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第四章 原子结构和波粒二象性第3节 原子的核式结构模型教学设计问题与目标1.了解阴极射线及汤姆孙发现电子的过程。2.了解原子结构模型建立的过程及各种模型建立的依据。3.知道α粒子散射实验的实验方法和实验现象，以及原子核式结构模型的主要内容。重点与难点重点1.对阴极射线的研究。2.α粒子散射实验及原子的核式结构模型的建立。3.渗透物理学研究方法，即模型法和微观粒子的碰撞方法。难点1.汤姆孙发现电子的理论推导。2.原子的核式结构模型的建立。教学准备教师要求多媒体课件。学生要求预习教材相关内容；查阅资料，了解原子核式结构模型的建立过程。教学过程一、导入新课很早以来，人们一直认为构成物质的最小粒子是原子，原子是一种不可再分割的粒子，这种认识统治了人类思想近两千年。19世纪末，科学家在对阴极射线进行深入研究时，发现了电子，使人类对原子的结构有了新的认识。电子的发现是19世纪末20世纪初物理学的三大发现之一。这节课我们就来学习原子的核式结构模型。二、新课教学环节一：电子的发现史料：科学家在研究稀薄气体放电时发现，当玻璃管内的气体足够稀薄时，阴极就发出一种射线。它能使对着阴极的玻璃管壁发出荧光，人们把这种未知射线称为阴极射线。对于阴极射线的本质，许多科学家做了天量的科学研究，主要形成了两种观点(1)电磁波说：代表人物是赫兹，认为这种射线的本质是一种电磁波的传播过程。(2)粒子说：代表人物是J.J.汤姆孙，认为这种射线的本质是一种高速粒子流。思考与讨论：能否设计一个实验来对阴极射线进行研究，通过实验现象来确定这种射线是一种电磁波还是一种高速粒子流呢 师：出现什么样的现象就可以认为这种射线是一种电磁波呢 出现什么样的现象就可以认为这种射线是一种高速粒子流，并能否测定这是一种什么粒子呢 总结归纳：若这种射线是一种电磁波，会出现波的干涉、衍射等现象；若这种射线是一种带电粒子，则它会在电场、磁场中受力而发生偏转现象，英国物理学家J.J.汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子。实验装置如图所示，从高压电场的阴极K发出的阴极射线通过缝隙A、B形成一束细细的射线，穿过两片平行的金属板D1、D2之间的空间后，沿直线打在荧光屏上的P1点。(1)当在平行极板上加一竖直向上的电场(电场强度为E)，发现阴极射线打在荧光屏上的位置向下偏(打在P2点)，则可判定，阴极射线带有负电荷。(2)为使阴极射线不发生偏转，需要在平行极板之间的区域内加一磁场(磁场强度为B)，且磁场方向必须垂直纸面向外。当满足条件qv0B=qE时，则阴极射线不发生偏转，可得出结论：。(3)去掉D1、D2之间的电场，只保留磁场，阴极射线在D1、D2之间有磁场的区域会形成一个半径为R的圆弧，使得阴极射线落在屏上的P3点。师：利用磁场使带电的阴极射线发生偏转，能否根据磁场的特点和带电粒子在磁场中的运动规律来计算阴极射线的比荷 带电的阴极射线在磁场中做匀速圆周运动，则有，可得。又，则。师：J.J.汤姆孙发现，用不同材料的阴极和不同的方法做实验，所得比荷的数值是相等的。这说明了什么 说明这种粒子是构成各种物质的共有成分。师：J.J.汤姆孙由实验测得的阴极射线粒子的比荷是氢离子比荷的近两千倍。若这种粒子的电荷量与氢离子的电荷量相同，那么它们的质量之间有何关系 质量约为氢离子质量的近两千分之一。J.J.汤姆孙通过后续的实验粗略地测出了这种粒子的电荷量，发现其确实与氢离子的电荷量差别不大，证明了汤姆孙的猜测是正确的。J.J.汤姆孙把新发现的这种粒子称之为电子。总结归纳：(1)阴极射线的本质：电子流。(2）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。3.电子电荷e的值为e=1.602176634×10-19C。电荷是量子化的，即任何带电体的电荷量只能是e的整数倍。4.电子的质量：me=9.10938356×1031kg。5.质子质量与电子质量的比值为环节二：原子的核式结构模型思考与讨论：通常情况下，物质是不带电的，因此，原子应该是电中性的。既然电子是带负电的，质量又很小，那么，原子中一定还有带正电的部分，它具有大部分的原子质量。请你设想一下，原子中带正电的部分以及带负电的电子可能是如何分布的 教师对学生的原子结构设想进行总结和评价，再介绍J.J.汤姆孙的枣糕模型。(1)J.J.汤姆孙的原子结构模型简述J.J.汤姆孙提出的原子模型：原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌其中。有人形象地把他的这个模型称为“西瓜模型”或“枣糕模型”。教师组织学生对原子结构的“枣糕模型”进行评价，并提出“枣糕模型”遇到的问题。师：德国物理学家勒纳德1903年做了一个实验，使电子束射到金属膜上，发现较高速度的电子很容易穿透原子。这个实验现象能否用“枣糕模型”解释，说明了什么 不能。说明了“枣糕模型”不合理。后来的α粒子散射实验则完全否定了这个模型。(2) α粒子散射实验1909~1911年，卢瑟福和他的助手做了α粒子轰击金箔的实验，获得了重要的发现。①实验装置(如图）由放射源、金箔、荧光屏、显微镜等组成。注：整个实验过程在真空中进行。金箔很薄，α粒子很容易穿过。师：实验中为什么选用金箔 金的原子量大且延展性好，容易做成接近单原子的薄膜。②实验现象：绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，但是有少数α粒子发生了较大角度的偏转。极少数α粒子的偏转角超过了90°，甚至有个别的α粒子的偏转角几乎达到了180°，沿原路返回。思考与讨论：如果原子结构是J.J.汤姆孙提出的枣糕模型，那么α粒子散射实验现象应该是怎样的 按照J.J.汤姆孙的原子结构模型，即带正电的物质均匀分布，而带负电的电子的质量比α粒子的质量小得多，α粒子碰到电子就像子弹碰到一粒尘埃一样，其运动方向不会发生什么改变。