4.3 原子的核式结构模型 学案 -2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

该高中物理导学案聚焦“原子的核式结构模型”，引导学生了解汤姆孙电子研究方法，通过阴极射线管演示实验引发问题，连接电子发现与原子结构猜想，构建“实验现象-模型假设-实验验证”的学习支架。 以科学探究为主线，通过α粒子散射实验分析培养科学思维，设计阶梯式问题链促进模型建构，检测反馈覆盖原子组成、核电荷数关系等物理观念，助力学生形成物质观念和科学论证能力。

4.3原子的核式结构模型 学案 2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册 学号： 班级： 姓名： 【学习目标】 1. 了解汤姆孙研究电子的方法． 2. 知道原子的核式结构模型，理解该模型提出的主要思想． 3. 知道原子的组成，了解原子核和原子大小的数量级． 【活动方案】 1. 在如图所示的演示实验中，K是金属板制成的阴极，A是金属环制成的阳极．K和A之间加上近万伏的高电压后，管端玻璃壁上能观察到淡淡的荧光及管中物体在玻璃壁上的影，该现象说明了什么问题？ 2. 人们对阴极射线的本质的认识有两种观点，一种观点认为是一种电磁波，另一种观点认为是带电微粒，你认为应如何判断哪种观点正确？ 3. 阅读教材，概述汤姆孙研究阴极射线的方法及结论，并了解密立根油滴实验． 4. 阴极射线从阴极射线管中的阴极发出，在其间的高电压下加速飞向阳极，如图所示．若要使射线向上偏转，所加磁场的方向应为(　　) A. 平行于纸面向左 B. 平行于纸面向上 C. 垂直于纸面向外 D. 垂直于纸面向里 1. 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．那么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？带着猜想，阅读教材，回答问题：汤姆孙于1898年提出的西瓜模型或枣糕模型中，正负电荷是怎样分布的？后来该模型被哪个实验否定了？ 2. α粒子散射实验 (1)实验装置图如图所示，思考： ①什么是α粒子？为何选用α粒子来做实验？ ②实验装置中用到哪些器材？有何作用？ ③在α粒子散射实验中，为什么不用铁板、纸张、铅箔，而是用“金箔”呢？实验中利用了金箔的哪些特性？ ④α粒子散射实验的装置必须置于真空中吗？ (2)写出α粒子散射实验的现象． ①绝大多数的α粒子________________________________________________； ②少数α粒子发生了______________________________________； ③极少数α粒子____________________________________________________． (3)对实验结果进行分析与理解． ①若按照汤姆孙的原子模型，正电荷均匀分布在整个原子球体内．则α粒子穿过金箔，受到电荷的作用力后，沿哪些方向前进的可能性较大，最不可能沿哪些方向前进？ ②电子会不会使α粒子的速度发生明显的改变？ ③汤姆孙的原子模型不能解释少数α粒子发生了大角度偏转，甚至反弹回来这一实验现象，表明这些少数α粒子在原子中运动时受到了质量、电荷量均比它本身大得多的物体的作用．而绝大多数α粒子在穿过厚厚的金原子层时运动方向没有明显变化，这些表明了原子应该具有怎样的结构？ (4)原子的核式结构模型 ①卢瑟福通过α粒子散射实验，否定了汤姆孙的“枣糕”原子模型，提出了新的原子核式结构模型，原子核式结构模型具体内容是什么？ ②结合右图，用原子的核式结构模型对α粒子散射实验的下列结果进行合理的解释：绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进；少数α粒子发生大角度偏转，极少数α粒子正对着原子核射来，偏转角几乎达到180°. 3. 如图所示为卢瑟福和他的学生们做α粒子散射实验的装置示意图．荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时，关于观察到的现象，下列说法中正确的是(　　) A. 相同的时间内放在A位置时观察到屏上的闪光次数极少 B. 相同的时间内放在B位置时观察到屏上的闪光次数只比放在A位置时稍少些 C. 放在C、D位置时屏上观察不到闪光 D. 放在D位置时屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少 4. 关于α粒子散射实验，下列说法中正确的是(　　) A. 在实验中，观察到的现象是：所有α粒子穿过金箔后，仍沿原来的方向前进 B. 使α粒子发生明显偏转的力来自带正电的原子核和核外电子，当α粒子接近原子核时，是原子核的斥力使α粒子发生明显偏转；当α粒子接近电子时，是电子的吸引力使之发生明显偏转 C. 实验表明：原子中心有一个极小的核，它占有原子体积极小的一部分 D. 实验表明：原子中心的核带有原子的全部正电荷和全部原子的质量 α粒子散射可以确定原子核的电荷量和估算原子核的半径．阅读下列材料，回答问题： 原子核极小，它的直径在10-15～10-14 m之间，体积只占原子体积的几千亿分之一，在这极小的原子核里却集中了99.96% 以上原子的质量．原子核的密度极大，核密度约为1017 kg/m3，即 1 m3的体积若装满原子核，其质量将达到1014 t，即一百万亿吨．原子核的能量极大，构成原子核的质子和中子之间存在着巨大的吸引力，能克服质子之间所带正电荷的斥力而结合成原子核，使原子在化学反应中原子核不发生分裂．当一些原子核发生裂变（原子核分裂为两个或更多的核）或聚变（轻原子核相遇时结合成为重核）时，会释放出巨大的原子核能，即原子能（例如核能发电）.整个原子不显电性，呈中性． 1. 原子内的电荷关系：原子核的电荷数与核外的　　　　数相等． 2. 原子核的组成：原子核由　　　　和　　　　组成，原子核的电荷数等于原子核的质子数． 3. 原子核的大小：原子的半径数量级为　　　　m，原子核半径的数量级为 　　　　m. 4. 关于原子的核式结构模型，下列说法中正确的是(　　) A. 原子中的电子和原子核均匀分布 B. 电子在核外绕核旋转的向心力是原子核对它的库仑力 C. 原子的全部电荷和全部质量都集中在原子核里 D. 原子核的半径的数量级是10-10 m 【检测反馈】 1. 英国物理学家汤姆孙对阴极射线进行了一系列实验研究，下列说法正确的是(　　) A. 阴极射线在电场中偏向负极板一侧 B. 阴极射线在磁场中受力情况跟正电荷受力情况相同 C. 不同材料所产生的阴极射线的比荷不同 D. 汤姆孙并未得出阴极射线粒子的电荷量 2. 关于阴极射线的性质，判断正确的是(　　) A. 阴极射线可能是正电子　 B. 阴极射线带正电 C. 阴极射线的比荷比氢原子核比荷大 D. 阴极射线的比荷比氢原子核比荷小 3. 密立根油滴实验原理如图所示，两块水平放置的金属板分别与电源的正负极相接，板间电压为U，形成竖直向下、场强为E的匀强电场．用喷雾器从上板中间的小孔喷入大小、质量和电荷量各不相同的油滴．通过显微镜可找到悬浮不动的油滴，若此悬浮油滴的质量为m，重力加速度为g，则下列说法中正确的是(　　) A. 悬浮油滴带正电　 B. 悬浮油滴的电荷量为 C. 增大场强，悬浮油滴将向上运动　 D. 油滴的电荷量不一定是电子电荷量的整数倍 （第3题） （第4题） 4. 如图所示是阴极射线显像管及其偏转线圈的示意图，显像管中有一个阴极，工作时它能发射阴极射线，荧光屏被阴极射线轰击就能发光．安装在管颈的偏转线圈产生偏转磁场，可以使阴极射线发生偏转，下列说法中正确的是(　　) A. 如果偏转线圈没有电流，则阴极射线可能打在荧光屏上的B点 B. 如果要使阴极射线在竖直方向偏离中心，打在荧光屏上A点，则偏转磁场的磁感应强度的方向应该垂直纸面向里 C. 如果要使阴极射线在竖直方向偏离中心，打在荧光屏上B点，则偏转磁场的磁感应强度的方向应该垂直纸面向里 D. 如果要使阴极射线在荧光屏上的位置由B点向A点移动，则偏转磁场的磁感应强度应该先由小到大，再由大到小 5. 关于α粒子散射实验，下列说法错误的是(　　) A. 该实验在真空环境中进行 B. 带有荧光屏的显微镜可以在水平面内的不同方向上转动 C. 荧光屏上的闪光是散射的α粒子打在荧光屏上形成的 D. 荧光屏只有正对α粒子源发出的射线方向上才有闪光 6. 卢瑟福的α粒子散射实验的结果显示了(　　) A. 原子内存在电子 B. 原子的大小为10-10 m C. 原子的正电荷均匀分布在它的全部体积上 D. 原子的正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里 7. 在α粒子的散射实验中，使少数α粒子发生大角度偏转的作用力是原子核对α粒子的(　　) A. 万有引力 B. 库仑力　 C. 磁场力　 D. 核力 8. 在α粒子散射实验中，不考虑电子和α粒子的碰撞影响，这是因为(　　) A. α粒子与电子根本无相互作用 B. α粒子受电子作用的合力为零，是因为电子是均匀分布的 C. α粒子和电子碰撞损失能量极少，可忽略不计 D. 电子很小，α粒子碰撞不到电子 9. 在α粒子散射实验中，当在α粒子最接近原子核时，关于α粒子的描述正确的是(　　) A. 动能最大 B. 势能最小 C. α粒子与金原子核组成的系统能量最小 D. α粒子所受金原子核的斥力最大 10. 在α粒子穿过金箔发生大角度偏转的过程中，下列说法中正确的是(　　) A. α粒子先受到原子核的斥力作用，后受到原子核的引力作用 B. α粒子一直受到原子核的斥力作用 C. α粒子先受到原子核的引力作用，后受到原子核的斥力作用 D. α粒子一直受到库仑斥力，速度一直减小 11. 如图所示为α粒子散射实验中α粒子穿过某一金属原子核附近时的示意图，A、B、C三点分别位于两个等势面上，则以下说法正确的是(　　) A. α粒子在A处的速度比在B处的速度小 B. α粒子在B处的速度最大 C. α粒子在A、C处的速度大小相等 D. α粒子在B处速度比在C处速度大 （第11题） （第12题） 12. 根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型，图中虚线表示原子核所形成的电场的等势线，实线表示一个α粒子的运动轨迹．在α粒子从a运动到b、再运动到c的过程中，下列说法中正确的是(　　) A. 动能先增大，后减小 B. 电势能先减小，后增大 C. 电场力先做负功，后做正功，总功等于零 D. 加速度先变小，后变大 【参考答案】 【活动方案】 活动一： 1. 说明阴极能够发出某种射线(称为阴极射线)，并且撞击玻璃引起荧光． 2. 可以让阴极射线通过电场或磁场，若射线垂直于磁场(电场)方向射入之后发生了偏转，则说明该射线是由带电微粒组成的． 3. 汤姆孙利用气体放电管，根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况，发现不同物质都能发射这种带电粒子，并测得粒子的比荷，并将这种粒子称为电子．汤姆孙是公认的电子的发现者． 4. C　由于阴极射线的本质是电子流，阴极射线方向向右，说明电子的运动方向向右，相当于存在向左的电流，利用左手定则，为使电子所受洛伦兹力方向平行于纸面向上，磁场方向应为垂直于纸面向外，故C正确． 活动二： 1. 他认为原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌在球中．模型被α粒子散射实验否定了． 2. (1)①α粒子：从放射性物质中发射出来的快速运动的粒子，带有2单位的正电荷，质量为氢原子质量的4倍、电子质量的7 300倍．电子的质量远小于α粒子，对α粒子的运动影响完全可以忽略，α粒子在穿过原子时，受到各方向正电荷的斥力基本上会相互平衡，对α粒子运动方向的影响不会很大．　②放射源：钋放在带小孔的铅盒中，能放射粒子．金箔：被轰击的对象，厚度小．显微镜：能够围绕金箔在水平面内转到不同的方向，对散射的α粒子进行观察．荧光屏：玻璃片上涂有荧光物质硫化锌，装在显微镜上，可以记录在某一时间内某一方向散射的α粒子数． ③金的延展性好，核电荷量大，核质量大．　