4.3 原子的核式结构模型 教学设计-2021-2022学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

第四章  原子结构和波粒二象性

4.3原子的核式结构模型

一、教材分析

本节内容由电子的发现、原子的核式结构模型、原子核的电荷与尺度三部分组成，重点是电子的发现对人类认识原子结构的重要意义，以及卢瑟福在α粒子散射实验基础上提出的原子核式结构模型。本节内容开启了对原子结构发现历史与其科学研究方法的探索。教材通过介绍人类认识原子结构的过程，启发学生认识科学探究的意义。

二、教学目标

（1）知道发现电子的意义，体会电子发现过程中蕴含的科学方法。

（2）了解α粒子散射实验原理和实验现象。

（3）了解卢瑟福的原子核式结构模型，知道原子和原子核大小的数量级。

（4）认识原子核式结构模型建立的科学推理与论证过程。

三、教学重点

①引导学生自主思考，由ɑ粒子散射实验的结果否定“枣糕模型”，得出原子的核式结构模型。

②在教学中渗透物理学研究方法：模型方法，微观粒子碰撞方法。

四、教学资源

多媒体教学设备、PPT多媒体课件、FLASH工具。

五、教学过程

1．回顾历史，引入新课

通过播放1964年我国第一颗原子弹爆炸成功的视频，介绍人类现在已经开始利用原子的核能。早在1897年，汤姆生就发现了电子，使人类第一次敲开原子世界的大门，今天我们就循着前人的足迹研究原子内部结构的发现过程。

2．电子的发现

教师介绍汤姆孙，给出汤姆孙对射线本质的认识。

问：如果你也认为阴极射线是一种带点粒子流，要如何验证呢？请大家设计一下实验。

答：学生会利用电磁场的相关知识设计实验。引出汤姆孙的气体放电管，并且加以介绍。

教师介绍汤姆孙实验结果：

①1897 年，J. J. 汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定，它的本质是带负电的粒子流，并求出了这种粒子的比荷。比荷是氢离子（也就是质子）比荷的近两千倍。J. J. 汤姆孙认为，这可能表示阴极射线粒子电荷量的大小与一个氢离子一样，而质量比氢离子小得多。后来，他直接测到了阴极射线粒子的电荷量， 尽管测量不很准确，但足以证明这种粒子电荷量的大小与氢离子大致相同，这就表明他当初的猜测是正确的。

②汤姆孙进一步发现，用不同材料的阴极做实验， 所得比荷的数值都是相同的。这说明不同物质都能发射这种带电粒子，它是构成各种物质的共有成分。组成阴极射线的粒子被称为电子。

电子发现的过程体现了科学实验的重要性。补充电子电荷量的测量。（密立根油滴实验）

教师介绍密立根油滴实验：

电子电荷的精确测定是在1909〜1913年间由密立根通过著名的“油滴实验”做出的。目前公认的电子电荷e的值为e＝1.602176634×10^-19C。密立根实验更重要的发现是：电荷是量子化的，即任何带电体的电荷只能是e的整数倍。从实验测到的比荷e的数值，可以确定电子的质量。现在人们普遍认为电子的质量为m＝9.109383 56×10 ^-31 kg。带电粒子的电荷量与其质量之比，即比荷，是一个重要的物理量。

发现电子以后，J. J. 汤姆孙又进一步研究了许多新现象，如光电效应、热离子发射效应和β射线等。他发现，不论阴极射线、光电流、热离子流还是β射线，它们都包含电子。J. J. 汤姆孙对证实电子的存在有很大贡献，因此公认他是电子的发现者。他因气体导电的研究获得1906 年的诺贝尔物理学奖

经历的电子发现的过程，让学生谈一下电子发现的意义。

教师总结：电子的发现，使人们认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也是有结构的。同时电子带负点，原子带正电，为“原子的核式结构模型”买下伏笔。

原子带正电，电子带负电，那么原子内部的正电和负电是如何分布的，汤姆孙提出了原子的枣糕模型，图片展示枣糕模型，汤姆生的枣糕模型虽然能够解释一些物理现象，但无法解释卢瑟福α粒子散射实验。

3．ɑ粒子散射实验原理、装置、实验现象

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。ɑ粒子散射实验在课堂上无法直接演示，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。动画展示实验，通过显微镜观察到的现象，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。

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。

教师提问：根据汤姆生原子模型分析，α粒子轰击金箔后应出现什么情况？

①α粒子出现大角度散射有没有可能是与电子碰撞后造成的？

②按照汤姆生原子模型，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：

①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。

②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。

教师再次提问：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。

教师再次提问：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。

教师总结：

①绝大多数粒子基本不偏转表明：原子内部绝大部分是“空”的。

②少数粒子发生较大偏转表明：原子内部有“正电荷集中”的区域。

③极少数粒子被弹回表明：作用力很大，质量很大的核。

师生互动，学生小组讨论，学生分析推理得到卢瑟福的原子结构模型，得到卢瑟福的原子的核式结构模型后再展示立体动画α粒子散射模型，使学生有更清晰的直观形象、生动的认识。

4．原子核式结构模型

①在原子中心有一个很小的核，叫原子核．

②原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里．

③带负电的电子在核外空间绕着核旋转．。

原子的大小的教学应该让学生有个数量级的概念，即原子的半径在10^-10m左右，原子核的大小在10^-15～10^-14左右．原子核的半径只相当于原子半径的万分之一，体积只相当于原子体积的亿分之一。为了加深学生的印象，可举一些较形象的比喻或按比例画些示意图，同时通过表格展示，对比。

	半径大小（数量级）	类比
原子	10^-10m左右	硬币
原子核	10^-15～10^-14左右	足球场

5．课堂小结

课堂练习：

 1、在用α粒子轰击金箔的实验中，卢瑟福观察到的α粒子的运动情况是（       ）

A、全部α粒子穿过金属箔后仍按原来的方向前进

B、绝大多数α粒子穿过金属箔后仍按原来的方向前进，少数发生较大偏转，极少数甚至被弹回

C、少数α粒子穿过金属箔后仍按原来的方向前进，绝大多数发生较大偏转，甚至被弹回

D、全部α粒子都发生很大偏转

答案：B

2、在卢瑟福α粒子散射实验中，金箔中的原子核可以看作静止不动，下列各图画出的是其中两个α粒子经历金箔散射过程的径迹，其中符合实验事实的是(　　)

答案：C

【作业】

一种测定电子比荷的实验装置如图所示。真空玻璃管内，阴极K发出的电子经阳极A与阴极K之间的高电压加速后，形成细细的一束电子流，沿图示方向进入两极板C、D 间的区域。若两极板C、D 间无电压，电子将打在荧光屏上的O 点；若在两极板间施加电压U，则离开极板区域的电子将打在荧光屏上的P点；若再在极板间施加一个方向垂直于纸面向外、磁感应强度为B 的匀强磁场，则电子在荧光屏上产生的光点又回到O。已知极板的长度l＝5.00 cm，C、D间的距离d＝1.50 cm，极板区的中点M 到荧光屏中点O的距离为L＝12.50 cm，U＝200 V，B ＝ 6 . 3×10^{– 4} T， P点到 O 点的距离 y＝3.0 cm。试求电子的比荷。