第二节 原子的核式结构模型（教学设计）物理沪科版选择性必修第三册

第2节 原子的核式结构模型（教学设计） 年级 高二年级 学科 物理 教师 课题 第二节 原子的核式结构模型 教学 目标 物理观念 1. 知道原子结构探索历程，理解枣糕模型与核式结构模型的核心内容，建立原子 “核式结构” 的物理图景。 2. 掌握 α 粒子散射实验的现象、结论，明确原子核的位置、大小、电荷与质量分布特点。 3. 了解核式结构模型与经典电磁理论的矛盾，初步认识经典物理在微观领域的局限性。 科学思维 1. 通过对比枣糕模型与核式结构模型，培养模型建构、证据推理的科学思维。 2. 结合 α 粒子散射实验现象，分析原子内部结构，提升由宏观实验现象推导微观结构的逻辑推理能力。 3. 能辩证评价原子结构模型的演变，体会科学理论 “提出 — 验证 — 修正 — 完善” 的发展规律。 科学探究 1. 能复述 α 粒子散射实验的装置、过程与现象，基于实验现象提出对原子结构的猜想。 2. 经历 “实验观察 — 分析推理 — 建立模型 — 解释现象” 的探究过程，掌握物理学研究微观结构的基本方法。 3. 能结合实验数据，分析原子核体积、质量、电荷分布的特点，提升实验分析与论证能力。 科学态度 与责任 1. 感受科学家探索原子结构的艰辛历程，树立尊重实验事实、敢于质疑创新的科学态度。 2. 认识科学模型的相对性与发展性，体会人类对微观世界的认知是不断深入的。 3. 激发对微观物理世界的探究兴趣，体会物理研究对人类认识自然的重要意义。 教学重难点 教学重点： 1. 汤姆孙枣糕模型的核心内容与局限性。 2. α 粒子散射实验的装置、现象、结论。 3. 卢瑟福核式结构模型的建立、核心内容与物理意义。 教学难点： 1. 由 α 粒子散射实验现象推理原子内部结构的逻辑过程。 2. 理解原子核体积微小、质量与正电荷高度集中的特点。 3. 核式结构模型与经典电磁理论的矛盾分析。 教学过程 教师活动 学生活动 教学引入 【情境导入】 回顾旧知，提出问题 · 提问：物质由原子组成，19 世纪末人们发现了电子，打破了 “原子不可分割” 的观念。 · 追问：原子整体呈电中性，内部有带负电的电子，那么正电荷如何分布？原子内部究竟是什么结构？ 历史情境引入 讲述：19 世纪末至 20 世纪初，物理学家开启原子内部结构探索之旅，汤姆孙首先提出原子结构模型，引发科学界广泛讨论。 导入新课 引出本节课主题：原子的核式结构模型，一起沿着科学家的足迹，揭开原子内部的奥秘。 学生讨论：  观察思考 观看原子结构探索史料图片，思考：原子内部正、负电荷如何分布？  分组讨论 结合生活经验与已知知识，猜想原子内部可能的结构形态。  展示交流 小组代表发言，分享对原子结构的初步猜想，引出探究主题。 新课讲授 1. 探索起点：汤姆孙的枣糕模型 · 提出背景：1904 年，汤姆孙发现电子后，为解释原子呈电中性，提出原子结构的早期模型。 · 模型核心 1. 原子是一个带正电的均匀球体； 2. 带负电的电子像枣糕里的枣一样，镶嵌在正电球体中； 3. 正负电荷中和，原子整体呈电中性。 · 模型局限：能解释部分化学现象，但无法解释 α 粒子散射实验，为后续新模型的提出埋下伏笔。 2. 关键实验：α 粒子散射实验 · 实验目的：验证汤姆孙枣糕模型，探究原子内部电荷与质量的分布规律。 · 实验装置 1. 放射源：发射高速 α 粒子（带正电、质量大）； 2. 金箔：原子极薄，便于 α 粒子穿透； 3. 荧光屏 + 显微镜：观测 α 粒子散射后的闪光； 4. 