④是的． (2)①基本上仍沿原来的方向前进　②大角度偏转　③偏转角度甚至大于90°，甚至有个别粒子几乎被“撞了回来” (3)①按照汤姆孙的“枣糕”原子模型，α粒子如果从原子之间或原子的中心线穿过时，它受到周围的正负电荷作用的库仑力是平衡的，α粒子不产生偏转；如果α粒子偏离原子的中心轴线穿过，两侧电荷作用的库仑力相当于一部分被抵消，α粒子偏转很小，更不可能使它反弹．　②如果α粒子正对着电子射来，质量远小于α粒子的电子不可能使α粒子发生明显偏转，更不可能使它反弹．所以α粒子的散射实验结果否定了汤姆孙的原子模型．　③说明原子中绝大部分是空的，原子的正电荷和几乎全部质量都集中在体积很小的核内． (4)①1911年由卢瑟福提出，原子中带正电的部分体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动．　②当绝大多数α粒子穿过原子时，如果离核较远，受到原子核的斥力很小，而原子核体积很小，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，发生大角度偏转，这种机会很少，所以有少数粒子发生了大角度偏转．极少数粒子的偏转角度甚至大于90°，但这种机会更少． 3. D　由α粒子散射实验的结论：绝大多数α粒子仍沿原方向运动，少数α粒子运动方向发生改变，极少数α粒子运动方向发生大角度的偏转，甚至是180°.由A、B、C、D的位置可知绝大多数α粒子打到A位置的荧光屏上，少数α粒子打到B位置的荧光屏上，而极少数α粒子能打到C、D位置的荧光屏上，故D正确． 4. C 活动三： 1. 电子 2. 质子　中子 3. 10-10　10-15 4. B　因为原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内，而原子核又很小，所以原子内绝大部分区域是“空”的，A、C错误；电子绕原子核的圆周运动是原子核与电子间的库仑引力提供向心力，B正确；原子核半径的数量级是10-15 m，原子半径的数量级是10-10 m，D错误． 【检测反馈】 1. D　阴极射线实质上就是高速电子流，所以在电场中偏向正极板一侧，A错误；由于电子带负电，所以其在磁场中受力情况与正电荷不同，B错误；不同材料所产生的阴极射线都是电子流，所以它们的比荷是相同的，C错误；在汤姆孙实验证实阴极射线就是带负电的电子流时并未得出电子的电荷量，最早测出电子电荷量的是美国物理学家密立根，D正确． 2. C 3. C　带电油滴在两板间静止时，所受电场力向上，应带负电，A错误；qE＝mg，所以q＝，B错误；当E变大时，qE变大，合力向上，油滴向上运动，C正确；任何带电体的电荷量都是电子电荷量的整数倍，D错误． 4. C　如果偏转线圈中没有电流，则阴极射线沿直线运动，打在O点，A错误；由阴极射线的电性及左手定则可知B错误，C正确；由R＝ 可知，B越小，R越大，故磁感应强度应先由大变小，再由小变大，故D错误． 5. D 6. D　根据α粒子散射实验现象，绝大多数α粒子穿过金箔后沿原来的方向前进，少数发生较大的偏转，极少数偏转角几乎到180°，可知A、C错误，而实验结果不能判定原子的大小为10-10 m，故B错误，D正确． 7. B　在α粒子散射实验中，粒子间的主要作用力是库仑力．故B正确． 8. C　α粒子与电子之间存在着相互作用力，这个作用力是库仑引力，但由于电子质量很小，碰撞时电子对α粒子的运动影响极小，几乎不改变其运动方向，故C正确． 9. D　α粒子和金原子核都带正电，库仑力表现为斥力，两者距离减小时，库仑力做负功，故α粒子动能减小，电势能增加；系统的能量守恒，由库仑定律可知随着距离的减小，库仑斥力逐渐增大．故D正确． 10. B　α粒子被金原子核散射的过程一直受到原子核对α粒子的库仑斥力作用，靠近过程库仑斥力做负功，α粒子动能减小，电势能增大；远离过程库仑斥力做正功，α粒子动能增大，电势能减小．所以散射过程中α粒子一直受到库仑斥力作用，α粒子的速度先减小后增大，故B正确． 11. C 12. C　α粒子从a点经b点到达等势点c的过程中电场力先做负功，后做正功，α粒子的电势能先增加，后减小，动能先减小，后增大，回到同一等势线上时，电场力做的总功为零，故C正确． 学科网（北京）股份有限公司 $