4.3 原子核式结构模型 教学设计（表格式）

教学设计
课程基本信息
课题 原子的核式结构模型
教学目标
1．了解原子结构模型建立的历史过程及各种模型建立的依据。[来源:学. 2．知道粒子散射实验的实验方法和实验现象，及原子核式结构模型的主要内容。 3.通过对原子模型演变历史的学习，感受科学家们细致、敏锐的科学态度和不畏权威、尊重事实、尊重科学的科学精神。
教学内容
教学重点： 1．引导学生小组自主思考讨论：会预设枣糕模型会出现的轨迹，再由粒子散射实验的结果发现矛盾，从而否定枣糕模型，得出原子的核式结构 2．在教学中渗透和让学生体会物理学研究方法，渗透物理学方法：模型法 教学难点： 引导学生小组自主思考讨论：对ɑ粒子散射实验的结果分析从而否定枣糕模型，得出原子的核式结构
教学过程
一．引入新课 知识复习——电子的发现 简单复习上节课的内容： 自从1808年道尔顿提出原子学说，人们都认为原子是组成物质的最小微粒，是不能再分的。 直到1897年，汤姆孙发现了电子（板书）提出了原子是可分割的。电子的发现是人类对物质结构认识上的一次巨大飞跃，是近代物理三大发现之一（X射线 放射性 电子）。汤姆孙也由此荣获了诺贝尔物理奖，被称为“电子之父”。 二．新课学习 （一）粒子散射实验 1.提出问题 电子发现的同时也诞生一个新的问题：通常情况下物质是不带电的，也就是原子是电中性的，而电子带负电且质量很小，可见原子内部还有带正电的部分且具有大部分原子的质量，这些带正电的部分和带负电的电子是如何分布的呢？ 这就是我们本节课要学习的内容 2，猜想建模（西瓜模型） 咱们物理学研究中有常用的方法叫模型法。发现电子后，关于原子中正负电荷的分布问题，科学家们提出了许多原子模型，最有影响的模型之一是：汤姆孙提出的一种模型 汤姆孙认为，原子是球体，带正电的物质均匀地分布于球体内，带负电的电子一颗一颗地镶嵌在球内各处的一个个同心环上。 这个模型和我们生活很多物体都很相似。比如梅子布丁、枣糕、西瓜。汤姆孙原子模型因此又被形象的称为梅子布丁模型、枣糕模型、“西瓜模型”。 因为西瓜模型很符合人们的日常认识，又解释了原子为什么是电中性的，电子在原子里是怎样分布的，还解释了原子为什么发光等等。 一切看似都很完美，1903年出现一个小插曲。勒纳德做了一个实验，使电子束射到金属膜上，发现速度较高的电子很容易穿透原子。由此人们想到：难道原子不是一个实心球体吗？ 3.实验验证（粒子散射实验） 西瓜模型到底对不对呢？我说了不算，你说也不算，科学仅仅有猜想是不够的，还需要实验验证。汤姆孙的原子模型提出后，他的学生卢瑟福就想用实验的方法来验证。可是如同这个西瓜，你想知道它内部的结构，怎么办？ 切开！对，可是由于原子的结构非常紧密，一般的方法无法打开它。卢瑟福想到有效的方法：利用高能粒子去轰击原子。 为什么选择粒子？从质量和速度分析 带正电，电量是电子电量的2倍，质量约是氢原子的4倍，约是电子质量的7300倍。从放射性元素中放射出来的粒子动能很大，射出速度达107m/s，不折不扣的高能粒子。α粒子打到荧光屏上能产生一个闪烁的亮点，可用显微镜观察。 所以 1909～1911年，英国物理学家卢瑟福和他的学生进行了用粒子轰击金箔的实验，即 粒子散射实验。 （2）粒子散射实验原理： 粒子打在金箔上，由于金原子里的带电体会产生库仑力，一些粒子的运动方向会发生改变，就是粒子的散射现象。统计散射到各个方向的粒子所占的比例，就可以推知原子中电荷的分布情况。 （3）粒子散射实验装置 图片展示：粒子散射实验装置图。 放射源：放射物质 放在带小孔的铅盒中，能放射粒子。 金 箔：厚度极小，可至1微米（虽然很薄但仍有几千层原子）。 荧光屏：玻璃片上涂有荧光物质硫化锌，装在显微镜上。α粒子打到荧光屏上能产生一个闪烁的亮点，可用显微镜观察。 显微镜：能够围绕金箔在水平面内转动，在不同偏转角观察，可看到α粒子的散射现象。 3.实验预想 投影出三个问题让学生先自己思考，师生共同分析，然后让学生小组讨论 预想：如果原子结构是汤姆孙的“西瓜模型”， α粒子穿过“西瓜模型”原子的轨迹是怎样的呢？ 1.α粒子射入金箔是难免跟电子碰撞，电子的碰撞可能使粒子出现大角度散射吗？ 2．按照西瓜模型，粒子在原子附近或穿越原子内部后有没有可能发生大角度偏转？沿哪个方向前进的可能性较大？ 学生回答： 1．粒子跟电子碰撞过程中，粒子质量是电子质量的7300倍，电子对粒子在速度大小和方向上的影响就像灰尘对枪弹的影响是完全可以忽略的，因此碰撞后质量大的粒子速度几乎不变。 