高中物理 人教版 选修三 原子结构和波粒二象性 第四单元第五课时

.3原子的核式结构模型第二课时原子的核式结构模型【教材分析】教材在介绍了电子的发现过程之后，引出原子结构的模型，并进一步以“西瓜模型—α粒子散射实验—原子核式结构模型”为主线，重点引导分析α粒子散射实验的实验过程、现象与结论，最后介绍了利用原子核与其它粒子的相互作用可以确定原子核的电荷与尺度，并强调原子内部十分“空旷”。【学情分析】通过初中以及化学的学习，学生对原子的内部结构有了一定的认识。但是，原子用肉眼无法观察，用什么样的方法去探究它的结构呢？因此对于这一部分的学习，学生应该有一定的好奇心，教学中从学生的好奇心出发，设置具有阶梯性的问题，引导学生思考，有些研究方法可以引导学生用之前所学习的物理知识去理解。【教学目标与核心素养】物理观念：了解α粒子散射实验过程中电荷间的相互作用（运动与相互作用观）；科学思维：1.知道不同原子模型之间的区别，知道原子模型的建立是在实验基础上不断发展和修正的过程，通过α粒子散射实验，促进学生模型建构、质疑创新能力的提升；2.能从多个角度思考问题，提升思维的流畅性、灵活性和独创性；科学探究：1.能够查阅资料，收集与原子结构的相关信息，提出与原子结构相关的物理问题；2.通过α粒子散射实验过程（及“盲盒”实验）促进学生观察能力的提升；科学态度与责任：1.根据α粒子散射实验过程，体会科学家们在研究原子结构中所展现的严谨、敢于质疑的科学态度与精神；2.根据人们对原子结构的猜测、推理与分析，体会自然规律简洁、对称之美；3.随着人们对物质世界本质认识的加深，体会科技与科学研究对社会发展的重要意义；【教学重难点】根据α粒子散射实验结果，否定“西瓜模型”，建构核式结构模型并知道其建构历程与逻辑模型方法、利用原子核与其他粒子相互作用确定原子微观结构方法等科学探究方法的认识与理解【教学策略与学法】教学策略：回顾历史+复验实验+问题链指引教法与学法：讲授法、演示实验法、问题与任务驱动法（教法）；自主学习与思考、交流讨论法、探究学习法（学法）【教学过程】一、新课引入图片引入（新西兰面值100元纸币）这是一张新西兰币的100元，头像是著名的物理学家——卢瑟福。卢瑟福是一位非常伟大的科学家，他曾经做了一个实验，被誉为十大最美的物理实验之一，这一实验，也让人们对原子的内部结构有了初步的了解。这一节课，我们就让时光流到20世纪初，一起来了解人们对原子结构的认识历程。设计意图：能够将头像印在纸币上，说明他一定有非常突出的贡献，借此激发学生的兴趣与探究欲。二、新课教学1.初建结构矛盾显现电子的发现，结束了人们对阴极射线本质的争论。但是又有一个新的问题摆在人们面前，原子呈现电中性，电子是原子的组成成分，带负电、质量非常小，那么原子中一定还有带正电的、质量非常的部分，那么它们是如何和谐共存的呢？是如何分布的呢？科学家们对此开始进行猜想，当时的三大发现（电子的发现、X射线的发现、放射现象的发现）也为原子模型大猜想提供了依据，比如，荷兰的科学家提出：原子中带正电的部分应该在球心，带负电的电子应该环绕它做圆周运动，日本科学家提出了土行星模型。当然，影响最大的莫过于汤姆孙自己提出来的模型，他根据理论计算与分析，结合自己的想象，认为：原子应该是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在球体内，电子则镶嵌在其中，这就如同西瓜子镶嵌在西瓜中、葡萄干镶嵌在枣糕之中，因此也被形象地称之为“西瓜模型”或者“枣糕模型”，这一模型可以完美地解释原子为什么呈现电中性的问题，也可以解释阴极射线发射电子的行为，也可以很好地解释光电效应问题，因此被人们所接受。