3. 原子的核式结构模型（表格式教学设计）物理人教版选择性必修第三册

该高中物理教学设计聚焦“原子的核式结构模型”，通过阴极射线视频导入，引导学生思考其本质，衔接电子发现的探究过程，为原子模型的学习搭建认知支架，梳理从电子发现到核式结构模型建立的知识脉络。 资料以α粒子散射实验为核心，通过分析实验现象与“枣糕模型”的矛盾，培养科学思维中的模型建构与证据推理能力，结合实验装置及现象归纳，提升科学探究能力。联系卢瑟福贡献与现代科技，渗透科学态度与责任，助力学生深化理解，为教师提供逻辑清晰的教学方案。

第3节 原子的核式结构模型 年级 高二年级 学科 物理 教师 课题 第3节 原子的核式结构模型 教学 目标 物理观念 建立原子的核式结构模型、原子核、核外电子、α粒子散射等核心概念，从“枣糕模型”与“核式结构模型”的对比视角，理解原子的核式结构模型的基本内容，认识原子的核式结构模型对建立原子结构理论的重要意义，为后续学习原子核式结构、能级模型奠定基础。 科学思维 通过分析α粒子散射实验的现象与经典“枣糕模型”的矛盾，经历“发现问题—分析矛盾—构建新模型”的过程，理解卢瑟福原子核式结构模型提出的背景与逻辑，提升模型建构、证据推理与质疑创新的能力，体会从经典物理到原子物理的思维跃迁。 科学探究 设计并分析α粒子散射实验的原理与现象，基于实验数据与图像（如不同散射角的粒子分布规律），归纳α粒子散射实验的特点，验证核式结构模型的合理性，提升科学论证与数据分析的能力，体会科学探究中“实验现象—理论模型”的双向支撑过程。 科学态度 与责任 了解卢瑟福原子核式结构模型对现代原子物理学的奠基意义，体会科学家面对实验现象与旧理论冲突时的坚持与突破，增强对科学本质的认识；联系现代科技（如粒子散射技术、核物理探测、核能利用、放射性检测），理解原子结构理论对人类社会的深远影响，树立尊重科学、勇于探索的科学态度。 教学 重难点 1.α粒子散射实验的现象分析，原子的核式结构模型的主要内容(重点)。 2.理解卢瑟福原子核式结构模型对α粒子散射实验的解释(重点)。 3.从实验现象到理论模型的推理过程，理解核式结构模型与“枣糕模型”的本质区别(难点)。 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 教师：科学家在研究稀薄气体放电时发现，当玻璃管内的气体足够稀薄时，阴极就发出一种射线。它能使对着阴极的玻璃管壁发出荧光，这种射线的本质是什么呢？播放视频。 学生思考问题。 新课讲授 一、电子的发现 教师：19世纪，对阴极射线本质的认识有两种观点。请同学们结合教材，说说这两种观点的主要内容。 学生：赫兹认为阴极射线像X射线一样是电磁辐射；汤姆孙认为阴极射线是带电微粒。 教师：你能设计一个实验来判断哪一种观点是正确的吗？ （1）在实验中，出现什么现象说明这是一种电磁波？出现什么现象说明这是一种带电微粒？ （2）如果是带电微粒，怎么测定它的比荷？ 学生：让阴极射线经过电场或磁场，可以检验其是否带电以及带电的性质；利用阴极射线在电场和磁场中的运动规律，可以计算其比荷。 教师：英国物理学家汤姆孙认为阴极射线是带电粒子流。为了证实自己的观点，他和他的助手从1890年起进行了大量的实验研究。播放视频。 教师：汤姆孙发现，用不同材料的阴极做实验，都能产生阴极射线，且不同物质发射的带电粒子比荷的数值都是相同的。这说明了什么？ 学生：说明这种微粒是构成各种物质的共有成分。 教师：实验测得阴极射线粒子的比荷是氢离子（也就是质子)的比荷的近两千倍，汤姆孙猜测阴极射线粒子电荷量的大小与一个氢离子一样，而质量比氢离子小得多。后来，他直接测到了阴极射线粒子的电荷量，虽不很准确，但足以证明其猜测是正确的。至此，组成阴极射线的粒子的“身份”已经明确：它是一种带负电的质量很小的粒子。物理学家称其为电子。 教师：请同学们阅读教材了解现在测得的电子电荷的值、密立根的发现以及电子的质量。 实验：1.汤姆孙实验装置 2.实验过程及思考 （1）实验目的： ①判断阴极射线是否带电。 ②如果阴极射线带电，则测出其比荷。 （2）判断阴极射线是否是带电粒子流的基本方法是什么？ 学生：让带电粒子通过电场或磁场，观察它是否偏转。如果偏转则带电，否则不带电。 （3）测阴极射线比荷的基本思路是怎样的？ ①先加电场使阴极射线偏转 ②再加磁场，调整电场磁场的强度，使阴极射线不偏转 ③每个阴极射线微粒受到的库仑力等于洛伦兹力，求出阴极射线的速度 ④只保留磁场，阴极射线只受洛伦兹力，做匀速圆周运动，再求比荷 （4）哪些量可以当做已知量处理？ 学生：场强E，磁感应强度B，圆周运动的半径r。 （5）施加电场E之后，射线发生偏转并射到屏上P2处。由此可以推断阴极射线带有什么性质的电荷？