高中物理人教版 (新课标)选修3选修3-5第十八章 原子结构2 原子的核式结构模型教学设计及反思

原子的核式结构

一、 教学任务分析

电子的发现、粒子散射实验、原子的核式结构模型的提出，这些都是人类探求物质微观结构的认识过程的起点，其中涉及到的实验、逻辑推理方法也都是人类认识自然规律的典型的科学方法。因此这些内容不仅是本章的核心内容，而且也为后面继续学习人类对微观世界认知过程打下重要的思维与方法的基础。

学习本节内容需要以库仑定律、带电粒子在电场磁场中的运动等电、磁场知识为基础。

从介绍汤姆孙的阴极射线实验入手，通过实验现象分析得到阴极射线是由电子组成的，揭示了原子是可分的。

介绍卢瑟福粒子散射实验，通过分析实验结果，对汤姆孙建立的“葡萄干蛋糕模型”提出质疑，在此基础上介绍卢瑟福提出的核式结构模型，。并运用该模型解释粒子散射实验结果。

在介绍卢瑟福粒子散射实验的实验设计思想时，使学生了解研究微观世界的一种重要有效的方法与手段是利用其他的高能粒子去碰撞原子，引起某些可能观察到的现象，从分析这些现象的过程中逐步探索认识原子的内部结构和规律。从而使学生理解人类是如何在实验的基础上认识原子结构；怎样在实验与理论的相互推动下，使认识不断发展不断深入的。

在介绍卢瑟福核式结构模型时，可通过比较该模型、汤姆孙的原子模型与实验结论的相互印证关系，使学生感受到物理模型是一种高度抽象的理想客体和形态；物理学的研究通常需通过提出假设、建立物理模型、实验验证等几个过程；物理学的发展过程，可以说就是一个不断建立物理模型和用新的物理模型代替旧的或不完善的物理模型的过程。这些认识都将提高学生的科学意识与科学品质。

二、教学目标 
1．知识与技能

（1）知道卢瑟福粒子散射实验。

（2）知道原子的核式结构模型。

（3）理解卢瑟福的原子核式结构学说对粒子散射实验的解释。

2．过程与方法

（1）通过分析卢瑟福粒子散射实验的结果，感受物理学的研究方法——提出假设、建立物理模型、实验验证等方法。

（2）通过了解人类探索认识原子结构的历史，认识人类通过收集、处理和分析微观现象所发出的各种信息，来认识不能直接感知的微观世界的认知手段与方法。

3．情感、态度与价值观

（1）通过了解人们对于物质微观结构的不断深化的认识过程，树立科学的物质观。

（2）通过对原子结构的认识过程的学习，感悟辩证唯物主义在物理学发展中的指导作用。

三、教学重点与难点

重点：卢瑟福粒子散射实验的结果及卢瑟福的原子核式结构学说的主要论点。

难点：对卢瑟福粒子散射实验装置、实验结果的理解。

四、教学资源

1、器材：阴极射线管、平行板电场、磁铁、电源等。

2、课件：阴极射线管结构图、汤姆孙的原子模型图、粒子散射实验装置图、粒子分别穿越汤姆孙原子模型与卢瑟福核式结构模型的动态模拟、卢瑟福核式结构模型的示意图。

3、录像：当时科学家提出的各类原子结构模型介绍、卢瑟福建立原子的核式结构模型的背景介绍。

五、教学设计思路

本设计的内容包括三个方面：一是电子的发现揭示了原子是可以再分的，二是卢瑟福粒子散射实验介绍，三是根据实验结果卢瑟福建立了原子的核式结构模型。

本设计的基本思路是：从介绍汤姆孙的阴极射线实验入手，指出阴极射线是由电子组成的，从而打破了“原子不可分割”的旧观念。然后经过对卢瑟福粒子散射实验结果的分析探讨，否定了汤姆孙建立的“葡萄干蛋糕模型”，自然发展到有必要建立一种新的模型来符合实验结果，从而提出了卢瑟福的核式结构模型，表明了人类对微观世界认识的发展的必然性与科学性。

本设计要突出的重点是：卢瑟福粒子散射实验的结果及卢瑟福的原子核式结构学说的主要论点。方法是：在介绍粒子散射实验时先充分介绍实验的背景、实验装置、实验过程，使学生对实验先产生较全面的了解，再通过图片、动画演示实验的结果及核式结构模型，使学生对这些微观、抽象的知识具有具象的认识。然后通过学生讨论将两者进行联系，进一步加深对该知识的理解与记忆。

