《原子與原子核的結(jié)構(gòu)》教學(xué)設(shè)計

1、原子與原子核的結(jié)構(gòu)教學(xué)設(shè)計學(xué)時： 2 學(xué)時，第1 學(xué)時完成原子的核式結(jié)構(gòu)模型; 第 2學(xué)時完成原子核的組成和質(zhì)能方程。一、教材結(jié)構(gòu)框圖二、教學(xué)目標(biāo)設(shè)計（ 一 ）知識與技能1. 了解盧瑟福a粒子散射實驗，核式結(jié)構(gòu)模型的建立，了解從分析實驗結(jié)果到提出原子的核式結(jié)構(gòu)學(xué)說的過程;2. 知道質(zhì)子和中子的發(fā)現(xiàn)過程及原子核的組成; 了解原子物理的研究方法是在實驗的基礎(chǔ)上進行科學(xué)分析;3. 了解原子核的表示方法，了解同位素; 了解愛因斯坦質(zhì)能方程的含義，感受它的科學(xué)之美。（ 二 ）過程與方法通過對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識過程的學(xué)習(xí)，體會物理學(xué)解決“黑箱問題”的方法，并理解人類對微觀世界的認(rèn)識是不斷擴大和加深的科學(xué)探究永

2、無止境;（ 三 ）情感態(tài)度與價值觀通過閱讀史料，感受前輩科學(xué)家為探究真理而畢生奮斗的科學(xué)精神。三、學(xué)習(xí)重點盧瑟福的 粒子散射實驗的現(xiàn)象及所說明的問題。四、教學(xué)過程設(shè)計第一環(huán)節(jié)：回顧歷史，提出問題（ 播放 1964 年我國第一顆原子彈爆炸成功的視頻）1945 年 7 月 16 日， 美國在新墨西哥州沙漠中阿拉莫戈多的“三一”試驗場內(nèi) 30 米高的鐵塔上，進行了人類有史以來的第一次核試驗;1954 年建在前蘇聯(lián)的卡盧加州奧布寧斯克城的世界首座核電站;1964 年我國第一顆原子彈爆炸成功。說明人類已經(jīng)開始利用原子的核能。1893 年道爾頓（J. Dalton） 提出了原子學(xué)說：一切物質(zhì)都由極小的微粒

3、原子組成。不同的物質(zhì)，含有不同的原子，不同原子的大小、質(zhì)量和性質(zhì)不同。隨后被許多實驗所證實，并且對許多現(xiàn)象給予了定量的解釋?？茖W(xué)的發(fā)展證實了原子的存在。當(dāng)原子學(xué)說逐漸被人們接受以后，人們又面臨著新的問題：原子到底有多大?原子是如何構(gòu)成的?內(nèi)部結(jié)構(gòu)如何?原子是最小的粒子嗎（ 出示雞蛋或者雞蛋的圖片）問題1：假如你以前從未吃過雞蛋，甚至沒有見過雞蛋，現(xiàn)在你想知道這東西里面究竟有什么，有什么辦法嗎?問題2：如果你不想打碎它，但又想知道這里面有什么，有什么辦法嗎?問題3：在陌生的環(huán)境中，發(fā)現(xiàn)一個不認(rèn)識的東西。為了了解它，有什么簡潔的辦法?（ 黑箱法：指一個系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不清楚，或根本無法弄清楚時， 從外

4、部輸入控制信息，使系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)后輸出信息，再根據(jù)其輸出信息來研究其功能和特性的一種方法。)問題 4：我們用什么辦法去探究微觀的原子世界?很自然地引導(dǎo)學(xué)生歸納出科學(xué)家進行科學(xué)探索常用的思維方法：即觀察物理現(xiàn)象提出假設(shè)構(gòu)建理想化物理模型實驗驗證。第二環(huán)節(jié)：提出假設(shè)，科學(xué)驗證( 一 )原子的核式結(jié)構(gòu)模型(1) 電子的發(fā)現(xiàn)把人們帶入了原子內(nèi)部的世界1897 年，湯姆遜通過陰極射線管的實驗發(fā)現(xiàn)了電子，并進一步測出了電子的荷質(zhì)比：e/m。不久，人們發(fā)現(xiàn)在氣體電離和過電效應(yīng)等現(xiàn)象中，都可以從物質(zhì)中擊出電子。電子的質(zhì)量比最輕的氫原子的質(zhì)量小的多，因而認(rèn)為電子是原子的組成部分。湯姆遜被譽為：“一位最先打開通

