì)細(xì)射線③D1、D2之間加電場(chǎng)或磁場(chǎng)檢測(cè)射線的帶電性質(zhì)④熒光屏顯示陰極射線到達(dá)的位置，可以研究射線的徑跡。問題：陰極射線的本質(zhì)，通過什么原理來測(cè)定呢？因?yàn)閹щ娏Ｗ訒?huì)在電場(chǎng)或磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)。所以讓陰極射線沿垂直場(chǎng)的方向通過電場(chǎng)或磁場(chǎng)，觀察它是否偏轉(zhuǎn)。如果陰極射線發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，那么陰極射線就是在電場(chǎng)力或洛倫茲力的作用下偏轉(zhuǎn)的，說明陰極射線的本質(zhì)是帶電粒子流。如果陰極射線沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)，表示陰極射線不帶電，說明陰極射線的本質(zhì)是電磁波。2.湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子湯姆孫發(fā)現(xiàn)，如果不加電場(chǎng)和磁場(chǎng)陰極射線就會(huì)直接打到p1。如果只加電場(chǎng)，陰極射線就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，落在p2。這是往正極方向偏，說明陰極射線帶負(fù)電。即陰極射線的本質(zhì)是帶負(fù)電的粒子流。湯姆孫還求出了這種粒子的比荷。問題：怎么求這種粒子的比荷？在PP′兩極間加入合適的電場(chǎng)，并逐步增大電壓，使屏幕上的亮點(diǎn)逐漸向屏幕下方偏移，直到屏幕上恰好看不見亮點(diǎn)為止，記下此時(shí)外加電壓U.偏轉(zhuǎn)位移在上面的基礎(chǔ)上，加上磁場(chǎng)，調(diào)整磁場(chǎng)大小是陰極射線剛好不偏轉(zhuǎn)，此時(shí)帶電微粒所受洛倫茲力與電場(chǎng)力相等qE=qvB結(jié)論：湯姆孫用不同的物質(zhì)材料重復(fù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)從不同材料中，都能發(fā)出陰極射線，而且他們都帶負(fù)電，比荷也都相同。問題：這說明了什么？這說明這種微粒是構(gòu)成各種物質(zhì)的共有成分。至此，帶電微粒說獲勝。后來，組成陰極射線的粒子被稱為電子。電子是比原子更基本的物質(zhì)單元，是原子的組成部分。問題：電子的電量和質(zhì)量究竟是多少呢？3.密立根測(cè)電子電量湯姆孫已經(jīng)測(cè)定了電子的比荷，所以接下來只要測(cè)出電量質(zhì)量，也就可以算出。問題：那單個(gè)電子的電量是如何測(cè)量的呢？美國(guó)物理學(xué)家密立根就他著名的油滴實(shí)驗(yàn)完成了這個(gè)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)原理：兩塊平行板中有質(zhì)量為m，帶電量為q的油滴。油滴受到重力和電場(chǎng)力的作用，通過調(diào)節(jié)電壓是油滴在電場(chǎng)中靜止受力平衡。問題：m要如何測(cè)量呢？可以把平行板間電壓撤掉，這樣一來，油滴在重力作用下加速下落，而空氣阻力f與油滴下落的速度v成正比，也會(huì)不斷增加。直到油滴做勻速直線運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的重力與阻力是平衡的mg=kv聯(lián)立得油滴電量。其中比例系數(shù)k油滴與半徑和空氣的粘滯系數(shù)有關(guān)。由于當(dāng)時(shí)使用的粘滯系數(shù)并不十分準(zhǔn)確，這個(gè)結(jié)果與真實(shí)值略有偏差。現(xiàn)在測(cè)量的真實(shí)值是e=1.6022×10-19C密立根發(fā)現(xiàn)：電荷是量子化的，任何帶電體的電荷只能是e的整倍。這就是咱們熟悉的元電荷e。有了電子的電量e，再結(jié)合湯姆森求出的電子比荷，就可以算出電子的質(zhì)量me=9.1094×10-31kg它是質(zhì)子質(zhì)量的1/1836，所以電子真是非常微小的。4.電子的普遍性湯姆孫又進(jìn)一步研究了許多新現(xiàn)象，如光電效應(yīng)、熱離子發(fā)射效應(yīng)和β射線等。他發(fā)現(xiàn)，不論陰極射線、光電流、熱離子流還是β射線，它們都包含電子。