本设计要突破的难点是：对卢瑟福粒子散射实验装置、实验结果的理解。方法是：首先充分利用课件和媒体将实验过程、实验结果清晰地展示给学生。由于该实验设计思想及实验结果具有非常严密的逻辑性，解释该实验结果需要运动学、电磁学的综合知识，因此教学过程中通过三次学生活动逐步引导学生体会理解如何通过分析宏观的实验现象去推测微观世界，三次活动的难度逐步提高，为最后学生准确理解实验结果做好充分的准备铺垫。本节课学生第一次接触到微观世界的研究方法，缺少感性认识和课堂演示实验，可鼓励引导学生充分调动想象力与已学过的知识，综合运用，解决问题。

本设计强调以人类对于物质微观结构的不断深化的认识过程为知识主线，在教师的方法引导下，学生通过有目的、层次渐进的自主思维活动逐步感受理解人类研究微观世界的一般研究方法。通过丰富的历史背景介绍激发学生的求知欲望；利用清晰准确的课件帮助学生较好地理解抽象的知识；通过学生根据实验结论的讨论，在否定汤姆孙的原子模型的基础上自然引出卢瑟福的核式结构模型，切实感受到物理学的提出假设、建立物理模型、实验验证等研究方法的运用及科学家尊重实验结论的科学品质。

完成本设计的内容约需1课时。

六、教学流程：

1、教学流程图

2．流程图说明

情景  演示实验：阴极射线在电场与磁场中发生偏转。

通过观察实验现象，引导学生根据已学的电场、磁场知识分析得到这是一种带电粒子流，再根据粒子流在电场中的偏转方向进一步分析得出该种粒子带负电。

活动Ⅰ  根据这些推测学生自主设计一种原子模型。

自行设计原子模型时，要求学生利用已知的事实运用所学过的电磁知识尽量合理安排原子的各部分在原子内的结构，并通过设计结果的交流展示来激发学生的探究兴趣。这样在设计活动后再介绍汤姆孙的原子模型会引起学生充分的兴趣和感受，还可简单介绍同时期的其他科学家提出的原子模型。

活动Ⅱ  学生讨论1

实验结果能否用汤姆孙的原子模型解释？

根据所学的电场、磁场知识学生还不能完全解释汤姆孙的原子模型与实验的不相符合处。需事先提供给学生较多的数据，如：原子的尺寸大小、电子与原子的质量比、粒子质量与电子质量比等。若学生已在拓展教材中学过动量知识，这部分讨论可以更加深入。这个讨论环节是帮助学生理解卢瑟福的原子核式结构模型对实验结论的解释的一个重要铺垫与知识准备。

活动Ⅲ  学生讨论2

如何用原子的核式结构模型解释粒子散射实验中粒子发生的大角度偏转。

在讨论1的基础上，学生根据模型对实验结论的解释，对核式结构模型进行更深入的理解。并在这一讨论过程中感受科学家们认真细致地对待尊重实验结果的科学品质。

通过两次讨论可使学生初步了解研究微观世界的一种重要有效的方法与手段是通过收集、处理和分析微观现象所发出的各种信息，来认识不能直接感知的微观世界。

3、教学主要环节  本设计可分为三个主要的教学环节：

第一环节，通过演示汤姆孙的阴极射线实验，介绍电子的发现过程，指出原子是可分的。

第二环节，通过介绍、分析卢瑟福粒子散射实验结果，否定了汤姆孙的“葡萄干蛋糕模型”。

第三环节，介绍卢瑟福提出的原子核式结构模型，并运用该模型解释粒子散射实验结果。

七、教案示例

（一）引入。

公元前5世纪，希腊哲学家提出物质是由不可分的微粒组成的。一百多年前，人们从化学实验中知道，物质由分子组成，分子由原子组成。而在化学反应中原子的种类和数目不变，使人们一直认为原子是组成物质的最小微粒，是不能再分的。

（二）电子的发现和汤姆孙原子模型

1、第一个打开原子大门的是汤姆孙，他根据实验提出了原子是可分的。

演示实验：阴极射线在电场与磁场中发生偏转。

根据阴极射线偏转的方向，可以判断出这种射线是一种带负电的粒子流。汤姆孙利用这种带电粒子在电场和磁场中的偏转程度，通过精确的实验测定了这种阴极射线粒子的电量和质量，发现不同物质发出的阴极射线的电荷与电量的比都有相同的值。表明这种带电粒子是一切不同元素的原子的共同组成部分。人们称它为电子。

