4.4 氢原子光谱和波尔的原子模型（第2课时）教学设计-2024-2025学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

本文围绕氢原子光谱和玻尔的原子模型展开，承接原子结构相关知识背景，为后续深入学习奠基。教学中，通过问题式教学等，引导学生探究，培养物理观念、科学思维等核心素养，如在理论推导中渗透科学推理思维。 该设计亮点在于多种教学方法结合，利用自制教具辅助。从学生层面看，能提升科学推理能力；从教师角度，提供清晰授课路径；课堂效果上，有效突破教学难点。

4.4 氢原子光谱和玻尔的原子模型教学设计 课题 4.4 氢原子光谱和玻尔的原子模型 本节课选自人民教育出版社 2019 年出版的高中物理选择性必修第三册中第四章《原 子结构和波粒二象性》第四节的内容。本节内容主要分为两大部分：第一部分是光谱、氢 原子光谱的实验规律和经典理论的困难；第二部分是玻尔原子理论的基本假设、玻尔理论 教材分析 对氢光谱的解释和玻尔理论的局限性。第二部分是本节的重点和难点。 本节内容再现了原子结构理论在发展过程中不断接受检验与修正的过程，在教学中应 让学生体会到，从核式结构模型→经典理论遇到的困难→玻尔原子结构假说→成功解释氢 原子光谱的科学探究过程，领会科学方法和科学精神。 学生经过之前的学习已经掌握了普朗克黑体辐射理论、光电效应、原子的核式结构 模型、圆周运动、牛顿运动定律以及天体运动等相关的理论知识，，为本节课的学习提供 了理论支撑。本节课涉及的新概念比较多，而能级、定态、基态、激发态和跃迁等概念又 学情分析 比较抽象，利用类比、课堂讨论等方法，以帮助学生理解消化。除此之外，学生具有一定 的逻辑推理能力，所以为了让学生更好地理解玻尔理论是经典理论和量子化条件的混合 物，因此在学生能力范围内让学生体会理论推导过程，让学生体会科学假设、科学推理、 模型建构、质疑创新等科学思维过程。 物理观念 （1）了解玻尔原子理论的基本假设的主要内容，掌握能级、定态、基态、激发态和 跃迁等概念，正确理解物理概念。 科学思维 （1）学生通过对轨道量子化和能量量子化的理解，培养学生科学假设、科学推理、 教 学 目 标 模型建构的科学思维。 科学探究 与 核 心 素 （1）能用玻尔理论解释氢原子能级图及光谱，理解理论的局限性与不足，培养学生 养 沟通交流的能力； （2）通过波尔理论氢原子光谱的规律的解释程培养学生分析能力，揭示物理现象的 科学本质。 科学态度与责任 （1）从实验规律出发，实事求是，学习科学家艰苦奋斗的精神，激发学生热爱科学 的热情。 重点 教学重难点：波尔理论的基本假设。 难点 一）教法 主要采用问题式教学法，分为设置问题、学生探究和分析交流三部分。 设置问题情境，引导学生自主讨论、交流与展示； 知识以问题的形式呈现，学生在解决问题的过程中掌握新知识，提高解决问题的能力； 教学方法 对于较为抽象或者较难理解的知识点，采用实验演示﹑类比﹑图片展示、视频演示的方式， 化抽象为形象。 （二）学法 采用自主学习和合作学习两种方法，对于陈述性知识例如光谱、线状谱和连续谱等用自主 学习方法，学生自己阅读相关材料，培养学生获取和整理知识的能力；对于程序性知识例 1 学科网（北京）股份有限公司 如氢原子各定态能量的表达式、玻尔理论与巴耳末公式的联系等相关知识采用合作学习方法，学生合作探究，分享不同的解决方法，在合作交流中提升自己的科学推理能力。而像能级、定态、基态、激发态和跃迁等概念，采用教师讲授和学生自主学习相结合的方法让学生有效掌握课堂内容。 不管是教法还是学法，都是为了把课堂还给学生，真正起到学生为主体，让学生在自主学习和合作探究中形成科学思维，提高科学推理能力。 教具学具 平板电脑﹑自制原子模型﹑台阶 教学过程 教师活动 学生活动 第二课时 引入： 引 科学的发展历程就是一部没有结局的连续剧，人们 入 前赴后继投入剧中，推动剧情不断发展。 课 卢瑟福提出核式结构模型之后，当人们用经典理论 题 去解释它，得到的结论却与事实相矛盾。原子的内部到底有 什么样的结构？对此问题丹麦青年物理学家尼尔斯·玻尔 提出了自己的观点，并且对物理学的发展产生了深远的影 响。 视频：玻尔简介 教师活动 学生活动 教师活动：19 世纪末 20 世纪初物理学的发展在微观领域取 得了长足进步，当时发生的几件大事给了波尔很大的启发。 在解释黑体辐射的规律时普朗克提出了能量子的概念， 在解释光电效应时爱因斯坦提出了光量子的概念，玻尔认为 新 量子化的观念能否应用于原子领域，特别是当玻尔看到了巴 尔末的经验公式后，发现氢原子光谱也具有量子化的特征， 课 玻尔大胆的提出了自己的原子结构假说。 如果让我们站在玻尔的角度，新的理论需要解决第一个问 讲 题是：原子的稳定性问题； 按照经典的理论，原子不稳定的原因是，电子的轨道半 授 径在逐渐减小；电子轨道半径逐渐变小的原因是，电子绕核 运动对外辐射电磁波，怎样修正可以解决问题？ 新的理论需要解决第二个问题是：原子的线状光谱 按照经典理论，原子的发光频率等于电子的转动频率， 当电子的轨道半径在连续变化时，原子发光产生连续光谱， 怎样修正可以解决问题？ 玻尔当时按照这样的思路提出了自己的三点假设 二．玻尔的原子结构假说 （一）轨道量子化 提出问题：什么是轨道量子化？ 教学活动：玻尔认为电子在库仑力作用下绕核做圆周运动，但是其轨道半径不能任意变化，只能取某些分立的值。电子具有量子化的轨道。（实物描述：波尔描述原子模型是这样的，中间是原子核，这是电子可能的轨道，电子在核外做圆周运动，但是它的轨道不是任意的，只能取某些特定的值。）电子在这些轨道上的运动是稳定的，不产生电磁辐射。 根据你的理解具有什么样的特征是可称为量子化的，答：不连续的，可以取某些特定的值 师：当某一个物理量发生变化是，不能连续变化，只能取去某些分立的值，可以认为具有量子化的特征 生活中有的问题也具有量子化的特征：例如当人站在不同的台阶上时，人距水平地面的高度应该等于台阶与地面的高度差，它只能取一些特定的数值不能连续变化，我们认为人距离地面的可能高度是量子化的。我们学过的物理量有量子化的特征 (二) 能量量子化 提出问题：什么能级，什么是定态？ 由于电子只能在特定的轨道上运动，所以原子的能量只能取 一系列特定的值。这些量子化的能量值叫作能级。原子中这 了解玻尔理论提出的历史背景 如果电子绕核运动不辐射电磁 波，原子就是稳定的。 如果电子的轨道半径不能连续变化，只能取某些特定的值，则当电子轨道轨道半径改变时，只能产生某些特定频率的光，原子发光产生线状光谱。 些具有确定能量的稳定状态，称为定态。其中当电子离原子 核最近时，能量最低，原子最稳定叫基态，其他的能量状态 叫激发态 。通常用量子字数来标记各个状态，例如可以用 n=1 来表示原子的基态，用 n=2,3,4…来标记原子的激发态。为了方便常采用化曲为直的方法，将原子的定态轨道用平行线段来表示并按能量的高低依次排列——获得原子的能级图 每一条横线对应一种定态轨道，左边量子数，右边能级值，从上往下能量依次降低。 如果用台阶表示原子能级图，每一级台阶代表一种定 态，相邻台阶高度差反映原子能级差，最低的位置对应基 态，原子最稳定，高度增加，原子能量逐渐变大，能级差 逐渐变小 提出问题：既然电子在一系列定态轨道上运动，不会向外辐 射电磁波，那如何解释原子的发光现象呢？ 教学活动：当电子从一个定态轨道变到另一个定态轨道时，称之为发生了跃迁。当电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态时会释放能量，当电子吸收光子时会从能量较低的定态轨道跃迁到能量较高的定态轨道。辐射或吸收的能量等于两能级差 E=En-Em （n>m） 根据普 朗克和爱因斯坦的观点 E =hυ 频率条件： hυ =En-Em （n>m） 抢答 根据预习回答：电子绕核运动的轨道半径不是任意的，只能是某些特定的值。 了解轨道量子化 带电体的带电量 抢答 根据预习知：量子化的能量值叫能 级，具有确定能量的稳定状态叫定 态 了解定态﹑能级的概念 当电子从能量较高的定态轨道向能量较低的定态轨道跃迁时会释放的光子 类比跳跃楼梯： 用阶梯来表示能级，用阶梯之间的跳跃表示原子在不同能级之间的跃迁。跳跃不可能悬停在半空，原子在跃迁时，也不会跃到能级之间的某处，所以跃迁时辐射（或吸收）的光子能量等于两能级差 问题：玻尔提出的观点能不能解决经典理论的矛盾？ 三．玻尔理论对氢光谱的解释 教学活动：玻尔的理论能否正确反映原子的内部结构？我们可以通过研究光谱进行检验。氢原子光谱最简单， 巴 1 R ( 1 1 ) 22 n2 尔 末系波长满足公式 n=3，4，5，6 R =1.10×10-7m-1 公式中 n 可以取一系列大于等于 3 的正整数。所以氢原子发 光只能取某些特定的波长，由此可见 n 能够反映氢原子光谱 的量子化特征，n 和 2 应该表示量子数.每一条波长都有一个 量子数与之对应。 n 取 3 时，这条谱线与 2,3 对应，n 取 4 时，这条谱线与 2,4 对应，n 取 5 时，这条谱线与 2,5 对应，每一条谱线都与量 子数 2 对应。 提出问题：这组谱线可能是怎样形成的？ 有可能氢原子从高能级向量子数 n=2 这个能级跃迁形 成的。我们的猜想是否正确？可以进行验证。 教学活动：根据波尔玻尔理论和经典电磁理论可以绘制出氢原子的能级图。以电子伏为单位氢原子各能级如下： 如果猜想正确，可以根据氢原子能级图算出各光子的能量。 根据频率条件释放光子满足条件 hυ=En-Em 同时光子频率和波长满足条件 c=υ·λ 尝试解释：原子跃迁辐射光子 满足频率条件，只能发出特定频率 的光子； 得:λ= h c En Em （h=6.63×10 -34 J·s 1ev=1.6×10-19J） E3-E2 E4-E2 E5-E2 E6-E2 En - 1.89 2.55 2.86 3.02 Em /ev λ 657.73 487.50 434.65 411.63 这组谱线这可能是氢原子从高能级 向量子数 n=2 这个能级跃迁形成的。 /nm 智慧课堂展示学生计算结果 结论：对比计算得到的谱线和实验室观察得到的谱线，两者基本吻合，巴尔末系是氢原子从高能级向量子数 n=2 能级跃迁形成。 教学活动：在红外区和紫外区分别观察到类似的谱线系 赖曼系 1 R ( 1 1 ) n=2，3，4，5 2 2 1 n 帕邢系 1 R ( 1 1 ) n=4，5，6，7 32 n2 布喇开系 1 R ( 1 1 ) n=5，6，7, 8 42 n2 四．玻尔理论的局限性 教师： 玻尔理论能很好地解释氢原子光谱，能不能认为玻尔原子模型准确地描述出原子的结构？ 事实：用玻尔的原子模型无法解释其他原子光谱，说明波尔的原子模型仍然具有局限性， 提出问题：怎样修正才能正确描述原子的内部结构？ 教学活动：近代科学研究表明，电子在原子核外并没有确定的轨道，只能确定其在某个位置出现的概率，我们可以用疏密程度不同的点来表示在某个位置出现概率——电子云 学生思考并猜测：氢原子从高能级向其他能级跃迁会不会产生类似的谱线系？ 电子云取代电子轨道 教师：纵观原子结构的认识过程我们就会发现，人们的思想认识在不断纠错中逐渐得到成长， 现在我们是否已经找到了原子的真正结构，相信大家能通过自己学习找到答案 作业： 1﹑查阅资料，了解原子结构的认识过程 2﹑（课本课后习题）根据巴耳末公式，指出氢原子光谱在可见 光范围内波长最长的前两条谱线所对应的 n，它 们的波长各是多少？氢原子光谱有什么特点？ 3﹑（课本课后习题）要使处于 n＝2 的激发态的氢原子电离，它需要吸收的能量为多大？ 4﹑（课本课后习题）包含各种波长的复合光，被原子吸收了 某些波长的光子后，连续光谱中这些波长的位 置上便出现了暗线，这样的光谱叫作吸收光 谱。请用玻尔理论解释：为什么各种原子吸收 光谱中的每一条暗线都跟这种原子的发射光谱中的一条亮线相对应？ $$