《原子的结构》第1课时教学设计

《原子的结构》第1课时教学设计〖教材分析〗首先通过实验说明阴极射线的存在，最后通过实验研究发现了电子。电子的发现说明原子不是组成物质的最小微粒，对揭示原子结构有重大意义。在此基础上汤姆孙提出了枣糕模型，a粒子散射实验结构否定了枣糕模型，提出了原子的核式结够模型。〖教学目标与核心素养〗物理观念∶知道原子核式结够模型，体会物理模型建立的艰辛。科学思维∶通过a粒子散射实验，知识通过宏观分析研究微观世界的方法。科学探究：通过观察电子的发现过程实验和a粒子散射实验过程培养学生观察能力，感悟以实验为基础的科学探究方法。科学态度与责任∶体会研究微观世界的一种科学方法，以及在科学方法论中的重要意义。学习科学家们的艰苦奋斗的精神，激发学生学习热情。〖教学重难点〗教学重点：电子发现的过程、a粒子散射实验和原子核式结构。教学难点：a粒子散射实验。〖教学准备〗多媒体课件等。〖教学过程〗一、新课引入科学家在研究稀薄气体放电时发现，当玻璃管内的气体足够稀薄时，阴极就发出一种射线。它能使对着阴极的玻璃管壁发出荧光，这种射线的本质是什么呢?这种射线称为阴极射线。历史上对阴极射线本质的认识有两种观点：德国科学赫兹认为原子就是最小的粒子，阴极射线是电磁波；英国科学汤姆孙他认为阴极射线是由运动的带电粒子组成的。二、新课教学（一）电子的发现1.汤姆孙实验装置①K产生阴极射线②A、B形成一束细细射线③D1、D2之间加电场或磁场检测射线的带电性质④荧光屏显示阴极射线到达的位置，可以研究射线的径迹。问题：阴极射线的本质，通过什么原理来测定呢？因为带电粒子会在电场或磁场中偏转。所以让阴极射线沿垂直场的方向通过电场或磁场，观察它是否偏转。如果阴极射线发生了偏转，那么阴极射线就是在电场力或洛伦兹力的作用下偏转的，说明阴极射线的本质是带电粒子流。如果阴极射线没有发生偏转，表示阴极射线不带电，说明阴极射线的本质是电磁波。2.汤姆孙发现电子汤姆孙发现，如果不加电场和磁场阴极射线就会直接打到p1。如果只加电场，阴极射线就会发生偏转，落在p2。这是往正极方向偏，说明阴极射线带负电。即阴极射线的本质是带负电的粒子流。汤姆孙还求出了这种粒子的比荷。问题：怎么求这种粒子的比荷？在PP′两极间加入合适的电场，并逐步增大电压，使屏幕上的亮点逐渐向屏幕下方偏移，直到屏幕上恰好看不见亮点为止，记下此时外加电压U.偏转位移在上面的基础上，加上磁场，调整磁场大小是阴极射线刚好不偏转，此时带电微粒所受洛伦兹力与电场力相等qE=qvB结论：汤姆孙用不同的物质材料重复这个实验，他发现从不同材料中，都能发出阴极射线，而且他们都带负电，比荷也都相同。问题：这说明了什么？这说明这种微粒是构成各种物质的共有成分。至此，带电微粒说获胜。后来，组成阴极射线的粒子被称为电子。电子是比原子更基本的物质单元，是原子的组成部分。问题：电子的电量和质量究竟是多少呢？3.密立根测电子电量汤姆孙已经测定了电子的比荷，所以接下来只要测出电量质量，也就可以算出。问题：那单个电子的电量是如何测量的呢？美国物理学家密立根就他著名的油滴实验完成了这个测量。实验原理：两块平行板中有质量为m，带电量为q的油滴。油滴受到重力和电场力的作用，通过调节电压是油滴在电场中静止受力平衡。问题：m要如何测量呢？可以把平行板间电压撤掉，这样一来，油滴在重力作用下加速下落，而空气阻力f与油滴下落的速度v成正比，也会不断增加。直到油滴做匀速直线运动，此时的重力与阻力是平衡的mg=kv联立得油滴电量。其中比例系数k油滴与半径和空气的粘滞系数有关。由于当时使用的粘滞系数并不十分准确，这个结果与真实值略有偏差。现在测量的真实值是e=1.6022×10-19C密立根发现：电荷是量子化的，任何带电体的电荷只能是e的整倍。这就是咱们熟悉的元电荷e。有了电子的电量e，再结合汤姆森求出的电子比荷，就可以算出电子的质量me=9.1094×10-31kg它是质子质量的1/1836，所以电子真是非常微小的。4.电子的普遍性汤姆孙又进一步研究了许多新现象，如光电效应、热离子发射效应和β射线等。他发现，不论阴极射线、光电流、热离子流还是β射线，它们都包含电子。