怎么判断的？ 学生：带负电，因为场强E的方向竖直向上，而射线向下偏，说明电场力F的方向竖直向下，所以射线带负电。 汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定，它的本质是带负电的粒子流。它是构成各种物质的共有成分。 汤姆孙还由实验测得的阴极射线的比荷是氢离子的比荷近2000倍。后来，汤姆孙直接测到了阴极射线粒子的电荷量，尽管当时测量很不准确，但足以证明这种粒子的电荷量与氢离子大致相同，质量比氢离子小得多。 4.密立根测电子电量 电荷是量子化的，任何带电体的电荷只能是e的整数倍 5.阴极射线的本质 （1）阴极射线的本质是电子。 （2）电子是原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元。 （3）电子的电荷量与氢离子的电荷量相同。 发现电子以后，汤姆孙进一步研究又发现了许多新现象： 由于汤姆孙的杰出贡献，1906年他获得诺贝尔物理学奖。 【例1】汤姆孙测定电子比荷(电子的电荷量与质量之比)的实验装置如图所示。真空玻璃管内，阴极K发出的电子经加速后，穿过小孔A、C，沿中心轴线OP1以速度v进入两块水平正对放置的极板D1、D2间，射出后到达右端的荧光屏上形成光点。若极板D1、D2间无电压，电子将打在荧光屏上的中心P1点。现在极板间加上竖直方向、电场强度大小为E的匀强电场后，电子向上偏转；再在极板间施加一个方向垂直于纸面的匀强磁场(图中未画出)，电子在荧光屏上产生的光点又回到了P1点；接着去掉电场，电子向下偏转，射出极板时偏转角为θ。已知极板的长度为L，忽略电子的重力及电子间的相互作用。求： (1)匀强磁场的磁感应强度大小； (2)电子的比荷。 新课讲授 二、原子的核式结构模型 教师：1.汤姆孙的原子模型：原子是一个球体，里面充满了均匀分布的带正电的流体，电子镶嵌在正电荷液体中，就像枣点缀在一块蛋糕里一样，所以又被人们称为“枣糕模型”。 教师：1909年，英国物理学家卢瑟福为了检验汤姆孙模型的正确性，指导他的助手盖革和马斯顿设计了一个实验，实验所用仪器的示意图如图所示。 播放视频。 2.α粒子散射实验 实验装置： 放射源：放射性元素钋（Po）放出α粒子，α粒子是氦核，带2e正电荷，质量是氢原子的4倍，具有较大的动能。 金箔：作为靶子，厚度1μm，重叠了3000层左右的金原子。 荧光屏：α粒子打在上面发出闪光。 显微镜：通过显微镜观察闪光，且可360°转动观察不同角度α粒子的到达情况。 思考1. α粒子射入金箔时难免与电子碰撞。试估计这种碰撞对α粒子速度影响的大小。 学生：α粒子的质量大约是电子质量的7300倍，α粒子与电子碰撞时，对α粒子速度影响很小，碰撞前后，质量大的α粒子速度几乎不变。只可能是电子的速度发生大的改变，因此不可能出现α粒子反弹现象，即使是非对心碰撞，也不会有大角度散射。 思考2.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。请分析：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。 学生：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，由于受库仑斥力的作用，α粒子穿过原子时，受到的各个方向正电荷的斥力基本会相互平衡，因此对α粒子运动的影响不会很大。大部分α粒子会有小角度偏转，但不可能有大角度偏转。 3.实验现象 ①绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进； ②少数α粒子发生了大角度偏转；极少数偏转的角度甚至大于90°，它们几乎被“撞了回来”。 4.卢瑟福对α粒子发生大角度偏转的解释 1.绝大多数粒子基本不偏转：表明：原子内部绝大部分是“空”的。 2.少数粒子发生较大偏转：表明：原子内部有“正电荷集中”的区域。 3.极少数粒子被弹回：表明：作用力很大，质量很大的核。 5.卢瑟福——核式结构模型 原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动。 【例2】(2024·泰州市高二期末)如图所示的实验装置为用α粒子轰击金箔，研究α粒子散射情况的实验装置。关于α粒子散射实验，下列说法正确的是 A.该实验可在空气中进行 B.α粒子大角度散射是由于它跟电子发生了碰撞 C.卢瑟福根据该实验现象提出了原子的核式结构模型 D.α粒子散射实验证明了汤姆孙的枣糕模型是正确的 【解析】α粒子的贯穿本领弱，为了使得实验现象明显，该实验不能够在空气中进行，需要在真空中进行，故A错误；α粒子的质量远远大于电子的质量，可知，α粒子大角度散射不可能是它跟电子发生了碰撞引起的，故B错误；卢瑟福根据该实验现象中极少数α粒子发生了大角度偏转提出了原子的核式结构模型，故C正确；α粒子散射实验证明了汤姆孙的枣糕模型是错误的，故D错误。 【例3】(2024·北京市丰台区高二期末)关于卢瑟福α粒子散射实验现象及分析，下列说法正确的是 A.绝大多数α粒子在实验中几乎不偏转，主要原因是原子内部十分“空旷” B.绝大多数α粒子在实验中几乎不偏转，是因为原子核质量很大 C.使α粒子产生大角度偏转的作用力，是电子对α粒子的库仑力 D.使α粒子产生大角度偏转的作用力，是原子核对α粒子的万有引力 【解析】绝大多数α粒子几乎不发生偏转，可以推测使粒子受到排斥力的核体积极小，所以带正电的物质只占整个原子的很小空间，但卢瑟福α粒子带正电，它们接近时就表现出很大的库仑斥力作用，使α粒子产生大角度偏转的作用力，是原子核对α粒子的库仑斥力。故选A。 新课讲授 三、原子核的电荷与尺度 教师：原子核半径的数量级为10-15m，原子半径的数量级为10-10m，两者的差距到底有多大呢?同学们都见过400m的标准跑道，它包含的田径场的总面积约为14619.9m²。如果把与它等面积的圆形的半径看作原子的半径，请估算原子核对应的半径约为多少? 学生：由圆的面积公式S=πr²可知，等面积的圆形半径为68.2m，按照原子半径和原子核半径的数量级关系可知，原子核对应的半径为0.00068m。 教师：不足1mm。同学们可以感受到原子内部是有多么“空旷”了。 教师：1.原子核的电荷、电子数、原子序数 说明：X为元素符号，Z为质子数，A 为质量数。 核电荷数＝质子数(Z)＝元素的原子序数＝核外电子数 质量数（A）＝核子数＝质子数＋中子数 2.原子核的尺度 用核半径描述核的大小。一般的原子核，实验确定的核半径的数量级为10-15 m，而整个原子半径的数量级是10-10 m，两者相差十万倍之多。 【例4】下列对原子及原子核的认识，正确的是 A.原子由原子核和核外电子组成 B.原子核带有原子的全部正电荷和全部原子的质量 C.原子核半径的数量级为10-10 m D.中性原子核外电子带的负电荷之和小于原子核所带的正电荷 【解析】原子由原子核和核外电子组成，故A正确；原子核的质量与电子的质量之和就是原子的质量，故B错误；原子半径的数量级是10-10 m，原子核是原子内很小的核，半径数量级为10-15 m，C错误；中性原子核外电子带的负电荷之和与原子核所带的正电荷相等，D错误。 课 堂 练 习 1.卢瑟福根据粒子散射实验，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，实线表示一个粒子的运动径迹。在粒子从运动到，再运动到的过程中，下列说法正确的是（　　） A.动能先增大后减小 B.电势能先减小后增大 C.静电力先做负功后做正功，总功等于0 D.加速度先变小后变大 【解析】根据卢瑟福提出的原子的核式结构模型可知，原子核集中了原子的全部正电荷，即原子核外的电场分布与正点电荷的电场类似。合力方向指向运动轨迹的凹侧，根据粒子从运动到的运动轨迹，可知静电力做负功，粒子动能减小，电势能增大；从运动到，静电力做正功，粒子动能增大，电势能减小；、在同一条等势线上，则静电力做的总功等于0。故A、B错误，C正确；等势线密集的位置场强比较大，则、、三点的电场强度大小的关系，场强越大则所受电场力越大，粒子加速度越大，故粒子的加速度先变大后变小，故D错误。 2.在卢瑟福α粒子散射实验中，有少数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.正电荷在原子内是均匀分布的 C.原子只能处于一系列不连续的能量状态中 D.原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上 【解析】α粒子和电子之间有相互作用力，它们接近时就有库仑引力作用，但由于电子的质量只有α粒子质量的，α粒子与电子碰撞就像一颗子弹与一粒灰尘碰撞一样，α粒子质量大，其运动方向几乎不改变；α粒子散射实验中，有少数α粒子发生大角度偏转说明三点：一是原子内有一质量很大的粒子存在；二是这一粒子带有较大的正电荷；三是这一粒子的体积很小，故选D. 3.在卢瑟福α粒子散射实验中，有少数α粒子发生大角度偏转，其原因是(　　) A.原子中存在着带负电的电子 B.正电荷在原子中是均匀分布的 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.原子中的质量均匀分布在整个原子范围内 有较大的正电荷；三是这一粒子的体积很小，故C正确，D错误． 【解析】原子中存在着带负电的电子，与α粒子发生大角度偏转无关，故A错误；原子的全部正电荷都集中在原子核上，不是在原子中均匀分布的，故B错误；α粒子和电子之间有相互作用力，它们接近时就有库仑引力作用，但由于电子的质量大约只有α粒子质量的七千三百分之一，α粒子与电子碰撞就像一颗子弹与一个灰尘碰撞一样，α粒子质量大，其运动方向几乎不改变．α粒子散射实验中，有少数α粒子发生大角度偏转说明三点：一是原子内有一质量很大的粒子存在；二是这一粒子带有较大的正电荷；三是这一粒子的体积很小，故C正确，D错误． 4.阴极射线显像管及其偏转线圈的示意图如图所示．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．下列说法正确的是(　　) A.如果偏转线圈中没有电流，则阴极射线应该打在荧光屏正中的O点 B.如果要使阴极射线在竖直方向偏离中心，打在荧光屏上的A点，则偏转磁场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，打在荧光屏上的B点，则偏转磁场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，则偏转磁场磁感应强度应该先由小到大，再由大到小 【解析】偏转线圈中没有电流，阴极射线沿直线运动，打在荧光屏正中的O点，A正确；由阴极射线的电性及左手定则可知B错误，C正确；由r＝ 知，B越小，r越大，故磁感应强度应先由大变小，再由小变大，D错误． 5.一种测定电子比荷的实验装置如图所示。 真空玻璃管内阴极K发出的电子经阳极A与阴极K之间的高压加速后，形成一细束电子流，以平行于平板电容器极板的速度进入两极板C、D间的区域。 若两极板C、 D间无电压，电子将打在荧光屏上的O点； 若在两极板间施加电压U，则离开极板区域的电子将打在荧光屏上的P点； 若再在极板间施加一个方向垂直于纸面向外、磁感应强度为B的匀强磁场，则电子在荧光屏上产生的光点又回到O点。已知极板的长度为5.00 cm，C、 D间的距离为1.50 cm，极板区的中点M到荧光屏中点O的距离为12.50 cm, 电压U为200V，磁感应强度B为P点到O点的距离y为3.00 cm。试求电子的比荷。 课 堂 小 结 板 书 设 计 第3节 原子的核式结构模型 一、电子的发现 1.阴极射线：阴极发出的一种射线。它能使对着阴极的玻璃管壁发出荧光。 2.密立根实验：电子电荷的精确测定是由密立根通过著名的“油滴实验”做出的。目前公认的电子电荷的值为e=1.6×10-19 C(保留两位有效数字)。 3.电荷的量子化：任何带电体的电荷只能是e的整数倍。 4.电子的质量me=9.1×10-31 kg(保留两位有效数字)，质子质量与电子质量的比值为=1 836。 二、原子的核式结构模型 1.汤姆孙原子模型：汤姆孙于1898年提出了原子模型，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，电子镶嵌其中，有人形象地把汤姆孙模型称为“西瓜模型”或“枣糕模型”。 2.α粒子散射实验： (1)α粒子散射实验装置由α粒子源、金箔、显微镜等几部分组成，实验时从α粒子源到荧光屏这段路程应处于真空中。 (2)实验现象 ①绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进； ②少数α粒子发生了大角度偏转；极少数偏转的角度甚至大于90°，它们几乎被“撞了回来”。 (3)实验意义：卢瑟福通过α粒子散射实验，否定了汤姆孙的原子模型，建立了核式结构模型。 3.核式结构模型：原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动。 三、原子核的电荷与尺度 1.原子核的电荷数：各种元素的原子核的电荷数，即原子内的电子数，非常接近它们的原子序数，这说明元素周期表中的各种元素是按原子中的电子数来排列的。 2.原子核的组成：原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数就是核中的质子数。 3.原子核的大小：用核半径描述核的大小。一般的原子核，实验确定的核半径的数量级为10-15 m，而整个原子半径的数量级是10-10 m，两者相差十万倍之多。 作业 布置 1.完成教材课后作业：“练习与应用”。 2.配套分层作业。 教学反思 可以采用学生自行小结、相互分享的形式进行。教师可适度给予引导性问题支持，帮助学生进一步理解原子的内部结构，同时让学生深刻感受人类追求真理的历史进程。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $