16.1 探索微观世界的历程 教案【核心素养目标】（2022新课标）

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第十六章 粒子和宇宙
16.1 探索微观世界的历程
教学目标：
1.物理观念：
（1）知道常见物质是由分子、原子构成的。
（2）知道原子是由原子核和电子构成的，了解微观粒子的尺度，了解人类探索微观世界的大致历程，关注人类探索微观世界的进展。
2.科学思维：
认识物质的基本形态和属性开始，逐步深入到物质的微观结构、基本特征和大致尺度。
3.科学探究：
经历探究微观世界的历程。
4.科学态度与责任：
（1）通过演示实验、视频资源及类比手段，激发探究物质组成奥秘的兴趣。
（2）初步领悟通过直接感知的宏观现象可以认识无法直接感知的微观事实，知道这是一种重要的研究方法。
教学重点：经历探索微观世界的历程
教学难点：纳米技术导致材料、制造、医疗技术的革命。
教学课时：1课时
教学用具：多媒体。
教学互动设计：
1、 创设情景，导入新课
很久以前，不只普通人，就连天文学家也一直在奇怪，是什么原因使太阳发光 这个千古之谜是怎样破解的呢
1969年，当人类第一次踏上月球，回眸自己的来处时才深刻地认识到：在广袤的宇宙中，我们只偏居在一个小小的星球上。人类能够从地球奔向星际吗
500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope）是由中国科学院国家天文台主导建设的一座射电望远镜，位于贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县的喀斯特洼坑中。
该设备是具有中国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜，被誉为“中国天眼”。其主要由主动反射面系统、馈源支撑系统、测量与控制系统、接收机与终端及观测基地等几大部分构成
2023年10月，由中国科学院国家天文台韩金林研究员领导的“王绶琯巡天突击队”利用中国天眼FAST在“银道面脉冲星快照（GPPS）巡天”中新发现了76颗偶发脉冲星。该团队还利用FAST对国际上已知的59颗RRAT（旋转射电暂现源）进行了高灵敏度的观测，确认RRAT就是偶发脉冲星。
二、新课讲授，师生互动
（一）思维的火花
德谟克里特(Democritus， 约公元前460一约公元前370) 对他的学生们说道：
“你们看见远处那片树林了吗 由这里望去，它像一堵密不透风的绿墙。但走近一看，穿过它并不困难。它表面上是一堵坚硬的绿墙，其实是树干和枝叶编成的疏网 正像绿墙是由树干和枝叶组成似的，大自然的万物都由看不见的微小粒子——原子构成。原子不能消失，但也不会无中生有。”
尽管当年这位古希腊学者的见解缺少科学实验的基础，但后来的历史发展表明，他的思维闪烁着真理的火花。
（二）走向科学
正因为古希腊学者的“原子论”思想缺少科学实验基础，所以在“物质是由什么构成”的争论中，长期以来它并不占上风。直到17世纪下半叶和18世纪， 以玻意耳(Robert Boyle， 1627一1691) 和道尔顿(John Dalton，1766一1844)为代表的科学家才复活和确立了原子论。
他们研究和测量了大量物质的化学反应，发现并确认了如下事实：
1.多数物质可由其他物质通过化学反应合成，这些物质称为化合物；
2.一些物质不能由其他物质通过化学反应来合成，这些物质称为单质，也称为元素；
3.对应各种元素，存在着各种原子，元素的差异就在于它们的原子是不相同的。原子是元素保持化学性质不变的不可再分的最小单元。
从此，原子论从模糊不清的思辨性见解走向了植根于精确实验测量的自然科学的轨道。
1811年， 意大利科学家阿伏伽德罗(Amedeo Avogadro， 1776一1856) 指出，无论化合物还是单质，它们一般并不是直接由原子组成的，而是由几个原子相结合的分子构成的。单质的分子由同种原子构成，化合物的分子由两种或两种以上原子构成。
现在我们知道，无论是有生命还是无生命的常见物质，都由分子、原子组成。图甲是钨原子的分布图样。图乙是脱氧核糖核酸(DNA) 生物大分子结构图。
你知道吗
1cm3的水中含有3.34×1022个水分子。一个水分子的质量约为3×10-26kg。最小的分子只有10-27kg，其尺度相当于一根头发丝直径的十万分之一。
组成生命的基本组元DNA分子含有几百万个原子。
（三）揭开原子的“面纱”