也就是说，不论是由于正离子的轰击、紫外光的照射、金属受热还是放射性物质的自发辐射，都能发射同样的带电微粒——电子。课堂练习例1.如图所示，在阴极射线管正上方平行放一通有强电流的长直导线，则阴极射线将（）A．向纸内偏转 B．向纸外偏转C．向下偏转 D．向上偏转解析：因为阴极射线是带负电的电子流，电子从负极端射出，由左手定则可判定阴极射线(电子)向上偏转。故D选项正确。思考与讨论通常情况下，物质是不带电的，因此，原子应该是电中性的。既然电子是带负电的，质量又很小，那么，原子中一定还有带正电的部分，它具有大部分的原子质量。请你设想一下，原子中带正电的部分以及带负电的电子可能是如何分布的?那原子的内部结构是什么样的呢？（二）原子的核式结构模型1.汤姆孙枣糕模型他认为：原子是一个实心球体。正电荷均匀地分布于整个球体内，电子则稀疏嵌在球体中，正负电荷电量相等，所以原子整体显电中性。枣糕模型的作用：能解释元素周期律，能解释阴极射线的现象，能估算出原子的大小。正是由于汤姆孙模型能够解释当时很多的实验事实，所以当时被许多物理学家所接受。模型被动摇：1903年，纳得在实验中发现，高速运动的电子很容易穿透金属箔，看起来原子内部是十分空虚的，并不像是实心球体，这个模型可能不正确。问题：物理学家提出了多种多样的原子结构模型，究竟哪一个正确呢？研究原子结构模型的方法：原子实在太小，无法直接观测。科学家用高速粒子轰击实验材料，或者让两种粒子高速对撞，从粒子内部打出碎片，甚至创出新粒子，从而寻得内部结构的蛛丝马迹。2.a粒子散射实验为了证实汤姆孙原子模型的正确性，1909年英国物理学家卢瑟福和他的学生盖革与马顺用a粒子轰击金箔，然而实验结果确成了否定汤姆孙原子模型的有力证据。这就是著名的a粒子散射实验。①实验材料的选择问题：那什么是a粒子呢？a射线是高速运动的氦原子核。质量是氢原子质量的四倍，电子质量的7300倍，带两个单位的正电荷。问题：为什么选择a粒子呢？首先是容易获得，从放射源中就能得到他。其次它质量大，速度快，就足够的能量可以接近原子中心。最后它可以使荧光物质发光，因此可以方便的捕捉它的轨迹。如果a粒子与其他粒子发生相互作用而改变运动方向，荧光屏就能够显示出它的方向变化。问题：为什么用金箔作为靶材呢？由于金的延展性很好，可以做的很薄，甚至只有1um厚。这样一来，就可以减少a粒子与氢原子核发生二次碰撞的可能性。此外，金原子的质量远比a粒子要大，两者之间发生了相互作用时，相互作用力对a粒子的运动影响较大，而对氢原子影响很小。选择材料的理由你都清楚了，这实验究竟是怎么做的呢？②实验原理和实验装置＊R是被铅块包围的a粒子源＊F是金箔：接收a粒子的轰击＊M是一个带有光屏S的放大镜，可以在水平而内转到不同的方向对散射的a粒子进行观察。注意：整个装置还要放在真空中，以防止a射射线电离空气影响实验结果。实验原理：当a粒子打到金箔时，由于金原子中的带电粒子对a粒子有库仑力的作用，发生了a粒子的散射。统计散射到各个方向的a粒子所占的比例，可以推知原子中电荷的分布情况。动图展示实验过程。实验装置，你清楚了，实验结果如何呢？思考与讨论a粒子射入金箔时难免与电子碰撞。试估计这种碰撞对a拉子速度影响的大小按照汤姆孙的原子模型，正电荷均匀分布在整个原子球体内。请分析：a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。分析：碰撞前后，质量大的a粒子速度几乎不变。只可能是电子的速度发生大的改变，因此不可能出现反弹现象，也不会有大角度散射。那实验结果到底是如何的呢？③实验结果＊绝大部分a粒子基本上仍按原来方向前进。＊少数a粒子粒子发生了大角度偏折＊极少数偏转角度超过90度，还有个别粒子，几乎是被180度反弹回来的。对于这一实验结果，卢瑟福后来回忆说，这是我一生中从未有的最难以置信的事儿。这就好像你朝一张卫生纸射出一发炮弹，炮弹却弹回来打中你一样。问题：粒子大角度散射甚至被弹回的原因是什么呢？3.对a粒子散射实验的解释①粒子出现大角度散射有没有可能是与电子碰撞后造成的？大角度的偏转不可能是电子造成的，因为它的质量只有a粒子的，它对a粒子速度的大小和方向的影响就像灰尘对枪弹的影响，完全可以忽略。