真空容器：避免 α 粒子与空气分子碰撞，减小实验干扰。 · 实验现象 1. 绝大多数 α 粒子：直线穿过金箔，散射角极小→原子内部绝大部分空间是空的； 2. 少数 α 粒子：发生较大角度偏转→靠近正电荷集中区域； 3. 极少数 α 粒子（约 1/8000）：偏转超过 90° 甚至原路反弹→原子中心有体积极小、质量极大、带正电的核心。 · 实验结论：彻底推翻汤姆孙枣糕模型，证明原子中心存在原子核。 3. 伟大发现：卢瑟福核式结构模型 · 提出时间：1911 年，卢瑟福基于 α 粒子散射实验提出。 · 模型核心内容 1. 原子中心有一个体积极小的原子核； 2. 原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内； 3. 带负电的电子在核外空间绕原子核高速旋转（又称行星模型）。 · 微观尺度对比 . 原子核直径：10⁻¹⁵m；原子直径：10⁻¹⁰m； . 原子核体积仅占原子体积的十万分之一，原子内部极其空旷。 · 历史意义：开启人类探索微观世界的新纪元，奠定原子核物理学基础。 4. 新的挑战：核式结构模型的局限 · 矛盾一：原子稳定性危机 经典电磁理论：做圆周运动的电子会不断辐射能量，轨道缩小，最终坠入原子核→原子应不稳定。 实验事实：原子稳定存在→经典物理在微观领域失效。 · 矛盾二：光谱矛盾 经典理论预言原子光谱为连续谱，实验观测到线状谱→理论与事实冲突。 · 科学启示：核式结构模型需要新的理论完善，为玻尔量子化模型的提出奠定基础。 5. 原子结构模型演变总结 道尔顿实心球模型→汤姆孙枣糕模型→卢瑟福核式结构模型→玻尔量子化模型，体现人类对微观世界逐步深入、不断修正的认知规律。 学生分组讨论  阅读汤姆孙枣糕模型内容，归纳模型核心要点。  小组讨论：枣糕模型能解释什么？不能解释什么？  记录模型优点与局限，完成表格填写。 学生讨论：  观看实验动画 / 演示，记录三类实验现象。  分组讨论： · 绝大多数 α 粒子直线穿过说明什么？ · 少数大角度偏转说明什么？ · 极少数反弹说明什么？  由现象推结构，得出原子内部空旷、存在原子核的结论。 学生讨论：  根据实验结论，自主构建原子结构示意图。  对比枣糕模型，总结核式结构模型三大核心要点。  用 “体育场与米粒” 类比，理解原子与原子核的尺度关系。 学生讨论：  阅读经典电磁理论相关内容，找出核式结构模型的矛盾点。  讨论：为什么经典物理无法解释原子稳定性与线状光谱？  体会科学模型的局限性与发展性。 课 堂 练 习 课 堂 练 习 课 堂 练 习 1. 首先发现电子的科学家是（） A. 卢瑟福 B. 汤姆孙 C. 玻尔 D. 道尔顿 答案：B 解析： 1897 年汤姆孙通过实验发现电子，打破原子不可分割的观念；卢瑟福提出核式结构模型，玻尔提出量子化模型，道尔顿提出实心球原子模型。 2. 汤姆孙提出的原子模型被称为（） A. 核式结构模型 B. 行星模型 C. 枣糕模型 D. 量子化模型 答案：C 解析： 汤姆孙认为原子是带正电的均匀球体，电子镶嵌其中，形似枣糕，故称枣糕模型；核式结构模型与行星模型均为卢瑟福提出，量子化模型为玻尔提出。 3. 汤姆孙枣糕模型不能解释的实验现象是（） A. 原子呈电中性 B. 电子的存在 C. α 粒子大角度散射 D. 部分化学性质 答案：C 解析： 枣糕模型中正电荷均匀分布，无法使 α 粒子发生大角度偏转；该模型可解释原子电中性、电子存在与部分化学性质。 