电子是构成所有物质的普适成分，它的发现说明了原子是可以再分的，因而对原子的组成的了解起着极为重要的作用。是人类对物质结构认识上的一次飞跃，开创了探索原子内部构造和物质微观结构的新时代。汤姆孙也由于发现了电子，不仅荣获了1906年诺贝尔物理奖，而且被后人誉为“最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。

2、既然电子是原子的组成部分，而原子又是中性的，说明原子内必定还存在着带正电的组成成分；由电子的质量与原子相比很小又可推测原子的质量绝大部分集中在内带正电的部分。

学生活动：根据这些推测来设计一种原子模型。

根据这些推测科学家们提出了很多种原子模型，其中最有影响的是1903年汤姆孙提出“葡萄干蛋糕模型”。

图片展示：汤姆孙的原子模型。

汤姆孙认为原子是中性的，由质量很小的电子（如葡萄干）镶嵌在集中了原子的几乎全部质量的正电荷（如蛋糕）中构成，电子是不动的。

（三）卢瑟福粒子散射实验

汤姆孙的原子模型不仅能解释原子为什么是电中性的，电子在原子里是怎样分布的，还能解释阴极射线等现象。根据这个模型还能估算出原子的大小约10-8厘米，正由于汤姆逊模型能解释当时很多的实验事实，所以很容易被许多物理学家所接受。

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，他的学生卢瑟福想用实验的方法来加以论证。由于原子是微小的，无法直接观察它的内部结构，卢瑟福发现研究原子的有效办法是利用高能粒子去碰撞原子，引起某些可能观察到的现象，从分析这些现象的过程中逐步探索认识原子的内部结构和规律。在这样的思想方法的指导下，1909-1911年卢瑟福和他的助手盖革，学生马斯登等做了用粒子轰击金箔的实验，也就是著名的粒子散射实验。

1、     实验装置

图片展示：粒子散射实验装置图。

放射源：钋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）。

显微镜：能够围绕金箔在水平面内转动。

荧光屏：玻璃片上涂有荧光物质硫化锌，装在显微镜上。

粒子：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7000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，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。

2、实验过程

（1）钋放出的粒子从铅盒小孔射出，形成很细的一束射线，射到荧光屏上产生闪光，通过显微镜观察。

（2）放上金箔，观察粒子穿过金箔打到荧光屏上发出的闪光。

（3）转动显微镜和荧光屏，在不同偏转角θ处观察，可看到α粒子的散射现象。

3、实验结论

动画视频演示：粒子散射实验的实验现象。

（1）绝大多数的粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进；

（2）少数粒子发生了较大的偏转；

（3）极少数粒子（约有1/8000）的偏转角超过90°，甚至有个别粒子（约占总数的1/20000）被反弹回来。

4、实验结论讨论

学生讨论：实验结果能否用汤姆孙的原子模型解释？

动画演示：若汤姆孙的模型正确，粒子穿过后可能会出现的实验现象。

通过简单分析可以发现若汤姆孙的原子模型正确，粒子穿过原子后应该只会出现小角度散射，不可能出现“极少数粒子被反弹”这样的现象。

汤姆生原子模型不能解释粒子的散射实验结果中的大角度散射现象，因而被否定。

（四）原子的核式结构模型

1、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。

2、原子的核式结构模型对粒子散射实验的解释

学生讨论：如何用原子的核式结构模型解释粒子散射实验中粒子发生的大角度偏转。

由于粒子的质量大约是电子质量的8000倍，所以粒子在与电子作用时，几乎不会改变方向，只有在粒子十分接近原子核时，才受到很大的斥力而发生大角度偏转。由于原子核很小，原子内很空旷，粒子接近原子核的机会非常少，所以有上述实验结果。

3、原子核大小的估计

粒子散射的实验的数据，可以估计原子核的半径约为10-14m，不同元素原子核的半径略有不同。原子半径约为10-10m，原子核半径只相当于原子半径的万分之一。如果把原子比作100m半径的大球，原子核就相当于半径1cm的小石子。

4、对原子核式结构模型的理解

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。在这个“太阳系”中，支配它们之间的作用力是电磁相互作用力。因而这个模型又被称为“行星模型”。

5、原子光谱

图片展示：观察各种原子的光谱

卢瑟福在原子的核式结构学说中认为：带负电的电子在核外空间里绕着核旋转，但这仍只是一种猜想，缺少实验的依据，而且无法解释原子发光问题。对此，他的学生玻尔对此又作了深入的研究，提出了新的模型，并用该模型解释了这一问题，有兴趣的同学可以在课外查找资料进一步了解人类对原子结构模型认识的发展。

（五）归纳小结、布置作业。