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

该高中物理教学设计聚焦“原子的核式结构模型”，以稀薄气体放电荧光管实物图导入引出阴极射线，通过汤姆孙放电管实验证实电子并建立枣糕模型，再结合α粒子散射实验现象分析矛盾，最终推导核式结构，构建“发现射线→建立旧模型→实验推翻→构建新模型”的科学探究支架。 该资料以科学史为主线，融合实物图与示意图（如α粒子散射装置图、轨迹图景），通过实验现象对比和小组讨论，培养科学思维中的模型建构与质疑创新，科学探究中的证据分析能力。例如引导学生对比枣糕模型与散射实验矛盾，自主推导原子核体积极小的结论。分层任务设计帮助学生巩固知识，教学反思提供改进方向，提升教学效果与学生科学素养。

教学设计 课程名称 原子的核式结构模型 选用教材 高中物理人教版选修三 教学章节 第四章三节 授课对象 高二学生 授课类型 新授课 授课学时 1课时（45分钟） 一、教学内容分析 本节课沿着人类探索原子内部结构的科学史展开，整体分为四大逻辑板块：第一部分由稀薄气体放电荧光管实验引入阴极射线，抛出射线本质的探究问题；第二部分介绍汤姆孙放电管实验，证实阴极射线是电子流，提出枣糕（西瓜）原子模型；第三部分讲解卢瑟福 α 粒子散射实验装置、实验现象，梳理三条核心实验结果；第四部分对比枣糕模型与实验矛盾，推导建立原子核式结构模型，明确原子核、核外电子分布特点。课程遵循 “发现阴极射线→汤姆孙发现电子、建立枣糕模型→α 粒子散射实验推翻旧模型→卢瑟福提出核式结构” 完整科学探究线索，让学生体会物理模型随实验证据迭代更新的特点，同时为后续原子核、能级相关内容铺垫基础。 二、学情分析 1. 知识基础 学生此前学习过电子、电荷、库仑斥力基础内容，知道物质由原子构成，但默认原子不可再分；完全不了解阴极射线、α 粒子散射实验，不清楚历史上两种原子模型的内容与区别；对微观带电粒子之间的库仑相互作用仅停留在宏观电荷层面，无法迁移到原子尺度分析粒子偏转。 2. 能力基础 学生具备基础示意图读图能力，但自主根据实验现象推翻原有理论、建立全新物理模型的建模能力薄弱；小组讨论时难以独立分析 “大角度散射” 与枣糕模型之间的矛盾；不能有序梳理原子结构探索的完整科学史脉络，史料归纳逻辑零散。 3. 思维基础 学生存在典型认知误区：认为原子内部均匀填满正负电荷，无法想象原子绝大部分空间是空的；误以为带电粒子经过原子时都会发生明显偏转，不能区分绝大多数、极少数粒子的偏转差异；固化静态模型思维，不理解物理模型只是阶段性假说，会被新实验修正。 三、教学目标 1. 物理观念 建立分层原子结构物质观念，清晰区分汤姆孙枣糕模型、卢瑟福核式结构模型；理解阴极射线本质是电子流，熟记 α 粒子散射三条实验现象；掌握核式结构核心特点：原子中心有体积极小、集中全部正电荷与绝大部分质量的原子核，电子在核外空间运动，认识原子内部绝大部分区域为空。 2. 科学思维 依托稀薄气体放电荧光管实物图建立阴极射线本质猜想建模思维；借助汤姆孙放电管示意图建立电子存在实验归纳分析思维；利用 α 粒子散射实验装置图建立定量实验现象提取对比思维；结合核式散射轨迹示意图建立旧模型批判、新模型演绎推导思维，实现现象设疑、实验证实、模型批判、新模型构建综合科学思维训练。 3. 科学探究 观察稀薄气体放电荧光管现象，提出阴极射线本质疑问；研读汤姆孙放电管装置，理解电子的发现过程；分析 α 粒子散射装置与实验结果，自主找出枣糕模型无法解释的实验矛盾；根据散射轨迹推导原子核式结构；完整经历 “放电实验发现未知射线→电场磁场实验证实电子存在→散射实验暴露旧模型缺陷→推导建立原子核式模型” 完整科学探究流程。 4. 科学态度与责任 从阴极射线争议、汤姆孙数十年实验、卢瑟福利用学生实验意外结果突破旧模型的完整史实，体现物理研究尊重实验证据、敢于质疑已有理论、严谨细致观测微小现象的科研品格；原子结构探索推动核物理、半导体、核医学等现代产业发展，引导学生体会基础微观物理研究的长远应用价值，树立依托实验证据修正认知、严谨求实的科学研究责任意识。 