就当人们认为原子就是一个实心地球体时，1903年，勒纳德做了一个实验，他用电子束照射到金属膜上，发现较高速的电子很容易穿透原子，这就说明原子内部是该是空的，不是一个实心的球体，这是第一次对汤姆孙的“西瓜模型”提出质疑，紧接着卢瑟福做了一个实验，α粒子散射实验，更对这一模型提出了深度质疑。设计意图通过对原子结构大猜想的介绍，让学生意识到猜想是有根据的，并不是“天马行空”的想象。实验现象与猜想冲突，激发学生的探究欲。盲盒实验猜测结构师：你拆过盲盒吗？学生：拆过师：你是如何知道里面内容的？学生：打开看看师：那么，不拆开呢？试没试过？学生：用等照在上面，掂量掂量，晃一晃，大致能猜出来。师：很好，也就是说，根据感受确定。换句话说，可以用实验确定。现在我这里也有一个“盲盒”，大家根据现象猜测一下里面的结构。这是一个激光笔，我现在打开电源，可以发现：发射的激光可以打到背面的白纸。水平移动激光笔的位置，可以改变激光打到的位置，现在我移动激光笔，大家观察一下现象，猜测一下白纸后的结构。设计意图：大部分学生都有拆盲盒的经历，引入课堂，提升课堂趣味性观察激光斑点位置的变化特点，培养学生的实验观察能力根据激光斑点位置的变化情况，培养学生的分析能力、模型建构能力为根据α粒子散射实验构建核式结构模型搭建台阶散射实验再建模型所谓的α粒子散射实验，就是用α粒子当做“炮弹”，轰击金箔产生散射的现象，当带正电的α粒子遇到金原子中带正电的部分时，由于受到库仑斥力的作用，运动的轨迹就会发生偏折，进而发生散射现象。那么为什么采用α粒子和金箔呢？所谓α粒子，就是氦核，质量是质子质量的4倍，是电子质量的7300倍，为什么采用α粒子呢？主要是因为α粒子具有以下几个特点：速度大、质量大，也就是说能量大，这样就有足够的可能接近金原子中带正电的部分。另外则是容易获得、容易显示轨迹。实验中，使用了大约有1微米厚的金箔，为什么不用其它材料呢？因为金的原子质量较大，可以更容易发射散射现象，进而确定其中正电体的分布。这是卢瑟福所使用的实验装置：左侧是被铅块包围的α粒子源，中间是金箔，虽然只有1微米厚，但是也有上千层金原子组成，最右侧则是带有荧光屏的显微镜组成，当α粒子打到荧光屏上时，会在荧光屏上留下荧光，通过显微镜可以记录粒子到达的次数，当然，显微镜可以360度无死角旋转，这样就可以统计各个方向α粒子所达到的比例。实验预测：α粒子射入金箔时难免与电子碰撞。这种碰撞对α粒子速度影响会不会很大？如果粒子的分布确实是“西瓜模型”，α粒子穿过金箔，受到电荷的作用力后，沿哪些方向前进的可能性较大，最不可能沿哪些方向前进？学生：应该不大，因为α粒子质量是电子质量的7300倍，很大，所以不会有很大影响。师：很好，7300倍是多大呢？人的质量是50kg，重型坦克的质量是80顿，只是人质量的1600倍，所以，可想而知7300倍是多大，当它遇到电子时，就相当于一颗高速飞行的子弹遇到的一粒灰尘，是微乎其微的。好，问题2呢？如何来解决？学生：我觉得沿直线前进最可能，但应该不会反弹。师：很好，“西瓜模型”强调电荷的均匀分布，当α粒子从中间穿过时，因为电荷均匀分布，受到的库仑力相互抵消，会沿着直线穿过。在两侧，由于受到的库仑力并不平衡，会向两侧稍加偏转，绝对不会出现不会发生大角度偏转，更不会出现反弹现象。实验模拟因为这个实验具有放射性，所以无法为大家现场演示，但是这个实验模拟能够说明实验的基本情况，我们来一起看一下。（播放视频）可以看到，不同位置α粒子的到达情况有着非常明显的区别，为此，我们研究几个特殊的位置：粒子源的正对侧，中线附近，粒子源同侧，右侧的几幅图片显示的是，粒子到达时的具体情况，可以看到在粒子源的正对侧粒子数目最多，在同侧数目最少，卢瑟福也注意到了这些现象，为此，他这样总结：绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍按原来方向前进；少数α粒子（约占1/8000），粒子发生了大角度偏转；极少数偏转角度甚至大于90°，就像被弹回来了一样。