4. α 粒子的本质是（） A. 氢原子核 B. 氦原子核 C. 电子 D. 光子 答案：B 解析： α 粒子是氦原子核，带正电，质量较大，常用于原子结构探索实验。 5. 卢瑟福 α 粒子散射实验中选用金箔的主要原因是（） A. 金价格昂贵 B. 金原子质量大、延展性好，原子层薄 C. 金不导电 D. 金易获取 答案：B 解析： 金原子质量大，对 α 粒子散射效果明显；金延展性好，可制成极薄的金箔，减少 α 粒子与多层原子碰撞的干扰。 6. α 粒子散射实验中，绝大多数 α 粒子穿过金箔后仍沿原方向前进，说明（） A. 原子质量均匀分布 B. 原子内部绝大部分空间是空的 C. 原子中心有大质量原子核 D. 电子绕核高速运动 答案：B 解析： 绝大多数 α 粒子无明显偏转，直接证明原子内部绝大部分空间是空旷的。 7. α 粒子散射实验中，极少数 α 粒子发生大角度偏转甚至反弹，原因是（） A. 与电子发生碰撞 B. 受到金原子核的库仑斥力 C. 受到金原子的摩擦力 D. 穿过金原子时发生折射 答案：B 解析： α 粒子带正电，原子核也带正电，靠近原子核时受到强大库仑斥力，发生大角度偏转。 8. 卢瑟福核式结构模型的实验基础是（） A. 光电效应实验 B. α 粒子散射实验 C. 氢原子光谱实验 D. 阴极射线实验 答案：B 解析： 卢瑟福基于 α 粒子散射实验的现象，提出原子的核式结构模型。 9. 根据卢瑟福核式结构模型，原子的全部正电荷集中在（） A. 核外电子 B. 整个原子 C. 原子核 D. 原子周围空间 答案：C 解析： 核式结构模型核心：原子全部正电荷与几乎全部质量集中在原子核内。 10. 卢瑟福核式结构模型中，电子的运动状态是（） A. 静止在原子核表面 B. 镶嵌在原子内部 C. 绕原子核高速旋转 D. 做无规则热运动 答案：C 解析： 核式结构模型又称行星模型，电子像行星绕太阳一样，绕原子核高速旋转。 11. 原子核的直径数量级约为（） A. 10⁻¹⁰ m B. 10⁻¹⁵ m C. 10⁻⁵ m D. 10⁻⁸ m 答案：B 解析： 原子核直径约 10⁻¹⁵ m，原子直径约 10⁻¹⁰ m，原子核体积远小于原子体积。 12. 原子的直径数量级约为（） A. 10⁻¹⁰ m B. 10⁻¹⁵ m C. 10⁻⁵ m D. 10⁻³ m 答案：A 解析： 原子直径的数量级为 10⁻¹⁰ m，是微观世界的常用尺度。 13. 卢瑟福核式结构模型不能解释的问题是（） A. α 粒子散射实验 B. 原子的稳定性 C. 原子的质量分布 D. 原子的电荷分布 答案：B 解析： 按经典电磁理论，核外旋转电子会不断辐射能量，最终坠入原子核，原子应不稳定，与实际稳定的原子矛盾。 14. 卢瑟福核式结构模型与经典电磁理论的矛盾不包括（） A. 原子稳定性 B. 原子光谱为线状谱 C. α 粒子大角度散射 D. 电子轨道不断缩小 答案：C 解析： α 粒子大角度散射是核式结构模型的实验依据，并非矛盾；原子稳定性、线状光谱、电子轨道缩小均为模型与经典理论的矛盾。 15. 下列关于原子结构的说法正确的是（） A. 原子是实心球体 B. 原子核体积占原子大部分 C. 原子质量几乎全部集中在原子核 D. 电子带正电 答案：C 解析： 原子核体积极小，但集中原子几乎全部质量；原子不是实心球体，电子带负电。 16. 下列科学家与模型对应错误的是（） A. 汤姆孙 — 枣糕模型 B. 卢瑟福 — 核式结构模型 C. 玻尔 — 量子化模型 D. 道尔顿 — 行星模型 答案：D 解析： 道尔顿提出实心球模型，行星模型是卢瑟福核式结构模型的别称。 17. α 粒子散射实验中，发生大角度偏转的 α 粒子是因为（） A. 靠近金原子核 B. 远离金原子核 C. 与电子碰撞 D. 穿过金箔时发生反射 答案：A 解析： α 粒子越靠近原子核，库仑斥力越大，偏转角度越大。 18. 人类对原子结构的认识顺序正确的是（） A. 实心球模型→枣糕模型→核式模型→量子化模型 B. 枣糕模型→实心球模型→核式模型→量子化模型 C. 核式模型→枣糕模型→实心球模型→量子化模型 D. 量子化模型→核式模型→枣糕模型→实心球模型 答案：A 解析： 认知历程：道尔顿实心球→汤姆孙枣糕→卢瑟福核式→玻尔量子化模型。 19. 卢瑟福推测原子核存在的主要依据是（） A. 电子的发现 B. 绝大多数 α 粒子直线穿过 C. 极少数 α 粒子大角度偏转 D. 原子光谱的发现 答案：C 解析： 极少数 α 粒子大角度偏转，说明原子中心有质量大、体积小、带正电的核心，即原子核。 20. 关于原子核，下列说法错误的是（） A. 体积很小 B. 质量很大 C. 带正电 D. 占据原子大部分空间 答案：D 解析： 原子核体积极小，仅占原子体积的十万分之一，不占据原子大部分空间。 板 书 设 计 一、核心脉络 探索历程：实心球模型→枣糕模型→核式结构模型→量子化模型 核心实验：α 粒子散射实验 关键结论：核小质大带正电，原子内部空旷 二、汤姆孙枣糕模型（1904 年） 1. 模型内容 · 原子是带正电的均匀球体 · 电子（负电）镶嵌其中，形如 “枣糕” · 整体呈电中性 2. 模型局限：无法解释 α 粒子大角度散射 三、α 粒子散射实验 1. 实验装置：放射源→金箔（薄、原子质量大）→荧光屏 + 显微镜（真空环境） 2. 实验现象 · 绝大多数：直线穿过（原子绝大部分空间空旷） · 少数：大角度偏转（受库仑斥力） · 极少数（1/8000）：反弹 / 偏转角＞90°（中心有致密核心） 3. 实验结论：推翻枣糕模型，证明原子核存在 四、卢瑟福核式结构模型（1911 年） 1. 模型核心 · 中心有体积极小的原子核 · 原子核含全部正电荷和几乎全部质量 · 电子在核外高速绕核旋转（行星模型） 2. 尺度对比 · 原子直径：10⁻¹⁰ m · 原子核直径：10⁻¹⁵ m · 原子核体积仅为原子的十万分之一 3. 模型局限：与经典电磁理论矛盾（原子稳定性、线状光谱） 五、课堂小结 1. 1 个实验：α 粒子散射 2. 2 个模型：枣糕 vs 核式 3. 3 个结论：核小（10⁻¹⁵ m）、质大、带正电；原子空旷；核外电子绕转 课 堂 小 结 1. 两个模型：汤姆孙枣糕模型（正电均匀分布）、卢瑟福核式结构模型（正电集中于原子核）。 2. 一个实验：α 粒子散射实验，证明原子空旷、核小质大带正电。 3. 科学方法：模型建构、实验验证、推理论证。 作 业 布 置 1. 完成教材课后习题，梳理 α 粒子散射实验的现象与结论。 2. 用自己的语言描述核式结构模型，并对比枣糕模型的核心区别。 教 学 反 思 本节课以物理学史为线索，通过 α 粒子散射实验突破核式结构模型重难点，学生能掌握实验现象与模型内容。但部分学生对 “由实验现象推理微观结构” 的逻辑理解不足，后续需加强实验分析与逻辑推理训练，结合类比法（体育场与米粒）帮助学生理解原子的空旷结构。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $