第二节 微观世界（导学案）物理新教材北师大版（北京）九年级全一册

二、微观世界（导学案） 【学习目标】 1．建立物质是由分子、原子、原子核、核子、夸克等微观粒子分层次构成的观念。知道原子核与电子间、质子与中子间存在相互作用，从而构成稳定的物质结构。 2．了解原子核式结构模型，了解模型在科学研究中的作用。 3．认识到科学是不断发展的、是建立在实验证据基础上的。了解中国科学家群体的卓越贡献与高尚品格，增强民族自豪感和科技报国的责任感。 【学习重点】 1．人类探索微观世界的历程，关键实验与对应发现。 2．原子的核式结构模型及其建立的实验依据。 【学习难点】 1．理解α粒子散射实验的现象与卢瑟福核式结构模型推论之间的逻辑关系。 2．建立“科学模型是基于实验证据的、不断发展的”这一科学本质观。 【自主预习】阅读教材，完成以下问题： 1．1897年，英国科学家 发现了 ，证明了原子是可以再分的。电子带 电，质量极 。 2． 用高速 流轰击 ，做了物理学史上著名的 实验，又称 实验。 3． 实验，表明原子内部绝大部分是空空如也的 。原子内部存在一个质量很 、体积很 、带正电的东西。卢瑟福称之为 。 4．由此，卢瑟福提出了原子的 模型—— 模型 5．1919年， 用α粒子轰击氮核，发现了带 电的 。1932年， (James Chadwick，1891—1974)发现了不带电的 。由此确定了 是由 和 组成的。 6．我们把10-9m称作纳米，用符号nm表示。纳米是长度单位，10个氢原子排成一排的长度大约是1nm。纳米科技是指在 尺度上研究物质的特性与相互作用。 7．当前纳米技术的研究与应用主要在 和 、 和 技术、 、 与 、 和 、 和 、 技术和 等方面。 8．阅读教材，了解我国科学家的 与 。 【探究新知】 探究一、电子的发现 （一）电子的发现历程 【议一议】查阅资料，与同学交流分享科学家何时、通过什么实验发现了何种微观粒子。 1．展示阴极射线管图片，简述实验现象。 19世纪中期，人们制作了阴极射线管(图19.2-1)，当两极间加上高电压，阴极就发射出一种射线，这种射线被称为阴极射线。 1897年，英国科学家汤姆孙(Joseph John Thomson，1856—1940)发现阴极射线在电场和磁场的作用下可以发生偏转，偏转方向与带负电的粒子相同，这表明阴极射线是一种带负电的粒子流。接着他又和他的学生一起，测量出这种粒子所带的电荷与从电解质中得到的氢离子的电荷在数量上相等，而这种粒子的质量还不到氢离子的千分之一。由此他确认，这是一种比氢原子还要小得多的带负电的粒子。 2．思考讨论：汤姆孙面对这一束“阴极射线”，他是如何一步步探究其本质的？ （1）它在电场/磁场中会偏转，是什么？ （2）偏转方向与负电荷相同，带什么电？ （3）测其荷质比，远大于氢离子，意味着什么？ （二）电子 1．电子是组成物质的原子中的一种带负电的微粒。 发现电子，证明原子是可分的！ 2．电子的特点（拓展） （1）带电量固定且最小，其电荷量被定义为元电荷，数值约为1.602×10-19库仑，所有带电体的电荷量都是这个数值的整数倍。 （2）质量非常小，静止质量约为9.109×10-31千克，仅为质子质量的约1/1836，因此在研究原子结构等微观现象时，其质量有时可忽略不计。 （3）通常围绕原子核做高速运动，其运动状态决定了原子的化学性质和光谱特征，不同的电子排布方式使得元素呈现出不同的物理和化学性质。 探究二、原子结构模型 （一）卢瑟福的α粒子散射实验 1．提出问题：原子中有带负电的电子，但原子呈电中性，那么正电荷在哪？如何分布？介绍汤姆孙的“葡萄干布丁模型”。 