《原子与原子核的结构》教学设计

《原子与原子核的结构》教学设计

学时：2学时，第1学时完成原子的核式结构模型;第2学时完成原子核的组成和质能方程。

一、教材结构框图

二、教学目标设计

(一)知识与技能

1.了解卢瑟福a粒子散射实验，核式结构模型的建立，了解从分析实验结果到提出原子的核式结构学说的过程;

2.知道质子和中子的发现过程及原子核的组成;了解原子物理的研究方法是在实验的基础上进行科学分析;

3.了解原子核的表示方法，了解同位素;了解爱因斯坦质能方程的含义，感受它的科学之美。

(二)过程与方法

通过对原子结构的认识过程的学习，体会物理学解决“黑箱问题”的方法，并理解人类对微观世界的认识是不断扩大和加深的科学探究永无止境;

(三)情感态度与价值观

通过阅读史料，感受前辈科学家为探究真理而毕生奋斗的科学精神。

三、学习重点

卢瑟福的α粒子散射实验的现象及所说明的问题。

四、教学过程设计

第一环节：回顾历史，提出问题

(播放1964年我国第一颗原子弹爆炸成功的视频)

1945年7月16日，美国在新墨西哥州沙漠中阿拉莫戈多的“三一”试验场内30米高的铁塔上，进行了人类有史以来的第一次核试

验;1954年建在前苏联的卡卢加州奥布宁斯克城的世界首座核电

站;1964年我国第一颗原子弹爆炸成功。说明人类已经开始利用原子的核能。

1893年道尔顿(J. Dalton)提出了原子学说：一切物质都由极小的微粒──原子组成。不同的物质，含有不同的原子，不同原子的大小、质量和性质不同。随后被许多实验所证实，并且对许多现象给予了定量的解释。科学的发展证实了原子的存在。当原子学说逐渐被人们接受以后，人们又面临着新的问题：原子到底有多大?原子是如何构成的?内部结构如何?原子是最小的粒子吗……

(出示鸡蛋或者鸡蛋的图片)

问题1：假如你以前从未吃过鸡蛋，甚至没有见过鸡蛋，现在你想知道这东西里面究竟有什么，有什么办法吗?

问题2：如果你不想打碎它，但又想知道这里面有什么，有什么办法吗?

问题3：在陌生的环境中，发现一个不认识的东西。为了了解它，有什么简洁的办法?

(黑箱法：指一个系统内部结构不清楚，或根本无法弄清楚时，从外部输入控制信息，使系统内部发生反应后输出信息，再根据其输出信息来研究其功能和特性的一种方法。)

问题4：我们用什么办法去探究微观的原子世界?

很自然地引导学生归纳出科学家进行科学探索常用的思维方法：即观察物理现象──提出假设──构建理想化物理模型──实验验证。

第二环节：提出假设，科学验证

(一)原子的核式结构模型

(1)电子的发现──把人们带入了原子内部的世界

1897年，汤姆逊通过阴极射线管的实验发现了电子，并进一步测出了电子的荷质比：e/m。不久，人们发现在气体电离和过电效应等现象中，都可以从物质中击出电子。电子的质量比最轻的氢原子的质量小的多，因而认为电子是原子的组成部分。

汤姆逊被誉为：“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人。”

(2)提出假设──汤姆生原子模型

电子带负电，而原子是中性的，可见，原子内还有带正电的物质。由此，科学家提出了许多原子模型，最有影响力的是汤姆生提出的枣糕式模型。

(3)设计新的探究方案──α粒子散射实验

1909—1911年，卢瑟福为了验证他的导师汤姆生的“枣糕式模型”，建议他的研究生盖革和马斯顿观察镭发射出的高速α粒子穿过薄的金属箔片后的偏转情况。

1.α粒子散射实验原理：

汤姆生提出的枣糕式原子模型是否对呢?原子的结构非常紧密，用一般的方法是无法探测它的内部结构的，要认识原子的结构，需要用高

速粒子对它进行轰击。而ɑ粒子具有足够的能量，可以接近原子中心。它还可以使荧光屏物质发光。如果ɑ粒子与其他粒子发生相互作用，改变了运动方向，荧光屏就能够显示出它的方向变化。研究高速的ɑ粒子穿过原子的散射情况。是研究原子结构的有效手段。

(教师指出：研究原子内部结构要用到的方法：黑箱法、微观粒子碰撞方法。)

2.α粒子散射实验装置

ɑ粒子散射实验的装置，主要由放射源、金箔、荧光屏、望远镜和转动圆盘几部分组成。

(由于α粒子散射实验无法用真实的实验演示给学生看，所以利用动画向学生模拟实验的装置、过程和现象，使学生获得直观的切身体验，留下深刻的印象。通过多媒体重点指出，荧光屏和望远镜能够围绕金箔在一个圆周上运动，从而可以观察到穿透金箔后偏转角度不同的ɑ粒子。并且要让学生了解，这种观察是非常艰苦细致的工作，所用的时间也是相当长的。实验设计的巧妙之处：1.炮弹奇特，高速α粒子;电量是氢离子的2倍，质量是氢离子的四倍，是电子的7000倍，速度是光速的1/10，能量巨大。2.靶子极薄，金的延展性非常好，可以达到微米级的厚度，容易打穿。3.装置巧妙，显微镜和荧光屏可以在一个圆周上运动，统计在各个不同位置相同时间内接收到的粒子数就可以确定α粒子穿过金原子后的偏转情况。)

3.实验的观察结果

α粒子散射实验的数据

散射角

15o

30o

45o

60o

75o

105o

120o

150o

闪烁数

132019

7800

1435

477

211

69

51

33

根据以上实验数据，用科学语言表述实验结果：

(学生分组讨论交流)得到实验结果：绝大多数沿原来的方向前进，少数发生了较大偏转，极少数发生大角度偏转。

第三环节：分析讨论，得出结论

根据汤姆生原子模型分析：

问题1：α粒子出现大角度散射有没有可能是与电子碰撞后造成的? (引导学生讨论交流)碰撞前后，质量大的α粒子遇到电子，就像飞行的子弹遇到空气中的尘埃，因此不可能出现大角散射。

问题2：α粒子在原子附近或穿越原子内部后有没有可能发生大角度偏转?

(学生分组讨论交流得到结果)对于α粒子在原子附近时由于原子呈中性，与ɑ粒子之间没有或很小的库仑力的作用，正电荷在原子内部均匀的分布，α粒子穿过原子时，由于原子两侧正电荷将对它的斥力有相当大一部分互相抵消，使α粒子偏转的力不会很大，所以α粒子不可能发生大角度偏转。

问题3：这个实验结果和我们预想的结果有什么不同?汤姆生原子结构模型准确吗?

学生分组讨论交流得到结果：汤姆生原子结构模型无法解释ɑ粒子散射实验现象。

问题4：汤姆生原子模型中的正电荷和质量均匀分布在整个原子内预想的结果与实验现象不同，你认为原子中的正电荷和质量应如何分布，才有可能造成ɑ粒子的大角度偏转?

(学生小组讨论、小组间互相提问)解答：实验中发现极少数ɑ粒子发生了大角度偏转，甚至反弹回来，表明这些ɑ粒子在原子中某个地方受到了质量、电量均比它本身大得多的物体的作用，可见原子中的正电荷、质量应都集中在一个中心上。