4.2 原子的核式结构模型 教学设计 2026-2027学年高二下学期物理教科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，从回顾电子发现切入，梳理汤姆孙枣糕模型内容及缺陷，通过α粒子散射实验现象与旧模型的矛盾，推理建立核式结构模型，为后续玻尔模型学习搭建知识支架。 该资料以模型图解对比、轨迹逆向推理等方法为特色，结合枣糕模型、散射装置等四张示意图及动态动画，培养科学思维中的模型建构与科学推理能力，通过卢瑟福质疑权威的案例渗透科学态度，小组讨论与分层习题提升科学探究能力，助力学生建立微观结构观念，为教师提供清晰教学流程与丰富资源支持。

教学设计 课程名称 原子的核式结构模型 选用教材 高中物理教科版选修三 教学章节 第四章第二节 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 本节课承接上一节电子的发现，完整展现人类原子结构认知的迭代过程，分为四层递进内容。第一层展示枣糕模型示意图，回顾汤姆孙依据电子发现提出的早期原子模型，梳理该模型的内容与能够解释的物理现象，同时点明模型存在固有缺陷；第二层结合 α 粒子散射实验装置示意图，介绍实验器材、操作流程，梳理绝大多数、少数、极少数 α 粒子三种偏转现象；第三层借助 α 粒子散射轨迹示意图，对比枣糕模型无法解释大角度反弹现象，推理原子内部正电荷、质量高度集中，以此建立卢瑟福核式结构模型；第四张利用核式结构示意图，明确原子核尺寸、质量、电荷分布特点，类比太阳系行星模型，最后补充该模型无法解释原子稳定、光谱分立等局限。整节课以物理实验为核心判断依据，体现 “实验现象推翻旧理论、建立新模型” 的物理研究逻辑，完善微观原子结构完整认知，为后续玻尔原子模型铺垫基础。 二、学情分析 1. 知识基础 学生已经掌握电子是原子内部带负电微粒，知晓汤姆孙发现电子的完整实验流程；了解电荷间同种排斥、异种吸引的库仑作用；能够看懂粒子运动轨迹、实验装置示意图，但完全不了解 α 粒子的带电、质量属性，不清楚散射实验的设计目的；对原子核尺寸远小于原子、原子内部绝大部分空间为空无前置认知，容易混淆枣糕模型与核式结构模型的电荷分布。 2. 能力基础 学生具备基础示意图读图、实验现象描述能力，但自主从大量粒子偏转轨迹反向推理原子内部电荷、质量分布的逆向逻辑推理能力薄弱；区分两种原子模型核心差异的对比辨析能力不足；结合尺寸比例估算原子核相对大小、密度数量级的建模分析能力偏弱。 3. 思维基础 学生存在多处顽固认知误区：原子内部物质均匀填满，不存在大片真空；正电荷均匀分散在整个原子球体中；α 粒子大角度偏转是电子的排斥作用造成；核式结构模型能够完美解释全部原子相关现象；汤姆孙枣糕模型可以解释 α 粒子散射所有现象。 三、教学目标 1. 物理观念 建立分层原子微观结构观念：早期枣糕模型认为正电荷均匀分布，电子镶嵌其中；α 粒子散射实验证明枣糕模型错误，原子中心存在体积极小、集中全部正电荷与几乎全部质量的原子核，电子在核外广阔空间运动，原子内部绝大部分区域是空的；明确原子核尺寸远小于原子整体，原子中性源于核正电荷总量等于核外电子总负电荷；核式结构模型存在固有局限，无法解释原子稳定发光等微观现象。 2. 科学思维 依托枣糕模型示意图建立早期理论模型归纳思维；借助 α 粒子散射实验装置示意图建立实验器材、现象完整梳理的系统化思维；利用 α 粒子散射轨迹示意图建立由宏观粒子偏转现象逆向推导微观原子内部结构的演绎推理思维；结合核式结构示意图建立新旧模型对比、辨析优缺点的批判思维，四层思维同步开展训练。 