可以看到卢瑟福给出的数据相对来说比较具体，尤其是1/8000，极少数，也就是说，卢瑟福要观察的次数远大于8000，才能总结出结论。大家应该观察过显微镜，通过目镜看一会儿之后，就会感觉到非常疲惫，但是卢瑟福却观察了很长时间，可以看出科学实验是需要付出艰辛与努力的，在这里需要给卢瑟福点一个大大的赞。大部分粒子能到达粒子源同侧，说明大部分都透射了过去，这就意味着原子的内部应该是空的。但是有极少数的粒子被反弹了回来，这是“西瓜模型”所不能解释的现象，也就是说，西瓜模型是不对的。师：根据这些数据，结合刚刚的拆“盲盒”实验，你能猜出来原子的内部的结构吗？学生：大部分α粒子能够透射，说明原子的内部是空的；有很少的情况能够反射，说明原子内部有一个很小的结构，结构应该和哪个“盲盒”差不多。卢瑟福在自己实验数据的基础之上，结合自己敏锐的洞察力和丰富的想象力，以及他对自然规律简单，简洁，完美的认识基础之上，进行了如下解释：原子里的正电体很小，当α粒子进入原子区域后：大部分离正电体很远，受到的库仑斥力很小，运动方向几乎不改变；少数粒子离正电体较近，因此受到较强的库仑斥力，发生大角度散射；极少数粒子离正电体很近，受到很强的库仑斥力，发生“几乎被撞了回来”现象。结合太阳系行星的运动规律给了卢瑟福巨大的灵感，在这一解释的基础上，再次进行了凝练与提升：在原子的中心有一个体积很小、带正电的核，叫做原子核；原子的全部正电荷与几乎全部的质量都集中在原子核里，原子中的电子在核外空间绕着核旋转做圆周运动。这个模型也被形象地称之为核式结构模型。这一模型对吗？卢瑟福也有着自我怀疑，为此，卢瑟福以这个模型为依据，利用经典力学计算了向各个方向散射的α粒子的比例，结果与实验数据符合得很好。从实验和理论的角度证实了自己所提出模型的正确性，这一模型的提出，给当时的物理学家和化学家以巨大的振动，对原子物理学的发展起到了巨大的推动作用，在这里更需要给卢瑟福点一个大大的赞。设计意图：通过问题链设计，引发学生对α粒子散射实验的深度思考。通过对实验数据推理原子结构，培养学生的证据意识、推理能力、模型建构能力。通过与学生用显微镜观察物质微观结构体验相比较，引发学生对实验困难的感同身受，意识到科学研究是需要付出耐心与努力的。引导学生意识到科学需要实验与理论“两条腿”走路，有前有后，但是只有使用两条腿，方能行稳致远。原子核的电荷与尺度利用α粒子散射实验，不仅可以确定原子核的构型，还可以确定不同元素原子核的电荷量Q，原子呈现电中性，可以推断出原子内含有的电子数。非常接近它们的原子序数，这说明元素周期表中的各种元素是按原子中的电子数来排列的。对于非常小的原子核而言，我们可以利用其他粒子与核的相互作用来确定核的半径大小，对于一般的原子核，实验确定的核半径的数量级为10-15m，而整个原子半径的数量级是10-10m，两者相差十万倍之多。可见原子内部是十分“空旷”的。假如说，半径差距在10的5次方，体积差距应该在10的15次方，如果原子有体育场那么大，原子核就和小草上的一滴露水那么大，简直沧海一粟。现在我们已经知道，原子由原子核和电子构成，原子核由质子和中子组成。质子数和中子数统称为核子数，也就是质量数。设计意图：对散射理论的运用有初步的了解，加深对α粒子散射实验重大意义的认识。通过露珠与操场类比原子核与原子，让学生直观感受到原子的内部是十分“空旷的”。再次认识原子的组成，加深学生对原子结构图景的认识。【作业设计】完成课后练习4——6题请简述卢瑟福提出的原子结构的模型，查询资料，了解卢瑟福为α粒子散射实验所做的努力，并与同学交流自己的感受。【