也就是說，不論是由于正離子的轟擊、紫外光的照射、金屬受熱還是放射性物質(zhì)的自發(fā)輻射，都能發(fā)射同樣的帶電微?！娮印Ｕn堂練習(xí)例1.如圖所示，在陰極射線管正上方平行放一通有強(qiáng)電流的長(zhǎng)直導(dǎo)線，則陰極射線將（）A．向紙內(nèi)偏轉(zhuǎn) B．向紙外偏轉(zhuǎn)C．向下偏轉(zhuǎn) D．向上偏轉(zhuǎn)解析：因?yàn)殛帢O射線是帶負(fù)電的電子流，電子從負(fù)極端射出，由左手定則可判定陰極射線(電子)向上偏轉(zhuǎn)。故D選項(xiàng)正確。思考與討論通常情況下，物質(zhì)是不帶電的，因此，原子應(yīng)該是電中性的。既然電子是帶負(fù)電的，質(zhì)量又很小，那么，原子中一定還有帶正電的部分，它具有大部分的原子質(zhì)量。請(qǐng)你設(shè)想一下，原子中帶正電的部分以及帶負(fù)電的電子可能是如何分布的?那原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是什么樣的呢？（二）原子的核式結(jié)構(gòu)模型1.湯姆孫棗糕模型他認(rèn)為：原子是一個(gè)實(shí)心球體。正電荷均勻地分布于整個(gè)球體內(nèi)，電子則稀疏嵌在球體中，正負(fù)電荷電量相等，所以原子整體顯電中性。棗糕模型的作用：能解釋元素周期律，能解釋陰極射線的現(xiàn)象，能估算出原子的大小。正是由于湯姆孫模型能夠解釋當(dāng)時(shí)很多的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，所以當(dāng)時(shí)被許多物理學(xué)家所接受。模型被動(dòng)搖：1903年，納得在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，高速運(yùn)動(dòng)的電子很容易穿透金屬箔，看起來原子內(nèi)部是十分空虛的，并不像是實(shí)心球體，這個(gè)模型可能不正確。問題：物理學(xué)家提出了多種多樣的原子結(jié)構(gòu)模型，究竟哪一個(gè)正確呢？研究原子結(jié)構(gòu)模型的方法：原子實(shí)在太小，無法直接觀測(cè)?？茖W(xué)家用高速粒子轟擊實(shí)驗(yàn)材料，或者讓兩種粒子高速對(duì)撞，從粒子內(nèi)部打出碎片，甚至創(chuàng)出新粒子，從而尋得內(nèi)部結(jié)構(gòu)的蛛絲馬跡。2.a粒子散射實(shí)驗(yàn)為了證實(shí)湯姆孫原子模型的正確性，1909年英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福和他的學(xué)生蓋革與馬順用a粒子轟擊金箔，然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果確成了否定湯姆孫原子模型的有力證據(jù)。這就是著名的a粒子散射實(shí)驗(yàn)。①實(shí)驗(yàn)材料的選擇問題：那什么是a粒子呢？a射線是高速運(yùn)動(dòng)的氦原子核。質(zhì)量是氫原子質(zhì)量的四倍，電子質(zhì)量的7300倍，帶兩個(gè)單位的正電荷。問題：為什么選擇a粒子呢？首先是容易獲得，從放射源中就能得到他。其次它質(zhì)量大，速度快，就足夠的能量可以接近原子中心。最后它可以使熒光物質(zhì)發(fā)光，因此可以方便的捕捉它的軌跡。如果a粒子與其他粒子發(fā)生相互作用而改變運(yùn)動(dòng)方向，熒光屏就能夠顯示出它的方向變化。問題：為什么用金箔作為靶材呢？由于金的延展性很好，可以做的很薄，甚至只有1um厚。這樣一來，就可以減少a粒子與氫原子核發(fā)生二次碰撞的可能性。此外，金原子的質(zhì)量遠(yuǎn)比a粒子要大，兩者之間發(fā)生了相互作用時(shí)，相互作用力對(duì)a粒子的運(yùn)動(dòng)影響較大，而對(duì)氫原子影響很小。選擇材料的理由你都清楚了，這實(shí)驗(yàn)究竟是怎么做的呢？②實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)裝置＊R是被鉛塊包圍的a粒子源＊F是金箔：接收a粒子的轟擊＊M是一個(gè)帶有光屏S的放大鏡，可以在水平而內(nèi)轉(zhuǎn)到不同的方向?qū)ι⑸涞腶粒子進(jìn)行觀察。