1896年，法国科学家贝可勒尔(Antoine HenriBecquerel，1852—1908)发现了放射现象，并将一种带正电的射线称为α射线。随后，英国科学家卢瑟福(Ernest Rutherford，1871—1937，图19.2-2)对α射线进行了系统的研究，确认了α射线实际上就是高速运动的带2个单位正电荷的氦原子核，质量约为电子质量的7300倍。 2．呈现关键实验：介绍卢瑟福的α粒子散射实验。 1909年，卢瑟福的助手和学生多次用 轰击 ，发现绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了较大的偏转，并有极少数α粒子的偏转超过90°，甚至个别α粒子的偏转角度几乎达到180°仿佛被反弹回来。这就是物理学史上著名的 实验，又称 实验。 3．“现象-推理”攻坚战： 现象一：绝大多数α粒子穿过金箔后方向不变。 师生共议：这像用机枪扫射一张纸，绝大部分子弹穿过。说明什么？ 现象二：极少数α粒子发生大角度偏转，甚至被弹回。 小组讨论：这像一颗子弹打在一个极小而坚硬的铁核上被弹回。说明了什么？ 4．引出模型：由此，卢瑟福提出了原子的 模型—— 模型 （二）核式结构模型 1919年， 用α粒子轰击 ，发现了 的 。1932年， (James Chadwick，1891—1974)发现带 电的 。由此确定了原子核是由 和 组成的。 原子的构成： （三）粒子家族 【讨论】原子核是否可分？简介质子、中子的发现，完善原子结构。 追问：质子、中子是否最基本？引出夸克模型，介绍六种夸克。 梳理“分子→原子→原子核→核子→夸克”的物质结构层次。 随着科学技术的发展，人们很快从实验中陆续发现了许多微观粒子，除了电子、质子、中子，还有介子和超子。物理学家们开始怀疑，包括质子、中子在内的这些粒子很可能仍然具有复杂的内部结构。 1964年，美国物理学家盖尔曼(Murray Gell-Mann，1929—2019)提出了夸克模型：质子、中子、介子、超子等都由三种基础粒子组成，即上夸克、下夸克和奇异夸克。1974年，美国华裔科学家丁肇中(1936—)在实验室发现一种新粒子，表明还存在一种新夸克——粲夸克。此后的一些实验又发现了底夸克和顶夸克。到目前为止，人们已从实验室中发现了6种夸克及其反夸克存在的证据。 如今，人们已经发现组成物质世界的粒子可以分为三大家族：夸克家族、轻子家族，以及与相互作用有关的规范玻色子家族。虽然人们已经建立了粒子物理的标准模型，但科学家们对物质微观结构的研究并没有停止。 探究三、纳米科技 （一）了解更小的微粒 【想一想】如图19.2-4所示，原子、原子核、电子、夸克等微观粒子的尺度都小于10-9 m。我们了解这些如此微小的粒子有什么现实意义? （二）纳米材料 我们把10-9m称作 ，用符号 表示。纳米是长度单位，10个氢原子排成一排的长度大约是1nm。纳米科技是指在 尺度上研究物质的 与相 ，以及利用这些特性的科学技术(图19.2-5)。纳米科技的灵感来自美国物理学家费恩曼(Richard Phillips Feynman，1918—1988)的一次演讲。 20世纪80年代初，科学家发明了研究纳米科技的重要工具—— 显微镜，使人们可以直观地观察到单个原子，从而揭示了一个可见的原子、分子世界，对纳米科技的发展产生了积极的促进作用。 20世纪80年代中期，我国开始积极参与纳米科技的基础研究和应用研究。1993年，中国科学院北京真空物理实验室操纵原子成功写出“ ”字样。经过几十年的发展，我国科学家在纳米科技领域取得了一系列重要的科研成果(图19.2-6),我国已成为当今世界纳米科技进步的重要贡献者和纳米前沿技术研发大国之一。 