5、向基本粒子物理學(xué)大門的偉人?！?2) 提出假設(shè)湯姆生原子模型電子帶負(fù)電，而原子是中性的，可見，原子內(nèi)還有帶正電的物質(zhì)。由此，科學(xué)家提出了許多原子模型，最有影響力的是湯姆生提出的棗糕式模型。(3) 設(shè)計新的探究方案 粒子散射實驗1909 1911 年，盧瑟福為了驗證他的導(dǎo)師湯姆生的“棗糕式模型”，建議他的研究生蓋革和馬斯頓觀察鐳發(fā)射出的高速 粒子穿過薄的金屬箔片后的偏轉(zhuǎn)情況。1. 粒子散射實驗原理：湯姆生提出的棗糕式原子模型是否對呢?原子的結(jié)構(gòu)非常緊密，用一般的方法是無法探測它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的，要認(rèn)識原子的結(jié)構(gòu)，需要用高速粒子對它進行轟擊。而 粒子具有足夠的能量，可以接近原子中心。它還可以使熒光屏物

6、質(zhì)發(fā)光。如果 粒子與其他粒子發(fā)生相互作用，改變了運動方向，熒光屏就能夠顯示出它的方向變化。研究高速的 粒子穿過原子的散射情況。是研究原子結(jié)構(gòu)的有效手段。（ 教師指出：研究原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)要用到的方法：黑箱法、微觀粒子碰撞方法。）2. 粒子散射實驗裝置 粒子散射實驗的裝置，主要由放射源、金箔、熒光屏、望遠鏡和轉(zhuǎn)動圓盤幾部分組成。（ 由于 粒子散射實驗無法用真實的實驗演示給學(xué)生看，所以利用動畫向?qū)W生模擬實驗的裝置、過程和現(xiàn)象，使學(xué)生獲得直觀的切身體驗，留下深刻的印象。通過多媒體重點指出，熒光屏和望遠鏡能夠圍繞金箔在一個圓周上運動，從而可以觀察到穿透金箔后偏轉(zhuǎn)角度不同的 粒子。并且要讓學(xué)生了解，這種觀察

7、是非常艱苦細致的工作，所用的時間也是相當(dāng)長的。實驗設(shè)計的巧妙之處：1. 炮彈奇特，高速 粒子 ; 電量是氫離子的2 倍，質(zhì)量是氫離子的四倍，是電子的7000 倍，速度是光速的1/10 ，能量巨大。2. 靶子極薄，金的延展性非常好，可以達到微米級的厚度，容易打穿。3. 裝置巧妙，顯微鏡和熒光屏可以在一個圓周上運動，統(tǒng)計在各個不同位置相同時間內(nèi)接收到的粒子數(shù)就可以確定 粒子穿過金原子后的偏轉(zhuǎn)情況。)3. 實驗的觀察結(jié)果 粒子散射實驗的數(shù)據(jù)散射角15o30o45o60o75o105o120o150o閃爍數(shù)13201978001435 477211695133根據(jù)以上實驗數(shù)據(jù)，用科學(xué)語言表述實驗結(jié)果：

8、（ 學(xué)生分組討論交流） 得到實驗結(jié)果：絕大多數(shù)沿原來的方向前進，少數(shù)發(fā)生了較大偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。第三環(huán)節(jié)：分析討論，得出結(jié)論根據(jù)湯姆生原子模型分析：問題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?（ 引導(dǎo)學(xué)生討論交流） 碰撞前后，質(zhì)量大的 粒子遇到電子，就像飛行的子彈遇到空氣中的塵埃，因此不可能出現(xiàn)大角散射。問題2：粒子在原子附近或穿越原子內(nèi)部后有沒有可能發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)?（ 學(xué)生分組討論交流得到結(jié)果） 對于 粒子在原子附近時由于原子呈中性，與 粒子之間沒有或很小的庫侖力的作用，正電荷在原子內(nèi)部均勻的分布， 粒子穿過原子時，由于原子兩側(cè)正電荷將對它的斥力有相當(dāng)大一部分互相抵消

9、，使 粒子偏轉(zhuǎn)的力不會很大，所以 粒子不可能發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。問題3：這個實驗結(jié)果和我們預(yù)想的結(jié)果有什么不同?湯姆生原子結(jié)構(gòu)模型準(zhǔn)確嗎?學(xué)生分組討論交流得到結(jié)果：湯姆生原子結(jié)構(gòu)模型無法解釋 粒子散射實驗現(xiàn)象。問題4： 湯姆生原子模型中的正電荷和質(zhì)量均勻分布在整個原子內(nèi)預(yù)想的結(jié)果與實驗現(xiàn)象不同，你認(rèn)為原子中的正電荷和質(zhì)量應(yīng)如何分布，才有可能造成 粒子的大角度偏轉(zhuǎn)?（ 學(xué)生小組討論、小組間互相提問） 解答：實驗中發(fā)現(xiàn)極少數(shù) 粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，甚至反彈回來，表明這些粒子在原子中某個地方受到了質(zhì)量、電量均比它本身大得多的物體的作用，可見原子中的正電荷、質(zhì)量應(yīng)都集中在一個中心上。（ 師生互動，學(xué)生小組

10、討論，學(xué)生分析推理） 得到：1. 絕大多數(shù) 粒子不偏移原子內(nèi)部絕大部分是“空”的。2. 少數(shù) 粒子發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)原子內(nèi)部有“核”存在。3. 極少數(shù) 粒子被彈回表明：作用力很大; 質(zhì)量很大電量集中。（ 盧瑟福的原子結(jié)構(gòu)模型圖片）在原子的中心有一個很小的核，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里繞著核旋轉(zhuǎn)。根據(jù)盧瑟福的原子核式模型和 粒子散射的實驗數(shù)據(jù)，可以推算出各種元素原子核的電荷數(shù)，還可以估計出原子核的大小。原子的半徑約為10-10 米、原子核半徑約是10-14 米，原子核的體積只占原子的體積的萬億分之一。原子核所帶正電荷數(shù)與核外電子數(shù)以及該元素在周

11、期表內(nèi)的原子序數(shù)相等。電子繞核旋轉(zhuǎn)所需向心力就是核對它的庫侖力。盧瑟福的原子核式模型，能解釋 粒子散射實驗，卻與經(jīng)典的電磁理論發(fā)生了矛盾。（ 二 ）原子核的組成閱讀：質(zhì)子和中子的發(fā)現(xiàn)人們認(rèn)識到原子核的組成英國物理學(xué)家盧瑟福在1919 年做核反應(yīng)實驗時發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子，經(jīng)過研究證明，質(zhì)子帶正電荷，其電量和一個電子的電量相同，它的質(zhì)量等于一個電子質(zhì)量的1836 倍 . 進一步研究表明，質(zhì)子的性質(zhì)和氫原子核的性質(zhì)完全相同，所以質(zhì)子就是氫原子核。 1932 年英國物理學(xué)家查德威克又發(fā)現(xiàn)了中子，通過研究證明中子的質(zhì)量和質(zhì)子的質(zhì)量基本相同，但是不帶電. 是中性粒子 . 在對各種原子核進行的實驗中，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和電子

12、是組成原子核的兩種基本粒子。中子的發(fā)現(xiàn)是世界科學(xué)史上又一個里程碑，它使人類從此跨進了原子能時代。因為中子的發(fā)現(xiàn)解決了理論物理學(xué)家在原子核的質(zhì)子、電子模型上碰到的難題，人們認(rèn)識到原子核原來是由質(zhì)子和中子組成的，而不是由質(zhì)子和電子組成的。意大利的著名科學(xué)家費米后來用中子作核炮彈依次來襲擊各種元素的原子核，于是由此發(fā)現(xiàn)了核裂變和核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。查德威克由于發(fā)現(xiàn)了中子，被授予 1935 年的諾貝爾物理獎。閱讀課本48 頁后回答：什么是同位素?( 三 )質(zhì)能方程閱讀課本49 頁：(1) 質(zhì)量虧損科學(xué)家研究證明在核反應(yīng)中原子核的總質(zhì)量并不相等，例如精確計算表明：氘核的質(zhì)量比一個中子和一個質(zhì)子的質(zhì)量之和要小一

13、些，這種現(xiàn)象叫做質(zhì)量虧損，質(zhì)量虧損只有在核反應(yīng)中才能明顯的表現(xiàn)出來。( 回顧質(zhì)量、能量的定義、單位。明確質(zhì)量不是能量、能量也不是質(zhì)量，質(zhì)量不能轉(zhuǎn)化能量，能量也不能轉(zhuǎn)化質(zhì)量，質(zhì)量只是物體具有能量多少及能量轉(zhuǎn)變多少的一種量度)(2) 愛因斯坦質(zhì)能方程：E=mc2相對論指出，物體的能量(E) 和質(zhì)量(m)之間存在著密切的關(guān)系，即E=mc2式中，c 為真空中的光速。愛因斯坦質(zhì)能方程表明：物體所具有的能量跟它的質(zhì)量成正比。由于c2 這個數(shù)值十分巨大，因而物體的能量是十分可觀的。(3) 核反應(yīng)中由于質(zhì)量虧損而釋放的能量：E= m c2物體貯藏著巨大的能量是不容置疑的，但是如何使這樣巨大的能量釋放出來?從愛

14、因斯坦質(zhì)能方程同樣可以得出，物體的能量變化E與物體的質(zhì)量變化m的關(guān)系：E= mc2第四環(huán)節(jié)：小結(jié)交流，測試反饋課本 50 頁“問題與練習(xí)”1，2， 3， 45. 盧瑟福提出原子的核式結(jié)構(gòu)學(xué)說的根據(jù)是，在用 粒子轟擊金箔的實驗中發(fā)現(xiàn) 粒子 ( )A. 全部穿過或發(fā)生很小的偏轉(zhuǎn);B. 絕大多數(shù)穿過，只有少數(shù)發(fā)生很大偏轉(zhuǎn)，甚至極少數(shù)被彈回 ;C. 絕大多數(shù)發(fā)生很大的偏轉(zhuǎn)，甚至被彈回，只有少數(shù)穿過;D. 全部發(fā)生很大的偏轉(zhuǎn)。6. 在用 粒子轟擊金箔的實驗中，盧瑟福觀察到的 粒子的運動情況是( )A. 全部 粒子穿過金屬箔后仍按原來的方向前進B. 絕大多數(shù) 粒子穿過金屬箔后仍按原來的方向前進，少數(shù)發(fā)生較

15、大偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)甚至被彈回C. 少數(shù) 粒子穿過金屬箔后仍按原來的方向前進，絕大多數(shù)發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，甚至被彈回D. 全部 粒子都發(fā)生很大偏轉(zhuǎn)7. 原子的核式結(jié)構(gòu)學(xué)說，是盧瑟福根據(jù)以下哪個實驗或現(xiàn)象提出來的( )A. 光電效應(yīng)實驗B. 氫原子光譜實驗C. 粒子散射實驗D.天然放射現(xiàn)象8. 盧瑟福 粒子散射實驗的結(jié)果( )A. 證明了質(zhì)子的存在B. 證明了原子核是由質(zhì)子和中子組成的C. 說明原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在一個很小的核上D. 說明原子的電子只能在某些不連續(xù)的軌道上運動9. 當(dāng) 粒子被重核散射時，如圖所示的運動軌跡哪些是不可能存在的( )10. 質(zhì)子的質(zhì)量mp， 中子的質(zhì)量為mn， 它們結(jié)合成質(zhì)量為m的氘核，放出的能量應(yīng)為( )A.(mp+mn-m)C2B.(mp+mn)c2C.mc2D.(m-mp)c2五、結(jié)束語普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)指出：“高中物理課程應(yīng)促進學(xué)生自