注意：整個(gè)裝置還要放在真空中，以防止a射射線電離空氣影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)原理：當(dāng)a粒子打到金箔時(shí)，由于金原子中的帶電粒子對(duì)a粒子有庫(kù)侖力的作用，發(fā)生了a粒子的散射。統(tǒng)計(jì)散射到各個(gè)方向的a粒子所占的比例，可以推知原子中電荷的分布情況。動(dòng)圖展示實(shí)驗(yàn)過程。實(shí)驗(yàn)裝置，你清楚了，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如何呢？思考與討論a粒子射入金箔時(shí)難免與電子碰撞。試估計(jì)這種碰撞對(duì)a拉子速度影響的大小按照湯姆孫的原子模型，正電荷均勻分布在整個(gè)原子球體內(nèi)。請(qǐng)分析：a粒子穿過金箔，受到電荷的作用力后，沿哪些方向前進(jìn)的可能性較大，最不可能沿哪些方向前進(jìn)。分析：碰撞前后，質(zhì)量大的a粒子速度幾乎不變。只可能是電子的速度發(fā)生大的改變，因此不可能出現(xiàn)反彈現(xiàn)象，也不會(huì)有大角度散射。那實(shí)驗(yàn)結(jié)果到底是如何的呢？③實(shí)驗(yàn)結(jié)果＊絕大部分a粒子基本上仍按原來方向前進(jìn)。＊少數(shù)a粒子粒子發(fā)生了大角度偏折＊極少數(shù)偏轉(zhuǎn)角度超過90度，還有個(gè)別粒子，幾乎是被180度反彈回來的。對(duì)于這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果，盧瑟福后來回憶說，這是我一生中從未有的最難以置信的事兒。這就好像你朝一張衛(wèi)生紙射出一發(fā)炮彈，炮彈卻彈回來打中你一樣。問題：粒子大角度散射甚至被彈回的原因是什么呢？3.對(duì)a粒子散射實(shí)驗(yàn)的解釋①粒子出現(xiàn)大角度散射有沒有可能是與電子碰撞后造成的？大角度的偏轉(zhuǎn)不可能是電子造成的，因?yàn)樗馁|(zhì)量只有a粒子的，它對(duì)a粒子速度的大小和方向的影響就像灰塵對(duì)槍彈的影響，完全可以忽略。因此粒子的偏轉(zhuǎn)主要是由原子大部分質(zhì)量的帶正電部分造成的。②那有沒有可能是由于穿過多層原子造成偏轉(zhuǎn)角度增大呢？計(jì)算表明，由于每次的偏振方向都是隨機(jī)的，最終發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)的概率非常小，反彈的幾率只有10-3500。但實(shí)驗(yàn)中反彈的幾率有。③棗糕模型能否解釋大角度偏轉(zhuǎn)呢？不能。因?yàn)榘凑諟穼O模型來分析，a粒子穿過原子時(shí)前進(jìn)方向兩側(cè)的正電荷，對(duì)它的庫(kù)侖力幾乎相互抵消。因此無法讓它偏轉(zhuǎn)更多。所以更加堅(jiān)定的認(rèn)為，粒子的偏轉(zhuǎn)主要是由原子大部分質(zhì)量的帶正電部分造成的。問題：那這個(gè)現(xiàn)象究竟應(yīng)該怎么解釋呢？④盧瑟福對(duì)a粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)的解釋實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)少數(shù)的a粒子發(fā)生大角度的偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)的個(gè)別a粒子甚至被彈回。這個(gè)現(xiàn)象能表明什么呢？盧瑟福認(rèn)為：粒子在原子中某個(gè)地方遇到了質(zhì)量，電量均比他們本身大的多的物體，而這種遇上的概率又很小，也就是說原子中的質(zhì)量和電荷不是均勻分布，而是集中在某個(gè)很小的范圍內(nèi)。這樣才會(huì)使粒子在經(jīng)過時(shí)受到很強(qiáng)的斥力，使其發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。⑤盧瑟?！耸浇Y(jié)構(gòu)模型盧瑟福提出的原子核式結(jié)構(gòu)模型，認(rèn)為：＊原子的幾乎全部質(zhì)量和全部正電荷都集中于一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)，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(fù)電的電子在核外空間繞著核旋轉(zhuǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)（動(dòng)圖展示）按照這個(gè)模型，當(dāng)a粒子進(jìn)入原子時(shí)，大部分離原子核比較遠(yuǎn)，受庫(kù)侖力小，運(yùn)動(dòng)方向改變不大。