当前纳米技术的研究与应用主要在材料和制备、微电子和计算机技术、国家安全、医学与健康、航天和航空、环境和能源、生物技术和农产品等方面，用纳米材料制作的器材质量更轻，硬度更强，寿命更长。纳米技术与纳米材料发挥着越来越大的作用。 1．定义：介绍纳米尺度（1-100 nm）。强调这正好是原子、分子团簇的尺度。 2．应用：展示纳米技术在材料（更轻更强）、医学（靶向给药）、电子（芯片）等领域的革命性应用。 3．链接：指出正是对微观世界的深入研究，才催生了纳米科技等新领域。 （三）阅读与拓展 1．深情介绍赵忠尧先生的生平与贡献： （1）科学贡献：世界上首个观测到正电子的人，成果早于诺奖得主安德森。 （2）家国情怀：放弃国外优厚条件，回国开创中国核物理事业。 （3）大师之师：培养出钱三强、邓稼先、杨振宁、李政道等一大批顶尖人才。 2．引读其言：“唯一希望的就是祖国繁荣昌盛，科学发达。我们已经尽了自己的力量。” （四）实践与探索 1．用自己的语言向身边的人介绍在19世纪科学家是通过哪些关键的实验现象，论证电子是一种以前未知的新粒子的。 2．结合上一节对宇宙空间尺度的认识，用列表或画图的形式梳理物质世界不同结构层次对应的物质的尺度。 3．结合你在化学中学到的有关元素、原子的知识，画图描述一个碳原子的核式结构模型。 4．调查纳米科技的应用，并撰写一篇调查报告。 5．从书籍和互联网上更多地了解人类探索微观世界的历程，思考推动人类认识微观世界的动力，并与同学分享。 【课堂总结】 二、微观世界 【课堂练习】 1．在探索微观世界的历程中，人们首先发现了电子，进而认识到原子是由______和______组成的。 2．原子的核式结构模型是由物理学家______提出的。原子核是由______和中子组成的。 3．在α粒子散射实验中，少数α粒子发生了大角度偏转，其原因是（     ） A．原子中存在着带负电的电子 B．原子只能占整个原子体积的很小一部分 C．原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上 D．原子核是由质子和中子组成的 4．汤姆孙通过阴极射线实验发现了电子。请简述他是如何通过实验现象推断出阴极射线是带负电的粒子流的。 5．从“葡萄干布丁模型”到“核式结构模型”，模型的演变说明了科学的哪些特点？这对我们学习科学有什么启示？ 【课后反思】 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $ 二、微观世界（导学案） 【学习目标】 1．建立物质是由分子、原子、原子核、核子、夸克等微观粒子分层次构成的观念。知道原子核与电子间、质子与中子间存在相互作用，从而构成稳定的物质结构。 2．了解原子核式结构模型，了解模型在科学研究中的作用。 3．认识到科学是不断发展的、是建立在实验证据基础上的。了解中国科学家群体的卓越贡献与高尚品格，增强民族自豪感和科技报国的责任感。 【学习重点】 1．人类探索微观世界的历程，关键实验与对应发现。 2．原子的核式结构模型及其建立的实验依据。 【学习难点】 1．理解α粒子散射实验的现象与卢瑟福核式结构模型推论之间的逻辑关系。 2．建立“科学模型是基于实验证据的、不断发展的”这一科学本质观。 【自主预习】阅读教材，完成以下问题： 1．1897年，英国科学家汤姆孙发现了电子，证明了原子是可以再分的。电子带负电，质量极小。 2．卢瑟福用高速α粒子流轰击金箔，做了物理学史上著名的α粒子散射实验，又称金箔实验。 3．α粒子散射实验，表明原子内部绝大部分是空空如也的空间。原子内部存在一个质量很大、体积很小、带正电的东西。卢瑟福称之为原子核。 4．由此，卢瑟福提出了原子的核式结构模型——行星模型 5．