《原子與原子核的結(jié)構(gòu)》教學(xué)設(shè)計(jì)

1、?原子與原子核的結(jié)構(gòu)?教學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)時(shí)：2學(xué)時(shí) ,第1學(xué)時(shí)完成原子的核式結(jié)構(gòu)模型;第2學(xué)時(shí)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(jì) (一)知識(shí)與技能 1.了解盧瑟福a粒子散射實(shí)驗(yàn) ,核式結(jié)構(gòu)模型的建立 ,了解從分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果到提出原子的核式結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)的過(guò)程; 2.知道質(zhì)子和中子的發(fā)現(xiàn)過(guò)程及原子核的組成;了解原子物理的研究方法是在實(shí)驗(yàn)的根底上進(jìn)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(ài)因斯坦質(zhì)能方程的含義 ,感受它的科學(xué)之美。 (二)過(guò)程與方法 通過(guò)對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)過(guò)程的學(xué)習(xí) ,體會(huì)物理學(xué)解決“黑箱問(wèn)題的方法 ,并理解人類對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)是不斷擴(kuò)大和加深的科學(xué)探

2、究永無(wú)止境; (三)情感態(tài)度與價(jià)值觀 通過(guò)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(diǎn) 盧瑟福的粒子散射實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象及所說(shuō)明的問(wèn)題。 四、教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì) 第一環(huán)節(jié)：回憶歷史 ,提出問(wèn)題 (播放1964年我國(guó)第一顆原子彈爆炸成功的視頻) 1945年7月16日 ,美國(guó)在新墨西哥州沙漠中阿拉莫戈多的“三一試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)30米高的鐵塔上 ,進(jìn)行了人類有史以來(lái)的第一次核試驗(yàn);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(guó)第一顆原子彈爆炸成功。說(shuō)明人類已經(jīng)開(kāi)始利用原子的核能。 1893年道爾頓(J. Dalton)提出了原子學(xué)說(shuō)：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(shí)驗(yàn)所證實(shí) ,并且對(duì)許多現(xiàn)象給予了定量的解釋?？茖W(xué)的開(kāi)展證實(shí)了原子的存在。當(dāng)原子學(xué)說(shuō)逐漸被人們接受以后 ,人們又面臨著新的問(wèn)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(wèn)題1：假設(shè)你以前從未吃過(guò)雞蛋 ,甚至沒(méi)有見(jiàn)過(guò)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(wèn)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(wèn)題3：在陌生的環(huán)境中 ,發(fā)現(xiàn)一個(gè)不認(rèn)識(shí)的東西。為了了解它 ,有什么簡(jiǎn)潔的方法? (黑箱法：指一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不清楚 ,或根

4、本無(wú)法弄清楚時(shí) ,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(lái)研究其功能和特性的一種方法。) 問(wèn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 第二環(huán)節(jié)：提出假設(shè) ,科學(xué)驗(yàn)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(guò)陰極射線管的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電子 ,并進(jìn)一步測(cè)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(guò)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

5、組成局部。 湯姆遜被譽(yù)為：“一位最先翻開(kāi)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(fù)電 ,而原子是中性的 ,可見(jiàn) ,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(jì)新的探究方案粒子散射實(shí)驗(yàn) 19091911年 ,盧瑟福為了驗(yàn)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(guò)薄的金屬箔片后的偏轉(zhuǎn)情況。 1.粒子散射實(shí)驗(yàn)原理： 湯姆生提出的棗糕式原子模型是否對(duì)呢?原子的結(jié)構(gòu)非常緊密 ,用一般的方法是無(wú)法探測(cè)它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的 ,要認(rèn)識(shí)原子的結(jié)構(gòu) ,需要用高速粒子對(duì)它進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(guò)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(shí)驗(yàn)裝置 粒子散射實(shí)驗(yàn)的裝置 ,主要由放射源、金箔、熒光屏、望遠(yuǎn)鏡和轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤幾局部組成。 (由于粒子散射實(shí)驗(yàn)無(wú)法用真實(shí)的實(shí)驗(yàn)演示給學(xué)生看 ,所以利用動(dòng)畫向?qū)W生模擬實(shí)驗(yàn)的裝置、過(guò)程和現(xiàn)象 ,使學(xué)生獲得直觀的切身體驗(yàn) ,留下深刻的印象。通過(guò)多媒體重點(diǎn)指出 ,熒光屏和望遠(yuǎn)鏡能夠圍繞金箔在一個(gè)圓周上運(yùn)動(dòng) ,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(xì)致的工作 ,所用的時(shí)間也是相當(dāng)長(zhǎng)的。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(dá)微米級(jí)的厚度 ,容易打穿。3.裝置巧妙 ,顯微鏡和熒光屏可以在一個(gè)圓周上運(yùn)動(dòng) ,統(tǒng)計(jì)在各個(gè)不同位置相同時(shí)間內(nèi)接收到的粒子數(shù)就可以確定粒子穿過(guò)金原子后的偏轉(zhuǎn)情況。) 3.實(shí)驗(yàn)的觀察結(jié)果 粒子散射實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) ,用科學(xué)語(yǔ)言表述實(shí)驗(yàn)結(jié)果： (學(xué)生分組討論交流)得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果：絕大多數(shù)沿原來(lái)的方向前進(jìn) ,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(wèn)題1：粒子出現(xiàn)大角度散射有沒(méi)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(wèn)題2：粒子在原子附近或穿越原子內(nèi)部后有沒(méi)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(duì)于粒子在原子附近時(shí)由于原子呈中性 ,與粒子之間沒(méi)有或很