只有極少數(shù)a粒子距離原子核很近，受到很強(qiáng)的庫(kù)侖力，才會(huì)發(fā)生大角度散射，甚至被彈回。按照這個(gè)理論計(jì)算，在散射角方向上觀察到的a粒子數(shù)，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合得很好。這個(gè)解釋對(duì)之后的近代物理研究有很大啟發(fā)。例2.（多選）盧瑟福對(duì)α粒子散射實(shí)驗(yàn)的解釋是（）A．使α粒子產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的力主要是原子中電子對(duì)α粒子的作用力B．使α粒子產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的力是庫(kù)侖力C．原子核很小，α粒子接近它的機(jī)會(huì)很小，所以絕大多數(shù)的α粒子仍沿原來的方向前進(jìn)D．能產(chǎn)生大角度偏轉(zhuǎn)的α粒子是穿過原子時(shí)離原子核近的α粒子解析：原子核帶正電與α粒子間存在庫(kù)侖力，當(dāng)α粒子靠近原子核時(shí)受庫(kù)侖力而偏轉(zhuǎn)，故B對(duì)，A錯(cuò)；由于原子核非常小，絕大多數(shù)粒子經(jīng)過時(shí)離核較遠(yuǎn)因而運(yùn)動(dòng)方向幾乎不變，只有離核很近的α粒子受到的庫(kù)侖力較大，方向改變較多，故C、D對(duì)。（三）原子核的電荷與尺度1.電子數(shù)與原子序數(shù)由于原子是電中性的，原子核所帶正電荷數(shù)等于電子數(shù)?？茖W(xué)家們注意到各種元素的原子核的電荷數(shù)，即原子內(nèi)的電子數(shù)，非常接近它們的原子序數(shù)。這說明元素周期表中的各種元素是按原子中的電子數(shù)排列的。原子核所帶正電荷數(shù)=核外電子數(shù)=該元素在周期表內(nèi)的原子序數(shù)2.原子核的尺度實(shí)驗(yàn)中大部分a粒子在穿過數(shù)千曾經(jīng)原則的厚度后，運(yùn)動(dòng)方向仍沒有發(fā)生大的改變，正說明原子中的絕大部分是空的，原子核的半徑是很難測(cè)量的，一般通過其他粒子與核的相互作用來確定。實(shí)驗(yàn)確定的核半徑的數(shù)量級(jí)為10-l5m，而整個(gè)原子半徑的數(shù)量級(jí)是10-10m，兩者相差十萬倍之多。可見原子內(nèi)部是十分"空曠"的。課堂練習(xí)例3.（多選）關(guān)于原子的核式結(jié)構(gòu)模型，下列說法正確的是（）A．原子中絕大部分是“空”的，原子核很小B．電子在核外繞核旋轉(zhuǎn)的向心力是原子核對(duì)它的庫(kù)侖力C．原子的全部電荷和質(zhì)量都集中在原子核里D．原子核的直徑的數(shù)量級(jí)是10－10m答案：AB解析：在盧瑟福α粒子散射實(shí)驗(yàn)中，α粒子穿過金箔后，絕大多數(shù)α粒子仍沿原來的方向前進(jìn)，故A正確．少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)角度大于90°，極個(gè)別α粒子反彈回來，所以在B位置只能觀察到少數(shù)的閃光，在C、D兩位置能觀察到的閃光次數(shù)極少，故B、D錯(cuò)誤，C正確?！及鍟O(shè)計(jì)〗《原子的結(jié)構(gòu)》第1課時(shí)電子的發(fā)現(xiàn)1.湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子2.密立根油滴實(shí)驗(yàn)測(cè)電子電量∶e=1.602×10-19C3.密立根發(fā)現(xiàn)電荷是量子化的，任何帶電體的電荷只能是e的整倍4.電子的質(zhì)量∶m.=9.109×10-31kg二、原子的核式結(jié)構(gòu)模型1.盧瑟福通過α粒子散射實(shí)驗(yàn)提出核式結(jié)構(gòu)模型2.在原子的中心有一個(gè)體積很小、帶正電荷的核，叫做原子核3.原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里4.帶負(fù)電的電子