四、教学重难点 重点 汤姆孙电子发现实验、枣糕原子模型内容 α 粒子散射实验三条核心现象，原子的核式结构模型核心内容 难点 结合 α 粒子大角度散射现象，说明枣糕模型存在的根本性缺陷 推理得出原子核体积极小、原子内部大部分空间中空的结论 五、教学方法 实物情境史料导入法：稀薄气体放电荧光管实物图引入阴极射线历史问题； 装置图解实验分析法：汤姆孙放电管示意图拆解测电子比荷实验原理； 实验现象对比教学法：α 粒子散射装置、轨迹图对比新旧原子模型； 科学史脉络梳理法：按照历史时间线梳理原子结构探索全过程； 小组辨析讨论法：互助对比枣糕模型、核式模型，辨析散射实验矛盾。 六、教学资源 人教版选择性必修第三册课本；稀薄气体放电荧光管实物图、J.J. 汤姆孙气体放电管示意图、α 粒子散射实验装置示意图、α 粒子散射轨迹图景；稀薄气体放电管、多媒体课件、黑板、原子模型对比记录表格。 七、教学设计 教学环节 教师活动 学生活动 稀薄气体放电荧光管导入，抛出阴极射线探究问题 · 展示稀薄气体放电荧光管实物图 · 讲解实验现象：玻璃管内气体抽至十分稀薄，阴极会向外发射一种射线，撞击管壁产生绿色荧光，当时科学界对射线本质存在两种完全对立的猜想。顺势抛出核心导学思考题：有人认为阴极射线是电磁波，有人认为是带电粒子流，怎样通过实验区分两种猜想？ · 递进出示同桌交流问题：如果阴极射线是带负电粒子，外加电场、磁场时射线轨迹会出现怎样的偏转？给学生两分钟同桌交流，结合带电粒子受力旧知识猜想作答。 · 待学生交流完毕点明本节课探究主线：先学习汤姆孙的放电管实验，证实阴极射线是电子流，了解早期枣糕原子模型；再重点分析卢瑟福 α 粒子散射实验，找到推翻枣糕模型的实验证据；最后根据散射现象推导全新的原子核式结构模型。 观看稀薄气体放电荧光管实物图，直观记住稀薄气体放电会产生阴极射线、管壁发光的实验现象；同桌之间猜想带负电粒子在电场、磁场中会发生定向偏转，电磁波不会偏转；带着 “汤姆孙如何测出电子、枣糕模型是什么、α 粒子散射出现了哪些反常现象、为什么大角度散射能否定旧模型” 四大疑问进入新课主体学习。 汤姆孙放电管实验与枣糕模型，α 粒子散射实验探究 · 第一步，展示 J.J. 汤姆孙气体放电管示意 · 分步讲解装置结构：阴极 K 发射射线，狭缝 A、B 形成细束，中间极板 D1、D2 可施加偏转电场，末端荧光屏记录射线落点。介绍汤姆孙通过控制电场、磁场平衡，测算出射线粒子的电荷量与质量之比，证实所有金属阴极发出的射线都是同一种带负电微粒，命名为电子。随后展示汤姆孙枣糕原子模型，讲解模型内容：原子为均匀球体，正电荷均匀布满球体，电子零散镶嵌在内部。同步配套随堂提问：按照枣糕模型，高速 α 粒子穿过原子时会出现大角度偏转吗，理由是什么？ · 在学生作答后过渡散射实验教学，展示 α 粒子散射实验装置示意图 · 完整介绍装置组成：铅块包裹 α 放射源、极薄金箔、可转动带荧光屏的显微镜，整体装置置于真空环境。逐条梳理三条核心实验现象：绝大多数 α 粒子穿过金箔后沿原方向前进；少数 α 粒子发生较大角度偏转；极少数 α 粒子偏转角度超过 90°，甚至反向弹回。 · 第二步，展示 α 粒子散射轨迹图景 · 对比枣糕模型分析矛盾：若正电荷均匀分散，α 粒子受到的库仑斥力相互抵消，不可能出现大角度反弹；只有全部正电荷集中在体积极小的核心，极少数 α 粒子近距离经过核心时，才会受到极强斥力发生大幅偏转。基于实验推导核式结构模型：原子中心存在原子核，原子核体积极小，集中原子全部正电荷与几乎全部质量，电子在原子核外广阔空间运动。组织三分钟四人小组讨论思考题：为什么绝大多数 α 粒子直线穿过金箔，该现象说明原子结构有什么特点？每组推选代表完整汇报观点。 观看 J.J. 汤姆孙气体放电管示意图，记录汤姆孙实验结论：阴极射线是电子流，熟记枣糕原子模型完整内容；观看 α 粒子散射实验装置示意图，逐条抄写三条散射实验现象；观看 α 粒子散射轨迹图景，理解枣糕模型无法解释大角度散射的根本矛盾；四人小组围绕绝大多数粒子直线穿过的现象展开辨析讨论；整理电子发现、枣糕模型、散射实验现象、核式结构模型完整笔记。 课堂总结、分层课后任务 · 整合四张配图梳理课堂主线：稀薄气体放电荧光管实物图提出阴极射线本质疑问→J.J. 汤姆孙气体放电管示意图证实电子存在、建立枣糕原子模型→α 粒子散射实验装置示意图梳理三条关键实验现象→α 粒子散射轨迹图景对比新旧模型，推导原子的核式结构模型，完整覆盖现象设疑、电子发现、旧模型建立、实验推翻与新模型推导四大核心板块。 · 按照教材行文梳理整节课完整科学史脉络：稀薄气体放电发现阴极射线→汤姆孙电场磁场实验发现电子，提出枣糕模型→卢瑟福指导学生完成 α 粒子散射实验，观测到大角度散射反常现象→通过粒子受力分析否定枣糕模型，提出原子核式结构模型，黑板同步思维导图，标记电子、枣糕模型、散射三条现象、核式结构四大高频易错点。 · 分层布置贴合教材的课后任务：基础任务完整写出汤姆孙枣糕原子模型、卢瑟福核式结构模型内容；提升任务逐条写出 α 粒子散射三条实验现象，并说明枣糕模型无法解释哪一条现象；拓展任务简述核式结构模型中原子、原子核的尺度与质量分布特点，下节课分享。 整合本节课四张配图对应的荧光管导入、汤姆孙放电管、散射装置、散射轨迹全部知识点，重点纠正 “原子内部均匀充满电荷”“大部分粒子大幅偏转” 两类高频认知错误；记录分层课后作业要求，规划模型默写、实验现象梳理、尺度特点简述的完成顺序。 课堂收尾 · 回扣开篇稀薄气体放电荧光管实物图完整总结本节课全部内容：本节课我们顺着原子结构探索的科学史，由稀薄气体放电的阴极射线开启探究，汤姆孙通过偏转实验发现电子，提出均匀分布的枣糕原子模型；卢瑟福 α 粒子散射实验观测到极少数粒子大角度反弹，与枣糕模型预判完全冲突；通过库仑斥力受力分析，推导出原子拥有极小、集中全部正电与质量的原子核，电子在核外广阔空间运动，原子绝大部分区域是空的，核式结构模型成为后续核物理研究的基础。 完整回顾阴极射线、电子发现、枣糕模型、α 粒子散射三条现象、原子核式结构全部知识点，整理四幅配图对应的放电导入、汤姆孙实验、散射装置、散射轨迹笔记，理清 “未知射线设疑→实验发现微观粒子→建立初步原子模型→新实验暴露模型缺陷→推导建立更贴合实验的新模型” 的微观物质探究核心思路，规划课后分层任务完成顺序。 八、板书设计 九、课程思政 本节课依托稀薄气体放电荧光管实物图、J.J. 汤姆孙气体放电管示意图、α 粒子散射实验装置示意图、α 粒子散射轨迹图景四组教材素材，沿着原子结构探索完整科学史开展教学，培养学生立足实验现象猜想、利用电场磁场装置定量探究微观粒子、对比实验证据批判修正物理模型的严谨实证科研品格；阴极射线争议持续多年，汤姆孙耗费十余年完成系列实验证实电子存在，卢瑟福重视学生实验中出现的反常大角度散射现象，没有忽略微小实验偏差，最终推翻主流枣糕模型，体现物理研究不盲从已有理论、重视细微实验现象、以客观实验为唯一判断标准的科研底色；原子的核式结构模型奠定核物理基础，支撑我国核电、核医学、半导体芯片等产业发展，让学生认识基础微观物理实验研究的长远实用价值，引导学生扎实掌握电子发现、α 粒子散射、核式结构完整知识体系，树立依托实验证据、严谨求实、敢于质疑的科学研究责任意识。 十、教学反思和修改 教学反思：本节课使用四张教材配图结合放电现象导入、汤姆孙电子实验、α 粒子散射装置、散射轨迹对比完整完成原子结构教学，但学生普遍存在三处典型认知误区：一是混淆两种原子模型，误以为核式结构出现前没有任何原子结构假说；二是记错散射实验现象，认为大部分 α 粒子发生大角度偏转；三是无法从受力角度解释 “极少数粒子反弹”，不能关联原子核极小、电荷集中的特点；部分小组不能完整说明枣糕模型与散射实验的核心矛盾。 修改措施：课前印制枣糕模型、核式模型对比填空预习单，提前区分两种模型；课堂增加散射实验现象逐条标注小练习，强化绝大多数、少数、极少数的区分；延长四人小组粒子受力辨析讨论时长，增设 “α 粒子近距离靠近原子核受力” 随堂问答题即时纠错；课后配套两种原子模型默写、散射三条现象梳理分层基础习题，配套模型矛盾解释拓展作业，强化模型区分、实验现象记忆、库仑斥力受力分析三重专项训练。 学科网（北京）股份有限公司 $