1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮核，发现了带正电的质子。1932年，查德威克(James Chadwick，1891—1974)发现了不带电的中子。由此确定了原子核是由质子和中子组成的。 6．我们把10-9m称作纳米，用符号nm表示。纳米是长度单位，10个氢原子排成一排的长度大约是1nm。纳米科技是指在纳米尺度上研究物质的特性与相互作用。 7．当前纳米技术的研究与应用主要在材料和制备、微电子和计算机技术、国家安全、医学与健康、航天和航空、环境和能源、生物技术和农产品等方面。 8．阅读教材，了解我国科学家的风骨与担当。 【探究新知】 探究一、电子的发现 （一）电子的发现历程 【议一议】查阅资料，与同学交流分享科学家何时、通过什么实验发现了何种微观粒子。 1．展示阴极射线管图片，简述实验现象。 19世纪中期，人们制作了阴极射线管(图19.2-1)，当两极间加上高电压，阴极就发射出一种射线，这种射线被称为阴极射线。 1897年，英国科学家汤姆孙(Joseph John Thomson，1856—1940)发现阴极射线在电场和磁场的作用下可以发生偏转，偏转方向与带负电的粒子相同，这表明阴极射线是一种带负电的粒子流。接着他又和他的学生一起，测量出这种粒子所带的电荷与从电解质中得到的氢离子的电荷在数量上相等，而这种粒子的质量还不到氢离子的千分之一。由此他确认，这是一种比氢原子还要小得多的带负电的粒子。 2．思考讨论：汤姆孙面对这一束“阴极射线”，他是如何一步步探究其本质的？ （1）它在电场/磁场中会偏转，是什么？ 带电粒子流 （2）偏转方向与负电荷相同，带什么电？ 负电 （3）测其荷质比，远大于氢离子，意味着什么？ 质量极小 （二）电子 1．电子是组成物质的原子中的一种带负电的微粒。 发现电子，证明原子是可分的！ “电子”是人类发现的第一个亚原子粒子。 2．电子的特点（拓展） （1）带电量固定且最小，其电荷量被定义为元电荷，数值约为1.602×10-19库仑，所有带电体的电荷量都是这个数值的整数倍。 （2）质量非常小，静止质量约为9.109×10-31千克，仅为质子质量的约1/1836，因此在研究原子结构等微观现象时，其质量有时可忽略不计。 （3）通常围绕原子核做高速运动，其运动状态决定了原子的化学性质和光谱特征，不同的电子排布方式使得元素呈现出不同的物理和化学性质。 探究二、原子结构模型 （一）卢瑟福的α粒子散射实验 1．提出问题：原子中有带负电的电子，但原子呈电中性，那么正电荷在哪？如何分布？介绍汤姆孙的“葡萄干布丁模型”。 1896年，法国科学家贝可勒尔(Antoine HenriBecquerel，1852—1908)发现了放射现象，并将一种带正电的射线称为α射线。随后，英国科学家卢瑟福(Ernest Rutherford，1871—1937，图19.2-2)对α射线进行了系统的研究，确认了α射线实际上就是高速运动的带2个单位正电荷的氦原子核，质量约为电子质量的7300倍。 2．呈现关键实验：介绍卢瑟福的α粒子散射实验。 1909年，卢瑟福的助手和学生多次用高速α粒子流轰击金箔，发现绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了较大的偏转，并有极少数α粒子的偏转超过90°，甚至个别α粒子的偏转角度几乎达到180°仿佛被反弹回来。这就是物理学史上著名的α粒子散射实验，又称金箔实验。 3．“现象-推理”攻坚战： 现象一：绝大多数α粒子穿过金箔后方向不变。 师生共议：这像用机枪扫射一张纸，绝大部分子弹穿过。说明什么？ 原子内部绝大部分是空空如也的空间。 现象二：极少数α粒子发生大角度偏转，甚至被弹回。 小组讨论：这像一颗子弹打在一个极小而坚硬的铁核上被弹回。说明了什么？ 说明原子内部存在一个质量很大、体积很小、带正电的东西。卢瑟福称之为原子核。 4．引出模型：由此，卢瑟福提出了原子的核式结构模型——行星模型 （二）核式结构模型 1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮核，发现了带正电的质子。1932年，查德威克(James Chadwick，1891—1974)发现了不带电的中子。由此确定了原子核是由质子和中子组成的。 原子的构成： （三）粒子家族 【讨论】原子核是否可分？简介质子、中子的发现，完善原子结构。 追问：质子、中子是否最基本？引出夸克模型，介绍六种夸克。 与学生一起梳理“分子→原子→原子核→核子→夸克”的物质结构层次。 随着科学技术的发展，人们很快从实验中陆续发现了许多微观粒子，除了电子、质子、中子，还有介子和超子。物理学家们开始怀疑，包括质子、中子在内的这些粒子很可能仍然具有复杂的内部结构。 1964年，美国物理学家盖尔曼(Murray Gell-Mann，1929—2019)提出了夸克模型：质子、中子、介子、超子等都由三种基础粒子组成，即上夸克、下夸克和奇异夸克。1974年，美国华裔科学家丁肇中(1936—)在实验室发现一种新粒子，表明还存在一种新夸克——粲夸克。此后的一些实验又发现了底夸克和顶夸克。到目前为止，人们已从实验室中发现了6种夸克及其反夸克存在的证据。 如今，人们已经发现组成物质世界的粒子可以分为三大家族：夸克家族、轻子家族，以及与相互作用有关的规范玻色子家族。虽然人们已经建立了粒子物理的标准模型，但科学家们对物质微观结构的研究并没有停止。 探究三、纳米科技 （一）了解更小的微粒 【想一想】如图19.2-4所示，原子、原子核、电子、夸克等微观粒子的尺度都小于10-9 m。我们了解这些如此微小的粒子有什么现实意义? 这些微观粒子的研究不仅深化了人类对物质本质的认知，更为现代科技的发展提供了重要的理论基础和技术支撑。例如，对原子结构的深入探索催生了半导体技术，使得计算机芯片的制程不断突破，推动了信息技术的飞速进步；而对夸克等基本粒子的研究，则有助于揭示宇宙的起源和演化规律，为新能源开发、新材料研发等领域提供了全新的思路。同时，在医学领域，基于微观粒子特性的成像技术和靶向治疗方法，正在不断提升疾病诊断与治疗的精准度，为人类健康带来福祉。 （二）纳米材料 我们把10-9m称作纳米，用符号nm表示。纳米是长度单位，10个氢原子排成一排的长度大约是1nm。纳米科技是指在纳米尺度上研究物质的特性与相互作用，以及利用这些特性的科学技术(图19.2-5)。纳米科技的灵感来自美国物理学家费恩曼(Richard Phillips Feynman，1918—1988)的一次演讲。 20世纪80年代初，科学家发明了研究纳米科技的重要工具——扫描隧道显微镜，使人们可以直观地观察到单个原子，从而揭示了一个可见的原子、分子世界，对纳米科技的发展产生了积极的促进作用。 20世纪80年代中期，我国开始积极参与纳米科技的基础研究和应用研究。1993年，中国科学院北京真空物理实验室操纵原子成功写出“中国”字样。经过几十年的发展，我国科学家在纳米科技领域取得了一系列重要的科研成果(图19.2-6),我国已成为当今世界纳米科技进步的重要贡献者和纳米前沿技术研发大国之一。 当前纳米技术的研究与应用主要在材料和制备、微电子和计算机技术、国家安全、医学与健康、航天和航空、环境和能源、生物技术和农产品等方面，用纳米材料制作的器材质量更轻，硬度更强，寿命更长。纳米技术与纳米材料发挥着越来越大的作用。 