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第四章 原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性
一、教材分析 本節(jié)內(nèi)容由電子的發(fā)現(xiàn)、原子的核式結(jié)構(gòu)模型、原子核的電荷與尺度三部分組成，重點是電子的發(fā)現(xiàn)對人類認(rèn)識原子結(jié)構(gòu)的重要意義，以及盧瑟福在α粒子散射實驗基礎(chǔ)上提出的原子核式結(jié)構(gòu)模型。本節(jié)內(nèi)容開啟了對原子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)歷史與其科學(xué)研究方法的探索。教材通過介紹人類認(rèn)識原子結(jié)構(gòu)的過程，啟發(fā)學(xué)生認(rèn)識科學(xué)探究的意義。 二、教學(xué)目標(biāo) （1）知道發(fā)現(xiàn)電子的意義，體會電子發(fā)現(xiàn)過程中蘊含的科學(xué)方法。 （2）了解α粒子散射實驗原理和實驗現(xiàn)象。 （3）了解盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型，知道原子和原子核大小的數(shù)量級。 （4）認(rèn)識原子核式結(jié)構(gòu)模型建立的科學(xué)推理與論證過程。 三、教學(xué)重點 ①引導(dǎo)學(xué)生自主思考，由ɑ粒子散射實驗的結(jié)果否定“棗糕模型”，得出原子的核式結(jié)構(gòu)模型。 ②在教學(xué)中滲透物理學(xué)研究方法：模型方法，微觀粒子碰撞方法。 四、教學(xué)資源 多媒體教學(xué)設(shè)備、PPT多媒體課件、FLASH工具。 五、教學(xué)過程 1．回顧歷史，引入新課 通過播放1964年我國第一顆原子彈爆炸成功的視頻，介紹人類現(xiàn)在已經(jīng)開始利用原子的核能。早在1897年，湯姆生就發(fā)現(xiàn)了電子，使人類第一次敲開原子世界的大門，今天我們就循著前人的足跡研究原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)過程。 2．電子的發(fā)現(xiàn)
教師介紹湯姆孫，給出湯姆孫對射線本質(zhì)的認(rèn)識。 問：如果你也認(rèn)為陰極射線是一種帶點粒子流，要如何驗證呢？請大家設(shè)計一下實驗。 答：學(xué)生會利用電磁場的相關(guān)知識設(shè)計實驗。引出湯姆孫的氣體放電管，并且加以介紹。 教師介紹湯姆孫實驗結(jié)果： ①1897 年，J. J. 湯姆孫根據(jù)陰極射線在電場和磁場中的偏轉(zhuǎn)情況斷定，它的本質(zhì)是帶負(fù)電的粒子流，并求出了這種粒子的比荷。比荷是氫離子（也就是質(zhì)子）比荷的近兩千倍。J. J. 湯姆孫認(rèn)為，這可能表示陰極射線粒子電荷量的大小與一個氫離子一樣，而質(zhì)量比氫離子小得多。后來，他直接測到了陰極射線粒子的電荷量， 盡管測量不很準(zhǔn)確，但足以證明這種粒子電荷量的大小與氫離子大致相同，這就表明他當(dāng)初的猜測是正確的。 ②湯姆孫進一步發(fā)現(xiàn)，用不同材料的陰極做實驗， 所得比荷的數(shù)值都是相同的。這說明不同物質(zhì)都能發(fā)射這種帶電粒子，它是構(gòu)成各種物質(zhì)的共有成分。組成陰極射線的粒子被稱為電子。 電子發(fā)現(xiàn)的過程體現(xiàn)了科學(xué)實驗的重要性。補充電子電荷量的測量。（密立根油滴實驗）
教師介紹密立根油滴實驗： 電子電荷的精確測定是在1909?1913年間由密立根通過著名的“油滴實驗”做出的。目前公認(rèn)的電子電荷e的值為e＝1.602176634×10-19C。密立根實驗更重要的發(fā)現(xiàn)是：電荷是量子化的，即任何帶電體的電荷只能是e的整數(shù)倍。從實驗測到的比荷e的數(shù)值，可以確定電子的質(zhì)量?，F(xiàn)在人們普遍認(rèn)為電子的質(zhì)量為m＝9.109383 56×10 -31 kg。帶電粒子的電荷量與其質(zhì)量之比，即比荷，是一個重要的物理量。 發(fā)現(xiàn)電子以后，J. J. 湯姆孫又進一步研究了許多新現(xiàn)象，如光電效應(yīng)、熱離子發(fā)射效應(yīng)和β射線等。他發(fā)現(xiàn)，不論陰極射線、光電流、熱離子流還是β射線，它們都包含電子。J. J. 湯姆孫對證實電子的存在有很大貢獻，因此公認(rèn)他是電子的發(fā)現(xiàn)者。他因氣體導(dǎo)電的研究獲得1906 年的諾貝爾物理學(xué)獎 經(jīng)歷的電子發(fā)現(xiàn)的過程，讓學(xué)生談一下電子發(fā)現(xiàn)的意義。 教師總結(jié)：電子的發(fā)現(xiàn)，使人們認(rèn)識到原子不是組成物質(zhì)的最小微粒，原子本身也是有結(jié)構(gòu)的。同時電子帶負(fù)點，原子帶正電，為“原子的核式結(jié)構(gòu)模型”買下伏筆。
3．ɑ粒子散射實驗原理、裝置、實驗現(xiàn)象
學(xué)生分組討論交流得到實驗結(jié)果：絕大多數(shù)沿原來的方向前進，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)。 教師提問：根據(jù)湯姆生原子模型分析，α粒子轟擊金箔后應(yīng)出現(xiàn)什么情況？ ①α粒子出現(xiàn)大角度散射有沒有可能是與電子碰撞后造成的？ ②按照湯姆生原子模型，α粒子在原子附近或穿越原子內(nèi)部后有沒有可能發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)？ 學(xué)生分組討論交流得到結(jié)果： ①碰撞前后，質(zhì)量大的α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。 ②對于α粒子在原子附近時由于原子呈中性，與ɑ粒子之間沒有或很小的庫侖力的作用，正電荷在原子內(nèi)部均勻的分布，α粒子穿過原子時，由于原子兩側(cè)正電荷將對它的斥力有相當(dāng)大一部分互相抵消，使α粒子偏轉(zhuǎn)的力不會很大，所以α粒子不可能發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。 教師再次提問：這個實驗結(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)模型無法解釋ɑ粒子散射實驗現(xiàn)象。 教師再次提問：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ɑ粒子的大角度偏轉(zhuǎn)？ 學(xué)生小組討論、小組間互相提問。
①絕大多數(shù)粒子基本不偏轉(zhuǎn)表明：原子內(nèi)部絕大部分是“空”的。 ②少數(shù)粒子發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)表明：原子內(nèi)部有“正電荷集中”的區(qū)域。 ③極少數(shù)粒子被彈回表明：作用力很大，質(zhì)量很大的核。 師生互動，學(xué)生小組討論，學(xué)生分析推理得到盧瑟福的原子結(jié)構(gòu)模型，得到盧瑟福的原子的核式結(jié)構(gòu)模型后再展示立體動畫α粒子散射模型，使學(xué)生有更清晰的直觀形象、生動的認(rèn)識。 4．原子核式結(jié)構(gòu)模型 ①在原子中心有一個很小的核，叫原子核． ②原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里． ③帶負(fù)電的電子在核外空間繞著核旋轉(zhuǎn)．。
原子的大小的教學(xué)應(yīng)該讓學(xué)生有個數(shù)量級的概念，即原子的半徑在10-10m左右，原子核的大小在10-15～10-14左右．原子核的半徑只相當(dāng)于原子半徑的萬分之一，體積只相當(dāng)于原子體積的億分之一。為了加深學(xué)生的印象，可舉一些較形象的比喻或按比例畫些示意圖，同時通過表格展示，對比。
5．課堂小結(jié)
課堂練習(xí)： 1、在用α粒子轟擊金箔的實驗中，盧瑟福觀察到的α粒子的運動情況是（ ） A、全部α粒子穿過金屬箔后仍按原來的方向前進 B、絕大多數(shù)α粒子穿過金屬箔后仍按原來的方向前進，少數(shù)發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)甚至被彈回 C、少數(shù)α粒子穿過金屬箔后仍按原來的方向前進，絕大多數(shù)發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，甚至被彈回 D、全部α粒子都發(fā)生很大偏轉(zhuǎn) 答案：B 2、在盧瑟福α粒子散射實驗中，金箔中的原子核可以看作靜止不動，下列各圖畫出的是其中兩個α粒子經(jīng)歷金箔散射過程的徑跡，其中符合實驗事實的是( )
答案：C 【作業(yè)】 一種測定電子比荷的實驗裝置如圖所示。真空玻璃管內(nèi)，陰極K發(fā)出的電子經(jīng)陽極A與陰極K之間的高電壓加速后，形成細細的一束電子流，沿圖示方向進入兩極板C、D 間的區(qū)域。若兩極板C、D 間無電壓，電子將打在熒光屏上的O 點；若在兩極板間施加電壓U，則離開極板區(qū)域的電子將打在熒光屏上的P點；若再在極板間施加一個方向垂直于紙面向外、磁感應(yīng)強度為B 的勻強磁場，則電子在熒光屏上產(chǎn)生的光點又回到O。已知極板的長度l＝5.00 cm，C、D間的距離d＝1.50 cm，極板區(qū)的中點M 到熒光屏中點O的距離為L＝12.50 cm，U＝200 V，B ＝ 6 . 3×10– 4 T， P點到 O 點的距離 y＝3.0 cm。試求電子的比荷。
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