9、小的庫(kù)侖力的作用 ,正電荷在原子內(nèi)部均勻的分布 ,粒子穿過(guò)原子時(shí) ,由于原子兩側(cè)正電荷將對(duì)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(huì)很大 ,所以粒子不可能發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。 問(wèn)題3：這個(gè)實(shí)驗(yàn)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(wú)法解釋粒子散射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。 問(wèn)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(gè)原子內(nèi)預(yù)想的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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(wèn))解答：實(shí)驗(yàn)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(lái) ,說(shuō)明這些粒子在原子

10、中某個(gè)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(jiàn)原子中的正電荷、質(zhì)量應(yīng)都集中在一個(gè)中心上。 (師生互動(dòng) ,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(shuō)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(jì)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(wàn)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(duì)它的庫(kù)侖力。 盧瑟福的原子核式模型 ,能解釋粒子散射實(shí)驗(yàn) ,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(shí)到原子核的組成 英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福在1919年做核反響實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子 ,經(jīng)過(guò)研究證明 ,質(zhì)子帶正電荷 ,其電量和一個(gè)電子的電量相同 ,它的質(zhì)量等于一個(gè)電子質(zhì)量的1836倍.進(jìn)一步研究說(shuō)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(guó)物理學(xué)

12、家查德威克又發(fā)現(xiàn)了中子 ,通過(guò)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(duì)各種原子核進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)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(gè)里程碑 ,它使人類從此跨進(jìn)了原子能時(shí)代。因?yàn)橹凶拥陌l(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(shí)到原子核原來(lái)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(fèi)米后來(lái)用中子作核炮彈依次來(lái)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)椒错?。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(jiǎng)。 閱讀課本48頁(yè)后答復(fù)：什么是同位素? (三)質(zhì)能方程

13、 閱讀課本49頁(yè)： (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(jì)算說(shuō)明：氘核的質(zhì)量比一個(gè)中子和一個(gè)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(lái)。(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(ài)因斯坦質(zhì)能方程： E=mc2 相對(duì)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(ài)因斯坦質(zhì)能方程說(shuō)明：物體所具有的能量跟它的質(zhì)量成正比。由于c2這個(gè)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(lái)?從愛(ài)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(cè)試反響 課本50頁(yè)“問(wèn)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(shuō)的根據(jù)是 ,在用粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)粒子( ) A.全部穿過(guò)或發(fā)生很小的偏轉(zhuǎn); B.絕大多數(shù)穿過(guò) ,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(guò); D.全部發(fā)生很大的偏轉(zhuǎn)。 6.在用

15、粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn)中 ,盧瑟福觀察到的粒子的運(yùn)動(dòng)情況是( ) A.全部粒子穿過(guò)金屬箔后仍按原來(lái)的方向前進(jìn) B.絕大多數(shù)粒子穿過(guò)金屬箔后仍按原來(lái)的方向前進(jìn) ,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(guò)金屬箔后仍按原來(lái)的方向前進(jìn) ,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(shuō) ,是盧瑟福根據(jù)以下哪個(gè)實(shí)驗(yàn)或現(xiàn)象提出來(lái)的( ) A.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn) B.氫原子光譜實(shí)驗(yàn) C.粒子散射實(shí)驗(yàn) D.天然放射現(xiàn)象 8.盧瑟福粒子散射實(shí)驗(yàn)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(shuō)明原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在一個(gè)很小的核上 D.說(shuō)明原子的電子只能在某些不連續(xù)的軌道上運(yùn)動(dòng) 9.當(dāng)粒子被重核散射時(shí) ,如下圖的運(yùn)動(dòng)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(yǔ) ?普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)?指出：“高中物理課程應(yīng)促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí) ,