2．对于粒子在原子附近时由于原子呈中性，与ɑ粒子之间没有或很小的库仑力的作用，正电荷在原子内部均匀的分布，粒子穿过原子时，分几种情况： 从中间不偏，原子间的空隙中过不偏，上边上偏，下边下偏， 当粒子穿过原子时，四面八方的正电荷都对它有库伦斥力，大部分互相抵消，使粒子偏转的力不会很大 老师总结：可见，粒子这颗重型炮弹轰击原子时，无论是小小的电子，还是均匀分布的正电荷，都不会使粒子发生大角度偏转. 即使受到一点阻挡的话，也只是稍微改变一下方向而已。 我们看一段BBC的科普记录片 实验主要任务是观察荧光屏，数粒子数 这个实验十分的辛苦，如果盯着显微镜观察半小时，有什么感觉？头晕。 那么当时卢瑟福他们是否也是面临了身心煎熬，但也要坚持一步步找寻真理 卢瑟福和他的学生观察了几个月之久，经过了长期的多角度的观察，惊奇的事情出现了！他们观察到了被金箔反弹回来了的粒子。 经过大量的统计，得到实验现象： ①.绝大多数粒子穿过金箔后仍沿原方向前进； ②少数粒子穿过金箔后发生了较大的偏转； ③极少数粒子偏转几乎达到180°，被金箔弹了回来。 极少数的粒子能够观察到的机率是1/8000，即有8000个粒子轰击金箔，才可能有一个粒子发生大角度偏转。 采访学生：此刻的你有什么感想？ 老师总结：这个结果固然让我们震惊，很是激动，但是我觉得在这个过程中科学家们的锲而不舍、严谨务实的科学态度，更让我们敬畏。 这个实验是物理学史上十大最美实验之一 .矛盾出现 按照“西瓜模型”预想的结果和实验的真实结果一致吗？不，解释不了 思考:既然电子影响不大，那只能是正电荷，均匀分布是不行的。 那你认为原子中的正电荷应如何分布，才有可能造成ɑ粒子的大角度偏转？ 以及如何用你新的模型解释三条现象？ 学生讨论 引导：不是电子，必为正电物质，但又不时均匀分布，那么质量和电荷量只能集中在很小的空间内。 总结原子特点： 绝大部分是空的，正电体占原子质量绝大部分而只占据很小的空间范围。 点评：卢瑟福也是这么想的！英雄所见略同！ 老师：此时的卢瑟福既激动，又矛盾：难道汤姆孙的模型是错误的吗？我的老师汤姆孙错了吗？当时物理学界的权威啊！如果是你，你会怎么做？ （有前途，下一个卢瑟福） 二次采访学生感想：如果是你，你会怎么做？ 点评 （有前途，下一个卢瑟福） 老师：虚拟实验室 微观演示做了大量的实验和理论计算后深思熟虑，决定尊重事实 ，大胆的提出了核式结构模型。 5.重新建模（核式结构模型） 为了解释粒子的散射实验结果，卢瑟福在1911年提出了原子的核式结构学说： 在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着核高速旋转。 卢瑟福提出的原子模型中，带正电的原子核像太阳，带负电的电子像绕着太阳转的行星。因而这个模型又被称为“行星模型”。而这个唯美的图片也已经广泛出现在科普读物上，称为科学的标志。 再次验证：卢瑟福以这个模型为依据，利用经典力学计算了各个方向 粒子的比例，结果与实验数据符合的很好。 大家会发现一个很有趣的现象：刚开始我们公认的牛人：电子之父有着重要的贡献，但是今天所有的教科书都要批评他的西瓜模型。这也告诉我们：曾经正确的科学家也会存在不足，新现象的出现预示着新的理论的形成，也只有新的理论可以解决新问题。科学就是这样螺旋式前进着，不断发现未知，不断完善理论，一步步的走向真理。 二．原子核的电荷和尺度 （一）原子核的带电量 思考：原子核带多少正电荷 回答：原子核的电荷数＝电子数＝原子序数＝质子数 （二）原子核的尺度 原子半径的数量级多大 原子核半径的数量级多大？ 回答：原子半径的数量级为10-10m、原子核半径数量级为10-15m，两者相差105倍！ 举例：原子如果相当于直径约为百米的体育场大小，半径大约100米，大家找找原子核相当于体育场里的什么呢？ 则原子核的直径相当于毫米大小的露珠； 三．课后拓展 其实卢瑟福的模型提出后，很多科学家都无法接受，因为电子在库仑力下绕核运转，电磁场发生变化，激发出电磁波，就是向外辐射能量。那么能量越来越少，电子轨道半径减小，最后会撞到原子核上。但事实上很稳定。那么这个矛盾又在呼唤着什么新理论的出现，谁又将继续完成我们的发现之旅呢？我们下节课继续…… 四．学生交流 本节课接近尾声，请同学谈谈收获。 五．最后送给大家一段话 密立根曾经说过：科学要靠两条腿走路，一条是理论，另一条就是实验。有时候一条腿走在了前面，有时候另外一条腿走在了前面。但是只有两条腿都使用时，我们才能够前进……