19世纪下半叶，人们在研究稀薄气体放电现象时发现，当放电管(如图所示)内气体足够稀薄时，阴极就发射出一种射线，这种射线被称为阴极射线。
1897年，英国物理学家汤姆孙(Joseph Thomson，1856一1940)发现，阴极射线在电场或磁场作用下可发生偏转，偏转方向与带负电的粒子相同，这表明阴极射线是一种带负电的粒子流。接着他又通过测量，证实这种粒子的电荷绝对值与氢离子的相同，而质量还不到氢离子的千分之一。后来人们把这种粒子称为电子(electron) 。
由于电子可以从不同的阴极材料的原子里放射出来，而且是比最轻的氢原子还要轻得多的粒子，这表明原子并不是物质的不可再分的最小单元。
电子的发现揭开了原子世界神秘面纱的一角，汤姆孙因此获得了1906年诺贝尔物理学奖。
电子的发现表明，原子是由电子及另一些物质组成的。因为电子带负电，而原子是电中性的，所以那些物质一定带正电。那么，原子中带正电的部分是怎样的呢
为了探测原子结构，20世纪初，人们发展了一种实验方法：用一些已知的粒子，如电子、α粒子等轰击很薄的金属箔，它们与金属原子会产生相互作用而发生偏转。通过观察这些粒子穿过箔片时的偏转情况，可以获得原子内部的信息。这种实验叫散射实验。
α.粒子是一种带2个单位正电荷的粒子，质量约为电子质量的7300倍。1909一1911年，英国科学家卢瑟福(Ernest Rutherford， 1871一1937)等人无数次地用高速α粒子流轰击金箔，发现原子中带正电的物质只占很小的体积，但密度很大，几乎集中了原子的全部质量。
后来，人们称它为原子(atomic nucleus) 。如果把原子放大到20多层高的大厦那般大，原子核只有一粒黄豆那么一点，可见原子里面多么“空旷”。带负电的轻巧的电子就在这“空旷”的空间中高速运动。
（四）探索未有穷期
对原子世界的探索就这样结束了吗 不!人们很自然地将科学的触角伸向那更为神秘的原子核。
1919年， 卢瑟福发现了带正电的质子(proton) ， 1932年， 他的学生查德威克(James Chadwick， 1891一1974) 发现了不带电的中子(neutron) ， 并最终确定了原子核就是由质子和中子组成的。
这时，人们乐观地认为电子、质子和中子就是构成物质世界的基本单元，并称它们为基本粒子(elementary particle) 。但是， 好景不长， 人们很快从实验中陆续发现了更多的微观粒子。有的质量介于质子和电子之间，这类粒子称为介子；有的质量大于质子，这类粒子称为超子。种类如此之多、性质差异纷繁的粒子，使物理学家们不得不怀疑，包括质子、中子在内的这些粒子不可能是原来意义上的基本粒子，它们很可能仍然具有复杂的内部结构。
从1949年开始， 费米(Enrico Fermi， 1901一1954) 和杨振宁(1922一)及坂田昌一(Sakata Shyoichi， 1911一1970) 等人先后提出过一些关于这些粒子内部结构的模型。1964年， 美国物理学家盖尔曼(Murray Gel-Mann， 1929一)继承了他们的长处，提出质子、中子、介子、超子等都由三种基础粒子组成，它们分别称为上夸克、下夸克和奇异夸克。所以，科学界把这一模型称为夸克模型(quark model) 。
夸克模型对质子、中子及许多介子和超子的诸多性质给出了较好的解释，盖尔曼也因此获得了1969年诺贝尔物理学奖。
在盖尔曼的模型提出之后，1974年丁肇中(1936一) 和里克特(Burton Richter， 1931一) 在实验中发现了一种称为J/￥的新粒子，它的存在表明应该还有一种称为餐夸克的基础粒子。以后又相继发现了底夸克和顶夸克。至今我们已经知道共有6种夸克。
探索未有穷期，或许，同学们——你们这些未来的探索者今天正从这里迈向科学之门。
（五）纳米科技：从幻想到现实
在物理学中，原子、原子核及其更深层次的客体统称为微观粒子，简称粒子。图是它们大致的空间尺度示意图。从图中可见，它们的尺度都小于10-9m。
10-9m是一个长度单位， 称作纳米(nanometer) ， 大约是10个氢原子排列起来的长度。纳米科技指的是，当人们力图在纳米尺度上了解和控制物质时，所发现的许多新现象，所发明的许多新技术。
纳米科技的思想来自美国物理学家费恩曼(Richard Phillips Feynman，1918一1988)1959年的一次演讲。鉴于人类从磨尖箭头到制作家具等都是依次削去数以亿计的原子，以便把物质做成有用的形状，费恩曼问道：“为什么我们不可以从另外一个角度出发，从单个的分子甚至原子开始组装，以达到我们的要求呢 ”
费恩曼的灵感多年来曾被认为是科学幻想，直至1986年发明的扫描隧道显微镜终于一举提供了观察原子的“纳米眼”和操纵原子的“纳米手”，费恩曼的幻想才能得以成为现实。 1990年，科学家成功地对单个原子进行了重排，取得了纳米技术的一项关键性突破。1993年，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”字样。目前，我国在纳米技术研究领域，包括高质量的研究产出，处于领先地位，已成为当今世界高质量纳米科学研究产出的引领者。
今天，纳米催化剂大幅度提高了催化作用；用纳米颗粒粉体制成的纳米材料显示出比一般材料更为优异的性能；纳米炸药也显示出更大的威力······
展望未来，由于可以通过精确地控制原子或分子来制造产品，生产过程中将不会产生副产品和废物，甚至可以拆分废旧物的分子或原子，并用它们制造新的产品。
利用纳米技术，人类有可能在原子和分子尺度诊断和治愈疾病，甚至修补细胞；纳米技术将可以制造分子开关和导线，从而导致一场计算机制造技术的革命，使计算机的速度更快，体积更小······
三、总结反思，超越自我
1. 物质由分子、原子组成。
古希腊学者“大自然万物由看不见的微粒——原子构成”思维闪烁真理火花，17-19世纪，波意耳、道尔顿、阿伏伽德罗精确实验测量发现并确认。汤姆孙发现带负电的电子，20世纪卢瑟福发现带正电的质子。质子、中子、电子构成物质世界的基本单元，称为基本粒子。
2.探索未有穷期。20世纪后，质子、中子、介子、超子等三种基本粒子为上夸克、下夸克、奇异夸克——夸克模型；后发现粲夸克、底夸克、顶夸克，至今有6种夸克。微观粒子的尺度都小于10-9m——纳米。
3.纳米科技。1986年隧道显微镜的发明，提供观察原子的“纳米眼”和操纵原子“纳米手”。导致材料、制造、医疗技术革命。
四、板书设计，整合提升
1. 物质由分子、原子组成。
古希腊学者“大自然万物由看不见的微粒——原子构成”思维闪烁真理火花，17-19世纪，波意耳、道尔顿、阿伏伽德罗精确实验测量发现并确认。汤姆孙发现带负电的电子，20世纪卢瑟福发现带正电的质子。质子、中子、电子构成物质世界的基本单元，称为基本粒子。
2.探索未有穷期。20世纪后，质子、中子、介子、超子等三种基本粒子上夸克、下夸克、奇异夸克——夸克模型；粲夸克、底夸克、顶夸克，至今有6种夸克。微观粒子的尺度都小于10-9m——纳米。
3.纳米科技。1986年隧道显微镜的发明，提供观察原子的“纳米眼”和操纵原子“纳米手”。导致材料、制造、医疗技术革命。
五、大海扬帆，尝试远航
1. 下列说法不正确的是（ ）
A. 古希腊学者认为大自然万物都由看不见的微小粒子——原子构成
B.直到19世纪，科学家认为物质由分子、原子组成
C. 英国物理学家汤姆孙发现了质子
D. 20世纪初，人们乐观地的认为电子、质子和中子就是构成物质世界的基本单元，称为基本粒子
2．下列说法不正确的是（ ）
A. 从1949年开始，费米、杨振宁等人提出粒子内部结构模型
B. 1964年，盖尔曼提出质子、中子、介子、超子等由上夸克、下夸克和奇异夸克组成的夸克模型
C. 1974年，丁肇中和克里特在实验中发现新粒子——餐夸克
D.至今我们已经知道共有4种夸克
3．在探索微观世界的历程中，人们首先发现了电子，进而认识到原子是由( )。
A.氢原子和电子组成的
B.质子和中子组成的
C.原子核和核外电子组成的
D.原子核和中子组成的
4．下列说法正确的是 （ ）
A.在物理学中，原子、原子核及其更深层次的客体统称微观粒子
B.原子的空间尺度为10-9m
C.原子核的空间尺度为10-10m
D.质子的空间尺度为10-14m
5．关于纳米及纳米科技下列说法错误的是 （ ）
A.10-9m是一个长度单位，称作纳米
B.1986年隧道显微镜的发明为人们提供观察原子的“纳米眼”和操纵原子的“纳米手”
C.1993年，中国科学院北京真空物理实验室自如操纵原子成功写出“中国”字样
D.纳米科技思想来自英国的物理学家费恩曼演讲制作家具从单个分子甚至原子开始组装
参考答案1.C；2.D；3.C；4.A；5.D。
六、作业：P197.T1
课外作业P197.T2、T3、T4 。
P198阅读材料 夸克 丁肇中
教学反思：
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