因此粒子的偏转主要是由原子大部分质量的带正电部分造成的。②那有没有可能是由于穿过多层原子造成偏转角度增大呢？计算表明，由于每次的偏振方向都是随机的，最终发生大角度偏转的概率非常小，反弹的几率只有10-3500。但实验中反弹的几率有。③枣糕模型能否解释大角度偏转呢？不能。因为按照汤姆孙模型来分析，a粒子穿过原子时前进方向两侧的正电荷，对它的库仑力几乎相互抵消。因此无法让它偏转更多。所以更加坚定的认为，粒子的偏转主要是由原子大部分质量的带正电部分造成的。问题：那这个现象究竟应该怎么解释呢？④卢瑟福对a粒子发生大角度偏转的解释实验中发现少数的a粒子发生大角度的偏转，极少数的个别a粒子甚至被弹回。这个现象能表明什么呢？卢瑟福认为：粒子在原子中某个地方遇到了质量，电量均比他们本身大的多的物体，而这种遇上的概率又很小，也就是说原子中的质量和电荷不是均匀分布，而是集中在某个很小的范围内。这样才会使粒子在经过时受到很强的斥力，使其发生大角度偏转。⑤卢瑟福——核式结构模型卢瑟福提出的原子核式结构模型，认为：＊原子的几乎全部质量和全部正电荷都集中于一个很小的区域内，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绕着核旋转做圆周运动（动图展示）按照这个模型，当a粒子进入原子时，大部分离原子核比较远，受库仑力小，运动方向改变不大。只有极少数a粒子距离原子核很近，受到很强的库仑力，才会发生大角度散射，甚至被弹回。按照这个理论计算，在散射角方向上观察到的a粒子数，与实验数据符合得很好。这个解释对之后的近代物理研究有很大启发。例2.（多选）卢瑟福对α粒子散射实验的解释是（）A．使α粒子产生偏转的力主要是原子中电子对α粒子的作用力B．使α粒子产生偏转的力是库仑力C．原子核很小，α粒子接近它的机会很小，所以绝大多数的α粒子仍沿原来的方向前进D．能产生大角度偏转的α粒子是穿过原子时离原子核近的α粒子解析：原子核带正电与α粒子间存在库仑力，当α粒子靠近原子核时受库仑力而偏转，故B对，A错；由于原子核非常小，绝大多数粒子经过时离核较远因而运动方向几乎不变，只有离核很近的α粒子受到的库仑力较大，方向改变较多，故C、D对。（三）原子核的电荷与尺度1.电子数与原子序数由于原子是电中性的，原子核所带正电荷数等于电子数。科学家们注意到各种元素的原子核的电荷数，即原子内的电子数，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排列的。原子核所带正电荷数=核外电子数=该元素在周期表内的原子序数2.原子核的尺度实验中大部分a粒子在穿过数千曾经原则的厚度后，运动方向仍没有发生大的改变，正说明原子中的绝大部分是空的，原子核的半径是很难测量的，一般通过其他粒子与核的相互作用来确定。实验确定的核半径的数量级为10-l5m，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。课堂练习例3.（多选）关于原子的核式结构模型，下列说法正确的是（）A．原子中绝大部分是“空”的，原子核很小B．电子在核外绕核旋转的向心力是原子核对它的库仑力C．原子的全部电荷和质量都集中在原子核里D．原子核的直径的数量级是10－10m答案：AB解析：在卢瑟福α粒子散射实验中，α粒子穿过金箔后，绝大多数α粒子仍沿原来的方向前进，故A正确．少数α粒子发生大角度偏转，极少数α粒子偏转角度大于90°，极个别α粒子反弹回来，所以在B位置只能观察到少数的闪光，在C、D两位置能观察到的闪光次数极少，故B、D错误，C正确。〖板书设计〗《原子的结构》第1课时电子的发现1.汤姆孙发现电子2.密立根油滴实验测电子电量∶e=1.602×10-19C3.密立根发现电荷是量子化的，任何带电体的电荷只能是e的整倍4.电子的质量∶m.=9.109×10-31kg二、原子的核式结构模型1.卢瑟福通过α粒子散射实验提出核式结构模型2.在原子的中心有一个体积很小、带正电荷的核，叫做原子核3.原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里4.带负电的电子