1．定义：介绍纳米尺度（1-100 nm）。强调这正好是原子、分子团簇的尺度。 2．应用：展示纳米技术在材料（更轻更强）、医学（靶向给药）、电子（芯片）等领域的革命性应用。 3．链接：指出正是对微观世界的深入研究，才催生了纳米科技等新领域。 （三）阅读与拓展 1．深情介绍赵忠尧先生的生平与贡献： （1）科学贡献：世界上首个观测到正电子的人，成果早于诺奖得主安德森。 （2）家国情怀：放弃国外优厚条件，回国开创中国核物理事业。 （3）大师之师：培养出钱三强、邓稼先、杨振宁、李政道等一大批顶尖人才。 2．引读其言：“唯一希望的就是祖国繁荣昌盛，科学发达。我们已经尽了自己的力量。” （四）实践与探索 1．用自己的语言向身边的人介绍在19世纪科学家是通过哪些关键的实验现象，论证电子是一种以前未知的新粒子的。 首先是阴极射线实验，科学家发现阴极射线能在电场和磁场中发生偏转，根据偏转方向和电磁学规律，判断出这种射线是由带负电的粒子组成；接着是汤姆孙通过测定阴极射线粒子的荷质比，发现其荷质比远大于当时已知的任何原子或分子的荷质比，且与阴极材料无关，这表明它是一种比原子更小的基本粒子；随后，密立根油滴实验精确测量出了电子的电荷量，结合汤姆孙的荷质比数据，进一步确定了电子的质量，从而确凿地证明电子是一种此前从未被发现的新粒子。这些实验层层递进，从现象观察到定量分析，最终揭开了电子的神秘面纱，为原子结构理论的发展奠定了坚实基础。 2．结合上一节对宇宙空间尺度的认识，用列表或画图的形式梳理物质世界不同结构层次对应的物质的尺度。 以下是物质世界不同结构层次对应的物质尺度梳理（从微观到宏观）： 夸克：约10-18米 质子/中子：约10-15米 原子核：直径约10-15 - 10-14米 原子：直径约10-10米（以氢原子为例，约0.1纳米） 分子：直径约10-10 - 10-9米（如水分子约0.3纳米，蛋白质分子可达数十纳米） 病毒：直径约10-8 - 10-7米（如新冠病毒约100纳米） 细胞：直径约10-6 - 10-3米（动物细胞约10 - 30微米，植物细胞约10 - 100微米） 生物体：从微米级（如单细胞生物）到数十米（如大型动物、树木） 地球：直径约1.27×107米 太阳系：以冥王星轨道为边界约1013米（100天文单位） 银河系：直径约1021米（约10万光年） 星系团：直径可达1023 - 1024米 可观测宇宙：直径约9.3×1026米（约930亿光年） 3．结合你在化学中学到的有关元素、原子的知识，画图描述一个碳原子的核式结构模型。 在画碳原子的核式结构模型时，可先画一个带正电的原子核，位于模型中心，其半径极小，仅约原子半径的十万分之一。原子核内有6个带正电的质子和6个不带电的中子，它们依靠强相互作用紧密结合在一起。在原子核外，有6个带负电的电子围绕原子核做高速运动，这些电子分布在不同的电子层上，第一层（K层）有2个电子，第二层（L层）有4个电子，电子的运动轨迹并非固定的圆形轨道，而是在一定空间范围内出现的概率区域，即电子云，但为了直观展示，通常用同心圆表示电子层，并用小黑点或小圆圈代表电子在各层上的分布。整个模型中，原子核与电子之间存在巨大的空隙，电子所带的负电荷总量与原子核内质子所带的正电荷总量相等，使整个碳原子呈电中性。 4．调查纳米科技的应用，并撰写一篇调查报告。 在进行调查时，首先可以确定调查的范围和方向，比如纳米科技在材料科学、医学、能源、环境治理等领域的具体应用。接着，通过查阅学术期刊、行业报告、权威网站等渠道收集相关资料，了解不同领域中纳米技术的最新研究成果和实际应用案例，例如在材料科学中，纳米材料因具有独特的力学、电学和光学性能，被广泛应用于制造高强度合金、高效催化剂和柔性电子器件；在医学领域，纳米药物载体能够精准靶向病变细胞，提高药物疗效并减少副作用，纳米传感器则可用于疾病的早期诊断。同时，还需要关注这些应用所面临的挑战，如纳米材料的生物安全性、大规模生产的成本控制以及技术转化过程中的难题等。在收集完足够的资料后，对信息进行整理和分析，按照不同应用领域分类归纳，总结纳米科技应用的现状、发展趋势以及存在的问题，并在报告中提出针对性的建议，比如加强纳米材料安全性研究、加大政策扶持力度以促进技术产业化等。最后，按照调查报告的规范格式，包括摘要、引言、正文（分领域阐述）、结论与建议等部分进行撰写，确保报告内容详实、逻辑清晰、数据准确，能够全面反映纳米科技应用的当前状况和未来前景。 5．从书籍和互联网上更多地了解人类探索微观世界的历程，思考推动人类认识微观世界的动力，并与同学分享。 人类对微观世界的探索最早可追溯到古希腊时期，德谟克利特提出的“原子论”为这一领域奠定了哲学基础。随着科学技术的不断进步，17世纪显微镜的发明让人类首次观察到细胞和微生物，开启了对微观世界的实证研究。19世纪，道尔顿的原子学说、门捷列夫的元素周期律等理论成果，进一步揭示了物质的微观构成规律。进入20世纪，量子力学的建立使人类对微观粒子的运动规律有了全新的认识，扫描隧道显微镜的发明更是让科学家能够直接观测和操纵原子、分子，实现了从“观察”到“调控”的跨越。推动人类认识微观世界的动力，首先源于对自然现象的好奇与求知欲，人们渴望了解物质的本质和变化规律；其次是生产实践的需求，例如工业发展对新材料性能的要求促使科学家深入研究物质的微观结构与宏观性质之间的关系；此外，科学理论自身的发展也起到了关键作用，当现有理论无法解释新的实验现象时，就会推动科学家提出新的假说和理论，从而拓展对微观世界的认知边界。在与同学分享的过程中，可以结合具体的科学史案例，如汤姆逊发现电子、卢瑟福的α粒子散射实验等，感受科学家们在探索过程中展现出的勇于质疑、大胆创新的科学精神，同时探讨现代科技如纳米技术、量子计算等对微观世界探索的新挑战与新机遇。 【课堂总结】 二、微观世界 【课堂练习】 1．在探索微观世界的历程中，人们首先发现了电子，进而认识到原子是由______和______组成的。 【答案】原子核，电子 【解析】原子是化学变化中的最小微粒，但其内部具有复杂的结构。19世纪末，汤姆逊发现了电子，这一发现揭示了原子并非不可分割的实心球体。随后，卢瑟福通过α粒子散射实验提出了原子核式结构模型，该模型认为原子中心有一个体积很小、质量很大且带正电的原子核，而带负电的电子则在原子核外绕核运动。因此，原子是由位于中心的原子核和核外电子组成的，原子核带正电，电子带负电，整个原子呈电中性。这一认识是人类探索微观世界的重要里程碑，为后续研究原子核的结构以及量子力学的发展奠定了基础。 2．原子的核式结构模型是由物理学家______提出的。原子核是由______和中子组成的。 【答案】卢瑟福，质子 【解析】在原子结构的研究史上，卢瑟福的α粒子散射实验具有里程碑意义。他用α粒子轰击金箔，发现绝大多数α粒子能顺利穿过，少数发生较大偏转，极少数甚至被反弹回来。基于这一实验现象，卢瑟福大胆提出了原子核式结构模型，认为原子的质量几乎全部集中在带正电的原子核上，电子在核外空间绕核做高速运动。而原子核虽体积很小，其内部仍有复杂结构，后来的研究发现，原子核是由带正电的质子和不带电的中子组成的，质子和中子统称为核子，它们通过核力紧密结合在一起，这种结构的发现进一步深化了人类对微观世界的认识，为后续核物理的研究开辟了新的方向。 3．在α粒子散射实验中，少数α粒子发生了大角度偏转，其原因是（    ） A．