3. 科学探究 观察枣糕模型图，复述汤姆孙原子模型内容与适用范围；读懂 α 粒子散射整套实验装置，完整描述三类粒子偏转现象；对比轨迹图分析枣糕模型无法解释大角度反弹的矛盾，推理原子核的存在；梳理卢瑟福核式结构完整内容，分析模型优势与局限；完整经历 “旧模型介绍 — 新实验探究 — 现象与旧模型冲突 — 构建新微观模型 — 辩证看待模型局限性” 完整科学探究流程。 4. 科学态度与责任 卢瑟福原本认同导师汤姆孙的枣糕模型，却依托真实实验现象大胆推翻导师理论，传递尊重实验事实、敢于质疑权威、求真务实的科研精神；原子模型经过两代科学家持续迭代，体现物理理论不断完善、永无终极定论的发展观；α 粒子散射精密实验依靠严谨的真空、薄金箔设计，培养学生细致严谨、控制变量开展物理实验的科研品格；微观原子结构研究推动核能、半导体产业发展，让学生体会基础微观物理实验支撑现代科技进步。 四、教学重难点 重点 α 粒子散射实验完整现象；枣糕模型与核式结构模型核心内容 由散射现象推理原子核存在；核式结构模型原子核尺寸、电荷、质量分布特点 难点 理解为何枣糕模型不能解释 α 粒子大角度散射、反弹现象 逆向推理：极少数 α 粒子反弹→原子正电荷、质量集中在极小核心区域 五、教学方法 五、教学方法 模型图解对比法：枣糕模型、核式结构示意图对照，区分两种原子模型电荷分布； 装置实验讲授法：α 粒子散射装置示意图分层拆解实验器材、操作流程； 轨迹逆向推理法：α 粒子散射轨迹图，从偏转现象反向推导原子内部结构； 小组讨论辨析法：分组交流枣糕模型与散射实验现象的矛盾点； 类比拓展教学法：太阳系行星类比核式结构，直观理解电子绕核运动。 六、教学资源 教科版高中物理选择性必修第三册课本；枣糕模型示意图、α 粒子散射实验装置示意图、α 粒子散射轨迹示意图、核式结构模型示意图四张教材配图；α 粒子散射动态演示动画；汤姆孙、卢瑟福生平科学史料；原子尺寸估算课堂练习单。 七、教学设计 教学环节 教师活动 学生活动 环节一 电子发现旧知回顾，枣糕模型图解导入，梳理早期原子理论（5 分钟） · 带领学生回顾上节课核心结论：电子是所有原子内部共有的带负电微粒，原子可以拆分，原子内部存在正负两种电荷。顺势抛出探究问题：既然原子整体呈电中性，正负电荷在原子内部如何排布？汤姆孙最早提出完整原子结构模型，本节课先学习该模型，再通过卢瑟福经典散射实验验证模型对错。 · 展示枣糕模型示意图 · 完整讲解汤姆孙枣糕模型全部内容：设想原子内正电荷均匀充满整个球体，带负电的电子像枣仁一样镶嵌在均匀正电球内部，电子分布在固定同心球壳上。补充模型优势：可以定性解释部分原子光辐射、元素周期相关规律。同步抛出思辨矛盾：该均匀分布模型能否解释高速带电粒子撞击原子时出现的大角度反弹现象？ · 组织学生两分钟同桌自由交流，教师巡回倾听学生猜想，收集学生普遍误区，多数学生会认为均匀分布的正电荷也能产生足够斥力，让 α 粒子大幅偏转。 · 梳理学生猜想漏洞：正电荷均匀分散时，对 α 粒子的库仑斥力会相互抵消，无法产生巨大反向作用力，不可能将高速粒子反弹，因此需要全新实验验证，卢瑟福设计 α 粒子散射实验直观呈现粒子偏转真实情况。 · 过渡铺垫：下一张装置示意图完整介绍 α 粒子散射实验整套器材、实验环境与探测方式。 · 跟随教师回顾电子、原子电中性相关旧知，记录本节课核心探究目标：依靠散射实验判断原子内部正负电荷真实排布。 · 认真观看枣糕模型示意图，完整复述模型内容：均匀正电球体，电子镶嵌其中，记住该模型能够解释的少量物理现象。 · 和身旁同桌相互交流均匀正电荷能否反弹 α 粒子的猜想，完整说出自身对电荷分布与库仑斥力关系的初步判断，标记疑问：何种电荷分布才能实现粒子大角度反弹。 · 跟随教师梳理猜想漏洞，建立核心逻辑：均匀分散正电荷无法提供强反向斥力，不能产生大角度散射。 · 带着 “α 粒子散射实验会出现怎样的偏转现象” 的疑问，进入实验学习环节。 环节二 α 粒子散射实验装置讲解，梳理三类实验现象（12 分钟） · 展示 α 粒子散射实验装置示意图 · 分层拆解整套装置各部件功能：左侧放射源释放高速 α 粒子，α 粒子带两倍电子正电荷、质量远大于电子；两块准直小孔筛选平行粒子束；中间放置极薄金箔，保证 α 粒子能穿过大量原子；整套装置置于真空环境，避免空气分子干扰粒子运动；外侧可移动环形探测器，能够探测各个方向散射的 α 粒子。讲解实验操作：放射源持续释放粒子，移动探测器记录不同角度粒子数量。 · 抛出同桌两分钟思辨讨论：实验使用极薄金箔、真空环境，两种设计分别起到什么关键作用，教师巡回倾听各组发言，梳理学生理解难点。 · 统一梳理实验设计目的：金箔极薄，α 粒子仅穿过少数原子，减少多层原子叠加干扰；真空环境消除空气分子碰撞造成的额外偏转，保证所有偏转仅由金箔原子内部电荷产生。完整板书三类实验现象：绝大多数 α 粒子穿过金箔后沿原方向前进，几乎无偏转；少数 α 粒子发生明显小角度偏转；极少数 α 粒子偏转角度超过九十度，甚至直接反向弹回。 · 过渡铺垫：三类偏转现象与汤姆孙枣糕模型严重冲突，下一张轨迹示意图直观对比粒子不同偏转路径，推理原子内部真实结构。 学生活动分步完整开展 1. 认真观看 α 粒子散射实验装置示意图，逐段记录放射源、准直孔、金箔、真空腔、探测器各部件作用，记住 α 粒子带正电、质量远大于电子的基础属性。 2. 和身旁同桌相互交流薄金箔、真空环境设计意义的思辨问题，分工从减少多层原子干扰、消除空气碰撞两层梳理论据，理解精密实验控制无关变量的设计思路。 3. 自主完整抄写三类 α 粒子散射现象，区分绝大多数、少数、极少数粒子的偏转差异，重点标记极少数粒子大角度反弹这一核心反常现象。 4. 建立实验现象与理论模型的矛盾认知，明确枣糕模型无法匹配真实实验结果，需要重新构建原子结构。 5. 能够独立口述整套散射实验的操作流程与环境要求，理解实验严谨性对结论的影响。 环节三 α 粒子散射轨迹图解逆向推理，建立原子核式结构模型（10 分钟） 展示 α 粒子的散射轨迹示意图 对照轨迹分层推理原子内部结构：绝大多数粒子直线穿过，说明原子内部绝大部分空间没有电荷、质量，是空的；少数粒子小幅偏转，是靠近微小正电荷核心，受到微弱库仑斥力；极少数粒子正对核心运动，受到极强同种电荷斥力，发生大角度反弹。综合推理：原子内部全部正电荷、几乎全部质量集中在体积极小的核心，命名为原子核，电子在广阔核外空间运动。 布置四人小组三分钟简短讨论任务，给出讨论主题：结合散射轨迹，逐条说明三条实验现象分别对应原子的什么结构特征，小组梳理三层论据准备发言。 汇总各小组代表发言内容，完整整合推理逻辑：直线穿过→原子内部大部分区域真空；小幅偏转→存在微小正电核心；大角度反弹→核心集中全部正电荷与质量，库仑斥力足够大。 展示核式结构模型示意图 完整讲解卢瑟福核式结构模型全部内容：原子中心存在原子核，直径远小于原子直径；原子核集中全部正电荷、几乎全部原子质量；核外电子绕原子核在广阔空间运动；中性原子核正电荷总量等于所有电子负电荷之和，类比太阳系行星运动，又称行星模型。补充尺寸数据：原子直径约十的负十次方米，原子核直径约十的负十五次方米，类比足球场与中心小球直观感受尺度差距。同时补充模型局限性：无法解释电子绕核运动持续辐射能量、原子光谱分立等微观现象。 过渡铺垫：梳理枣糕模型、散射实验、核式模型完整逻辑链条，结合分层习题巩固两种模型区分、散射现象推理两大核心考点。 认真观看 α 粒子散射轨迹示意图，对照三条轨迹分类对应实验现象，自主完成现象到微观结构的逆向推导，记住原子核极小、集中正电与质量。 四人小组围绕散射现象推理原子结构的思辨问题充分交流，分工对应三类粒子偏转梳理结构特征，小组代表举手完整分享小组推导结论。 认真观看核式结构模型示意图，标注重原子核、核外电子两层结构，记录原子与原子核巨大尺寸差距，复述行星类比特点。 自主对比枣糕模型、核式结构模型清单，从电荷分布、质量分布、原子内部空间三点区分两种模型核心差异。 客观认识核式结构模型只是阶段性理论，存在固有局限，并非完美无缺的终极原子模型。 环节四 分层习题巩固、模型发展主线梳理，课堂整体总结（13 分钟） 完整梳理原子模型发展主线：汤姆孙依靠电子发现提出枣糕均匀模型；卢瑟福 α 粒子散射实验出现反常偏转，推翻旧均匀模型；依靠轨迹逆向推理建立核式行星模型；同时客观说明核式模型存在局限，后续玻尔模型进一步完善理论。 出示四道分层课堂思考题，完整题目如下： ① 简述汤姆孙枣糕原子模型的内容，该模型能解释哪些简单现象，存在什么核心缺陷？ ② α 粒子散射实验为何选用薄金箔、真空装置？完整描述三类 α 粒子散射现象； ③ 极少数 α 粒子发生大于九十度的反弹，依靠该现象可推理原子具备怎样的内部结构？ ④ 写出卢瑟福核式结构模型完整内容，对比枣糕模型说出两处核心区别。 带领学生复盘本节课四张配图对应的核心知识：枣糕模型示意图认识早期均匀原子理论；α 粒子散射装置示意图掌握实验器材与设计要求；散射轨迹示意图完成现象到微观结构的逆向推理；核式结构示意图识记原子核尺寸、电荷、质量分布，串联模型迭代、实验探究、理论构建三层探究逻辑。 集中梳理本节课四类典型认知误区，在黑板逐条书写标注：原子内部填满物质、均匀正电荷可反弹 α 粒子、电子质量造成粒子大角度偏转、核式模型无任何缺陷，带领学生逐条回顾对应纠正知识点。 布置分层课后作业：基础作业完整抄写枣糕模型、核式结构模型文字内容；提升作业独立完成四道课堂分层思考题，完整书写答题内容；拓展作业利用原子、原子核尺寸，估算原子核与原子的体积、密度数量级。 · 认真聆听原子模型迭代发展主线梳理，自主构建 “旧模型 — 新实验 — 新模型” 的物理理论发展框架，记住实验是检验物理理论的唯一标准。 · 独立动笔完成四道分层课堂思考题，每一道题目都完整书写对应的分析、简答依据，完成后自行对照课堂四张示意图笔记梳理错题，标记自己理解模糊的逆向推理、两种模型区分知识点。 · 跟随教师复盘本节课枣糕模型图解、散射实验装置、粒子轨迹推理、核式结构模型完整探究主线，理清四张配图对应的三大知识板块逻辑关联。 · 在课本对应页面记录四类典型认知误区，标注对应的纠正知识点，方便课后复习规避错误理解。 · 完整记录三层课后作业，区分概念识记、简答分析、定量估算三类任务，明确每一层作业完成要求。 环节五 课堂收尾 · 回扣开篇枣糕模型示意图进行收尾总结：本节课我们先学习汤姆孙基于电子发现提出的枣糕均匀原子模型；再完整研究卢瑟福 α 粒子散射实验，梳理三类反常偏转现象；依靠粒子轨迹逆向推理，推翻均匀枣糕模型，建立原子核式行星结构模型，明确原子核体积极小、集中全部正电荷与质量，原子内部大部分区域为真空；同时辩证认识核式结构模型存在无法解释原子光谱等局限。下一节课将学习玻尔原子模型，弥补核式结构模型的理论缺陷。 · 完整回顾本节课全部核心内容：枣糕模型内容与缺陷、α 粒子散射实验器材与现象、散射轨迹逆向推理逻辑、核式结构模型完整内容与局限，清晰记住四张教材图片对应的完整探究主线，为玻尔原子模型学习搭建原子结构理论基础。 八、板书设计 九、课程思政 本节课依托枣糕模型示意图、α 粒子散射实验装置示意图、α 粒子散射轨迹示意图、核式结构模型示意图四组教材素材，沿着早期原子理论介绍、散射精密实验探究、微观结构逆向推理、新旧模型辩证对比的完整脉络落实多维育人目标。第一，卢瑟福是汤姆孙的学生，原本认同导师提出的枣糕模型，却忠实依托 α 粒子散射真实实验现象，大胆推翻导师理论、构建全新核式模型，引导学生树立实验事实高于固有理论、敢于质疑权威、求真务实的核心科学品格；第二，原子结构理论历经汤姆孙、卢瑟福两代物理学家持续完善，不存在一步到位的终极模型，体现物理学科不断探索、持续迭代、永无止境的发展观念，培养学生终身探究的科学追求；第三，α 粒子散射实验设计薄金箔、真空腔体、环形精密探测器，层层控制无关变量，展现物理定量实验严谨细致、精益求精的设计要求，引导学生做实验、分析现象时秉持严谨规范的态度；第四，从枣糕均匀模型到核式行星模型的完整研究，依靠宏观粒子偏转现象推导无法直接观测的微观原子内部，锻炼学生宏观微观结合的辩证思维；第五，原子核式结构的研究开启原子核物理、核能利用领域，深刻影响能源、半导体工业发展，让学生认识到基础微观物理实验具备巨大民生与科技价值。 十、教学反思和修改 1. 教学反思 本节课四张模型、实验、轨迹示意图素材直观易懂，小组散射现象推理讨论课堂参与度较高，但学生存在四类顽固认知误区，知识理解存在明显薄弱点：第一，多数学生无法理解均匀分布正电荷不能产生大角度斥力，混淆枣糕模型与散射现象的内在矛盾；第二，逆向推理能力薄弱，不能自主将 “极少数粒子反弹” 和 “原子核极小、集中全部电荷质量” 建立对应逻辑；第三，混淆电子与原子核的质量、电荷贡献，误认为电子会造成 α 粒子大幅偏转；第四，片面认为核式结构模型完美无缺，忽略模型固有理论局限；同时部分学生自主区分两种原子模型、完整复述散射三类现象的语言归纳能力偏弱，答题要点遗漏较多。 2. 修改措施 第一，课前印发预习填空单，标注四大核心易错点：均匀正电荷无法反弹 α 粒子、原子内部大部分为真空、大角度散射源于原子核、核式模型存在局限； 第二，课堂增加四轮抢答互动练习：枣糕模型缺陷、散射实验设计目的、粒子反弹推理结论、两种模型核心差异，快速纠正基础认知误区； 第三，延长四人小组轨迹示意图辨析讨论时长，帮扶逻辑薄弱学生，分直线穿过、小幅偏转、大角度反弹三类整理现象与原子结构对应清单； 第四，课后配套分层作业，基础层抄写两种原子模型完整内容；提升题完整完成四道课堂分层思考题；拓展作业估算原子与原子核尺寸、密度数量级； 第五，下节课课前两分钟快速复盘 α 粒子散射现象、核式结构核心内容，衔接玻尔原子模型新课，巩固宏观现象推理微观结构的科学探究思维。 学科网（北京）股份有限公司 $