4.2 原子的核式结构模型 课时教案-2025-2026学年高二下学期物理教科版选择性必修第三册

4.2《原子的核式结构模型》课时教案

学科

物理

年级册别

高三上册

共1课时

教材

教科版选择性必修第三册

授课类型

新授课

第1课时

教材分析

教材分析
本节内容位于教科版高中物理选择性必修第三册第四章第二节，是学生在学习了“光电效应”“康普顿效应”等微观现象后，进一步深入探索原子内部结构的关键环节。教材通过回顾汤姆孙的“枣糕模型”，引出卢瑟福α粒子散射实验的现象与结论，系统阐述了原子核式结构模型的建立过程。该节不仅是连接经典物理与量子物理的重要桥梁，更是培养学生科学思维、实证精神和模型建构能力的核心载体。其作用在于帮助学生理解微观世界的非直观性，掌握“实验—假设—验证”的科学研究范式。

学情分析
高三学生已具备一定的电磁学、力学及近代物理基础知识，能够理解带电粒子在电场中的受力与运动规律。然而，原子尺度下的物理现象远离日常经验，抽象性强，学生容易陷入“宏观类比”的误区。此外，对实验数据的逻辑推理能力仍显薄弱，尤其在从α粒子大角度偏转推导出“质量集中、体积微小”的原子核这一关键跃迁上存在认知障碍。针对此，需通过可视化模拟、情境还原和层层设问引导，帮助学生突破思维瓶颈，实现从现象到本质的跨越。

课时教学目标

物理观念
1. 理解汤姆孙“枣糕模型”的基本构想及其无法解释α粒子大角度散射的局限性。
2. 掌握卢瑟福核式结构模型的核心内容：原子中心存在一个带正电、质量集中、体积极小的原子核，电子绕核运动。

科学思维
1. 能够基于α粒子散射实验的现象，运用归纳与演绎方法，推理得出原子内部结构的可能形式。
2. 学会使用“理想模型法”和“反证法”进行科学建模与假设检验，提升逻辑推理能力。

科学探究
1. 分析α粒子散射实验装置图与实验数据，识别关键现象（绝大多数穿过、少数偏转、极少数反弹）。
2. 设计对比方案，比较不同原子模型对实验结果的预测差异，体验科学发现的过程。

科学态度与责任
1. 感悟科学家勇于质疑权威、坚持实证精神的科研品质，增强尊重实验事实的科学素养。
2. 认识人类对物质结构探索的阶段性与递进性，树立不断追求真理的信念。

教学重点、难点

重点
1. α粒子散射实验的现象及其物理意义。
2. 原子核式结构模型的基本内容与建立依据。

难点
1. 从实验现象出发，逻辑推导出原子核的存在及特性（高密度、小体积、带正电）。
2. 理解“大多数穿过说明空间空旷，极少数大角度偏转说明存在强电场集中区”这一逆向推理过程。

教学方法与准备

教学方法
情境探究法、合作探究法、讲授法

教具准备
多媒体课件、α粒子散射实验动画、金箔结构示意图、静电演示仪

教学环节

教师活动

学生活动

一、创设情境，提出问题
【6分钟】

一、回溯历史，激发认知冲突

（一）、展示“枣糕模型”图示并提问：
教师在PPT中呈现汤姆孙于1904年提出的原子模型——“葡萄干布丁模型”（又称“枣糕模型”）：一个均匀分布的正电荷球体，其中镶嵌着负电荷的电子，整体呈电中性。随即提出问题：“如果我们将这个模型当作真实的原子结构，当高速带正电的α粒子（氦核）穿过它时，会发生什么？”
引导语：“同学们，请设想一下，α粒子就像一颗颗高速飞行的小炮弹，而原子就像是松软的蛋糕。根据我们所学的库仑定律，α粒子会受到来自正电荷区域的排斥力。但由于正电荷是‘均匀分布’在整个球体内的，这种力应该是分散且微弱的。因此，我们可以合理推测——α粒子最多只会发生轻微偏转，不会出现剧烈反弹。”
（二）、引入真实实验结果，制造悬念：
紧接着播放一段精心剪辑的纪录片片段：1909年，盖革与马斯顿在卢瑟福指导下进行α粒子散射实验的真实影像资料。画面定格在探测器闪烁屏上突然出现的大角度闪光。“但事实却令人震惊！实验数据显示，虽然绝大多数α粒子确实如预期般几乎直线穿过金箔，可有约1/8000的α粒子发生了超过90°的大角度偏转，甚至有个别直接被反弹回来！”
教师语气加重：“这就好比你用机关枪扫射一张纸巾，结果发现有些子弹不仅穿过去了，还有几发竟然原路弹了回来！这显然与‘松软蛋糕’的想象完全不符。那么，问题来了——原子内部究竟藏着怎样的‘硬核’，才能让如此高速的α粒子都为之折返？”

1. 观察模型图示，回忆已有知识。
2. 思考并预测α粒子穿过后的运动轨迹。
3. 对比预测与实验结果，产生强烈认知冲突。
4. 提出疑问：为何会有大角度散射？

评价任务

预测准确：☆☆☆
现象描述：☆☆☆
问题提出：☆☆☆

设计意图

通过“理论预测”与“实验现实”的强烈反差，制造认知失衡，激发学生的探究欲望。利用形象比喻降低理解门槛，使抽象概念具象化，为后续深入分析奠定情感与思维基础。

二、实验解析，层层推进
【15分钟】

一、剖析实验装置与过程

（一）、讲解实验器材与原理：
教师在屏幕上展示完整的α粒子散射实验装置图：放射源（释放α粒子）、铅盒准直缝、极薄金箔（厚度仅4×10⁻⁷m）、可旋转的荧光屏与显微镜组合。逐项说明功能：“放射源提供高速α粒子束；铅盒限制方向形成细束；金箔作为靶材；每当α粒子撞击荧光屏就会发出微光，通过显微镜观察记录位置。”强调金箔选用金的原因：延展性好，可制成极薄单层原子膜，减少多次散射干扰。
随后指出关键参数：α粒子速度高达2×10⁷ m/s，动能约为7.7 MeV

1. 识读实验装置图，理解各部件作用。
2. 分析统计数据，归纳三类散射现象。
3. 小组讨论，尝试解释现象成因。
4. 反思旧模型缺陷，接受新假设可能性。

，质量是电子的7300倍，因此电子对其影响可忽略不计。真正决定偏转的是原子内带正电的部分。
（二）、呈现核心数据，引导分类观察：
教师投影实验统计图表：
- 绝大多数α粒子（>99.9%）偏转角小于1°，近乎直线穿过；
- 少数α粒子发生明显偏转（1°--90°）；
- 极少数α粒子偏转角大于90°，最高达150°以上，相当于“反弹”。
要求学生分组讨论：“这些数据分别说明了原子内部哪些特征？”教师巡视指导，提示从“空间分布”“电荷集中度”“相互作用强度”三个维度思考。
 

二、构建模型，逻辑推理

（一）、组织小组合作探究：
下发探究任务单：“请各小组尝试用现有知识解释三类现象，并评估‘枣糕模型’是否成立。”给予8分钟时间讨论。期间教师参与交流，适时点拨：“若正电荷均匀分布，最大偏转应很小；如今出现大角度偏转，意味着必须存在一个能产生极强局部电场的区域。”
待小组汇报后，教师总结：“正是由于绝大多数α粒子未受影响，说明原子内部大部分是‘空旷’的；而极少数遭遇剧烈偏转，则说明存在一个‘体积小、质量大、带正电’的核心——这就是‘原子核’的概念雏形。”
（二）、引入卢瑟福的估算思想：
教师板书推导思路：根据库仑斥力做功等于动能变化，结合最近距离公式 rmin = (2kZe²)/(E_k)，估算α粒子最接近原子核的距离。以金原子为例（Z=79），计算得rmin ≈ 3×10⁻¹⁴ m，远小于原子半径（约10⁻¹⁰ m），从而证明原子核极其微小。同时指出，如此高的质量集中于此，密度可达10¹⁷ kg/m³，堪称宇宙中最致密的物质之一。

评价任务

数据解读：☆☆☆
模型评估：☆☆☆
逻辑推理：☆☆☆

设计意图

通过分解实验要素，帮助学生建立完整实验图景。借助数据分析与小组协作，促使学生主动参与科学推理过程。引入定量估算，强化“证据—结论”之间的严密联系，体现物理学的精确性与说服力。

三、模型建构，深化理解
【12分钟】

一、正式提出核式结构模型

（一）、清晰陈述模型内容：
教师在黑板中央绘制示意图：一个小圆代表原子核，周围环绕若干小点表示电子。郑重宣布：“1911年，卢瑟福基于上述实验，提出了划时代的原子核式结构模型。其核心观点有三点：第一，原子中心有一个带正电的原子核，集中了全部正电荷和几乎全部质量；第二，原子核体积非常小，直径约为10⁻¹⁵--10⁻¹⁴ m，仅为原子直径的十万分之一；第三，带负电的电子在核外广阔空间绕核运动，整个原子呈电中性。”
特别强调：“这不是凭空猜想，而是唯一能解释大角度散射现象的合理模型。正如卢瑟福所说：‘这就像你朝一张纸巾发射一枚15英寸炮弹，结果它反弹回来打中了你一样难以置信，但它确实发生了。

1. 听讲并记录模型三大要点。
2. 对比回答三类现象的成因。
3. 观看动画，理解力与轨迹关系。
4. 参与体验，感知静电力作用。