原子中存在着带负电的电子 B．原子只能占整个原子体积的很小一部分 C．原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上 D．原子核是由质子和中子组成的 【答案】C 【解析】在α粒子散射实验中，α粒子带正电，当它们穿过原子时，若原子的正电荷均匀分布，根据库仑定律，α粒子所受的库仑斥力会较为分散，不会出现大角度偏转。而实验中少数α粒子发生大角度偏转，甚至被反弹，这表明原子内部存在一个带正电且质量很大的“硬核”。选项A中电子带负电，其质量极小，对α粒子的库仑引力不足以使α粒子发生大角度偏转；选项B仅提及原子核体积小，但未说明正电荷和质量的集中情况，无法解释偏转原因；选项D描述的是原子核的组成，与α粒子发生大角度偏转的直接原因无关。只有当原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上时，靠近原子核的α粒子才会受到强大的库仑斥力，从而发生大角度偏转，故该题答案选C。这一现象也有力地支持了卢瑟福提出的原子核式结构模型，即原子中心有一个体积很小但质量很大的原子核，核外电子在其周围运动。 4．汤姆孙通过阴极射线实验发现了电子。请简述他是如何通过实验现象推断出阴极射线是带负电的粒子流的。 【答案】答：因为他发现阴极射线在电场和磁场中发生了偏转，且偏转方向与带负电的粒子相同，从而推断出它是一种带负电的粒子流。 【解析】汤姆孙在实验中，首先让阴极射线通过一个电场。他观察到阴极射线会向电场的正极方向偏转，这表明阴极射线所带电荷的性质与电场正极相反，即带负电。接着，他又在阴极射线的路径上施加了磁场，发现射线在磁场中也发生了偏转，通过对偏转方向的分析，并结合左手定则等电磁学知识，进一步确认了这种偏转符合带负电粒子在磁场中的运动规律。此外，他还通过控制电场和磁场的强度，使得阴极射线在电磁场的共同作用下不发生偏转（即电场力与洛伦兹力平衡），从而根据已知的电场强度和磁场强度计算出了阴极射线粒子的比荷（电荷量与质量之比）。综合以上实验现象和定量分析，汤姆孙排除了阴极射线是电磁波等其他可能性，最终推断出阴极射线是由带负电的粒子组成的粒子流，并将这种粒子命名为电子。这一发现打破了当时人们认为原子是不可再分的最小微粒的观念，为原子结构的研究奠定了重要基础。 5．从“葡萄干布丁模型”到“核式结构模型”，模型的演变说明了科学的哪些特点？这对我们学习科学有什么启示？ 【答案】答：说明了科学模型是建立在实验证据基础上的；科学是不断发展和完善的，没有绝对真理；我们要敢于质疑，勇于探索，用实验证据来检验和修正我们的认识。 【解析】科学模型的演变本质上是人类对自然规律认知逐步深化的过程。“葡萄干布丁模型”在当时能解释一些初步的实验现象，比如原子整体呈电中性，但随着α粒子散射实验等新证据的出现，它无法解释粒子大角度偏转的现象，因此被“核式结构模型”所取代。这体现了科学具有开放性和包容性，旧模型并非完全错误，而是在特定历史条件下对真理的阶段性逼近，新模型则是在继承和批判旧模型的基础上发展而来。在学习科学时，我们不能满足于已有的知识和理论，要认识到科学探索是一个永无止境的过程，就像科学家们在面对新的实验结果时，能够勇敢地挑战权威、修正甚至推翻原有假设，以更符合客观事实的理论来指导后续研究。同时，每一次模型的更新都离不开严谨的实验设计和精确的数据分析，这启示我们在学习中要注重实践，通过观察、实验和推理来获取知识，培养实证精神和批判性思维，不盲从、不迷信，始终保持对未知世界的好奇心和探索欲。 【课后反思】 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $