《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根底上進行科學(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識是不斷擴大和加深的科學(xué)探

2、究永無止境; (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)：回憶歷史 ,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)都由極小的微粒原子組成

3、。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。科學(xué)的開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：假設(shè)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 ,有什么方法嗎? 問題2：如果你不想打碎它 ,但又想知道這里面有什么 ,有什么方法嗎? 問題3：在陌生的環(huán)境中 ,發(fā)現(xiàn)一個不認識的東西。為了了解它 ,有什么簡潔的方法? (黑箱法：指一個系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不清楚 ,或根

4、本無法弄清楚時 ,從外部輸入控制信息 ,使系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生反響后輸出信息 ,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：我們用什么方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 ,因而認為電子是原子的

5、組成局部。 湯姆遜被譽為：“一位最先翻開通向根本粒子物理學(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 19091911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 ,要認識原子的結(jié)構(gòu) ,需要用高速粒子對它進行轟擊。而粒

6、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)動圓盤幾局部組成。 (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

7、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 ,可以到達微米級的厚度 ,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 15o 30o 45o 60o 75o 105o 120o 150o 閃爍數(shù) 132

8、019 7800 1435 477 211 69 51 33 根據(jù)以上實驗數(shù)據(jù) ,用科學(xué)語言表述實驗結(jié)果： (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

9、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)大一局部互相抵消 ,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 ,說明這些粒子在原子

10、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)部絕大局部是“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)粒子被彈回說明：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

11、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)人們認識到原子核的組成 英國物理學(xué)家盧瑟福在1919年做核反響實驗時發(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.進一步研究說明 ,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)

12、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)量根本相同 ,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)子和電子是組成原子核的兩種根本粒子。 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)了核裂變和核的鏈式反響。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頁后答復(fù)：什么是同位素? (三)質(zhì)能方程

13、 閱讀課本49頁： (1)質(zhì)量虧損 科學(xué)家研究證明在核反響中原子核的總質(zhì)量并不相等 ,例如精確計算說明：氘核的質(zhì)量比一個中子和一個質(zhì)子的質(zhì)量之和要小一些 ,這種現(xiàn)象叫做質(zhì)量虧損 ,質(zhì)量虧損只有在核反響中才能明顯的表現(xiàn)出來。(回憶質(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)能方程說明：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

14、巨大 ,因而物體的能量是十分可觀的。 (3)核反響中由于質(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 ,測試反響 課本50頁“問題與練習(xí)1 ,2 ,3 ,4 5.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

15、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 ,如下圖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?指出：“高中物理課程應(yīng)促進學(xué)生自主學(xué)習(xí) ,