但实验结果出现了像一枚炮弹碰到一层薄薄的卫生纸被反弹回来这一不可思议的现象。思考与讨论：能否应用原子的核式结构模型对α粒子散射实验现象进行解释 当α粒子穿过原子时，如果离核较远，受到原子核的斥力很小，α粒子就像穿过“一片空地”一样，无遮无挡，运动方向改变很小，因为原子核很小，所以绝大多数α粒子不发生偏转。只有当α粒子十分接近原子核穿过时，才受到很大的库仑力作用，偏转角才很大，而这种机会很少。如果α粒子正对着原子核射来，偏转角几乎达到180°，这种机会极少，如图所示。③卢瑟福通过分析，否定了J.J.汤姆孙的原子结构模型，提出了核式结构模型：原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，正电体的尺度是很小的，称为原子核，电子在原子核的外面绕核运动。环节三：原子核的电荷与尺度阅读教材第82页的相关内容，了解原子核的电荷和原子核的大小。教师检查学生的自学情况，进行归纳总结：(1)原子核的电荷：原子是由带电荷量+Ze的核与核外Z个电子组成的。原子序数Z表示原子核的电荷是一个电子电荷量的多少倍。原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数就是核内的质子数。(2）原子核的大小：原子核半径的数量级为10-15m，而整个原子半径的数量级是10-10m，两者相差十万倍之多。思考与讨论：原子核的半径只相当于原子半径的十万分之一，体积只相当于原子体积的千万亿分之一。如果把原子核比喻为一枚一元硬币的大小，那么原子有多大呢？足球场的大小。三、课堂小结通过本节课的学习，我们了解了：1.电子的发现：J.J.汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子。2.J.J.汤姆孙的原子“枣糕模型”：原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌其中。3.电子电量的测定：密立根通过著名的“油滴实验”测出了电子的电荷。目前公认的电子电荷e的值为e=1.602 176 634×10-19C。4. α粒子散射实验：绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了大角度偏转，极少数α粒子偏转的角度甚至大于90°，也就是说，它们几乎被“撞了回来”。5.卢瑟福的原子核式结构模型：在原子中心有一个很小的核，叫作原子核。原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核运动。6.原子核的电荷与尺度：(1)原子核的电荷数就是核中的质子数。(2)原子半径的数量级是10-10m，原子核半径的数量级为10-15m。四、作业设计完成课本第83页练习题课堂练习1.关于阴极射线的性质，下列说法中正确的是 （ ）A.阴极射线是电子打在玻璃管壁上产生的B.阴极射线的本质是质子C.阴极射线在电磁场中的偏转表明阴极射线带正电D.阴极射线的比荷比氢原子核的大2.在α粒子散射实验中，电子对α粒子运动的影响可以忽略，这是因为与α粒子相比，电子（ ）A.电量太小 B.速度太小 C.体积太小 D.质量太小3.关于卢瑟福的原子核式结构学说的内容，下列说法中正确的是 （ ）A.原子是一个质量分布均匀的球体B.原子的质量几乎全部集中在原子核内C.原子的正电荷和负电荷全部集中在一个很小的核内D.原子核半径的数量级是10-10m4.在密立根的油滴实验中，调节两金属板间的电势差等于U。，两板间的距离为d时，某质量为m的油滴恰好做匀速运动，则该油滴所带电荷量为 （ ）A. B. C. D.答案1.D(解析：阴极射线是原子受激发射出的带负电的电子流，故A、B、C错误；电子的带电量与氢原子的相同，但质量是氢原子的，故阴极射线的比荷比氢原子的大。故选D。）2.D(解析：在α粒子散射实验中，由于电子的质量太小，它对α粒子速度的大小和方向的影响就像灰尘对子弹的影响，完全可以忽略。故选D。)3.B(解析：卢瑟福的原子核式结构学说的内容是，在原子的中心有一个很小的核，称为原子核；原子的全部正电荷和几乎全部的质量都集中在原子核上；电子绕原子核做高速旋转。故选B。)4.A(解析：油滴做匀速运动时受到的电场力和重力平衡，根据平衡条件有mg=qE，又有，联立可得。故选A。)板书设计第3节原子的核式结构模型1.电子的发现(1)阴极射线：科学家在研究稀薄气体放电时发现，当玻璃管内的气体足够稀薄时，阴极就发出一种射线，它能使对着阴极的玻璃管壁发出荧光，人们把这种未知射线称为阴极射线。(2)J.J.汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子，证明阴极射线的本质是高速电子流。(3)电子电量的测定：密立根通过著名的“油滴实验”测出了电子的电荷。目前公认的电子电荷e的值为e=1.602 176 634×10-19C。2.原子的核式结构模型(1) α粒子散射实验：绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了大角度偏转，极少数α粒子偏转的角度甚至大于90°，也就是说，它们几乎被“撞了回来”。(2)通过对α粒子散射实验的解释，卢瑟福提出了原子的核式结构模型：在原子中心有一个很小的核，叫作原子核。原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核运动。3.原子核的电荷与尺度(1)原子核的电荷：原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数就是核中的质子数。(2)原子核的尺度：原子半径的数量级是10-10m，原子核半径的数量级是10-15m。2

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