4.3 原子的核式结构模型 教学设计 -2026-2027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”，以中国原子弹、氢弹爆炸视频导入，激发学习兴趣，通过汤姆孙“枣糕”模型的提出与α粒子散射实验的验证，构建从旧模型到核式结构模型的知识脉络。 特色在于融合科学思维与科学探究，通过模拟实验视频（如α粒子轰击枣糕模型、核式结构模拟）帮助理解实验现象，对比汤姆孙与卢瑟福模型培养模型建构能力，渗透科学态度与责任，助力学生掌握核心知识，为教师提供直观教学资源。

教学设计 课程基本信息 学科 物理 年级 高二 学期 春期 课题 原子的核式结构模型 教学目标 1. 物理观念：掌握原子的核式结构模型。 2. 科学思维：通过原子的“枣糕”模型和核式结构模型，感受物理建模的过程。 3. 科学探究：通过观察a粒子散射实验以及自制模拟实验的实验过程，培养学生观察能力，感悟以实验为基础的科学探究方法。 4. 科学态度与责任：通过体验科学探索的过程，体会老一辈科学家艰苦奋斗的精神，坚持实事求是的科学态度。 教学重难点 教学重点： 1. α粒子散射实验。 2. 原子的核式结构模型。 教学难点： 1. α粒子散射实验。 教学过程 教学环节 教师活动 学生活动 设计意图 一、导入新课 播放原子弹爆炸视频： 图1 中国第一颗原子弹爆炸成功视频 图2 中国第一颗原子弹爆炸成功 1964年10月16日下午3时，我国第一颗原子弹爆炸试验成功，仅仅2年8个月后，我国第一颗氢弹空投爆炸试验成功，这一速度震惊世界，体现出了中华民族的智慧和生生不息的精神！ 图3 中国第一颗氢弹爆炸成功 原子弹和氢弹所能造成的伤害是无比巨大的，所以我们国家奉行在任何时候任何情况下都不首先使用核武器的和政策，主张世界和平。原子弹的出现，表示人类已经能够初步利用原子能，但一切的开端，还得先弄清楚什么是原子，这节课我们就来学习原子的构造。 了解相关历史，体会老一辈科学家在原子弹、氢弹制造过程中的艰辛。 以我国第一颗原子弹、氢弹爆炸为引，让学生体会老一辈科学家知难而上勇攀高峰的科学精神。激起学生的民族自豪感，同时让学生知道“千里之行始于足下”，学习物理需要从基础出发。 二、汤姆孙原子模型 电子的发现告诉了人们原子下面还有更小的物理基元，也就是说原子可以再分。 【思考一】原子内部有什么组成部分呢？它构造是什么样子的呢？ 物质通常呈现电中性，但是电子带负电，所以原子中除了带负电的电子以外，应该还有带正电的一部分。 汤姆孙“枣糕”模型： 图4枣糕模型 正电荷构成了一个密度均匀的球体，电子“镶嵌”在其中，并分布在一些特定的同心圆或者球壳上，类似于生活中常见的西瓜、枣糕，所以才将此模型称作“枣糕”模型。 思考并回答问题，逐步在头脑中构建出汤姆孙的“枣糕”模型，并了解其特点。 以问题引导的方式，使学生经历汤姆孙原子模型构建的思维过程，感受物理模型构建的基本思路与方法。 三、α粒子散射实验 那么这个模型是否正确呢？ 需要用实验验证，但是原子太小，常规方式很难观察到，那怎么办呢？ 在生活中，我们想知道核桃内部的构造，就得去砸开核桃，类似的，科学家们用高速粒子流去轰击实验材料，或者让两种高速粒子流对撞，从撞击结果来分析原子内部的构造，比如现在我们经常听到的高能粒子对撞机，就是基于这样的考虑建成的。 【思考二】如果汤姆孙的“枣糕”模型成立，那么用高速粒子流轰击金属原子，会出现什么样的结果呢？ 观看模拟实验视频： 图5 高速粒子流轰击枣糕模型（反弹） 图6 高速粒子流轰击枣糕模型（穿透） 在枣糕模型成立的前提下，若原子中正电荷部分密度较大，高速粒子流会被反弹回来，若原子中正电荷密度较小，高速粒子流会穿透原子。 在1909年英国物理学家卢瑟福和他的助手也做过类似的、更精确的实验，也就是我们这节课要重点学习的α粒子散射实验： 图7 α粒子散射实验装置示意图 图8 α粒子散射实验原理图 实验原理：将α粒子源封装在铅盒中，让α粒子从小孔射出，经过加速形成高速粒子流，这样会使α粒子具有很大的动能，然后打在金箔上，可移动探头可以绕金箔中心点做圆周运动，若有α粒子打在探头上会发出荧光，从而被探测到。 （播放α粒子散射实验电脑模拟视频） 图9 α粒子散射实验结果 实验结果： 1、 绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进或只发生很小的偏转； 2、 少数α粒子发生了大角度偏转； 3、 大约1/8000的α粒子偏转角度大于了90° 4、 极少数的α粒子被“撞回来了” 这与我们之前的设想并不一样，在大量α粒子穿透原子的基础上，有少数的α粒子发生了大角度偏转，物理实验是严谨的，怎么解释大角度偏转便成了接下来需要解决的难题。 【思考三】：α粒子的偏转会不会是因为电子与其的碰撞造成的？ 提示：α粒子为正二价氦离子，其质量为氢原子质量的4 倍、电子质量的7300倍。 图10 α粒子撞击电子模拟实验 根据模拟实验可以发现，由于电子的质量远小于α粒子，就算α粒子与电子发生对心碰撞，也不会对α粒子的轨迹造成大的影响。 【思考四】：那要怎样才能实现少数α粒子大角度偏转呢？ 我们可以从生活中寻找答案。 图11 α粒子撞击小质量原子核模拟实验 结论1：若正电荷部分质量太小，则α粒子不会发生大角度偏转。这说明原子内正电荷部分拥有大质量。 图12 α粒子撞击大体积原子核模拟实验 结论2：若正电荷部分体积太大，则发生大角度偏转的α粒子数会太多。说明原子内部正电荷有小体积。 图13 α粒子撞击轻小体积大质量模拟实验 前两个视频的结论告诉我们原子内部的正电荷拥有大质量、小体积，那么可以猜想，是不是金原子中质量和电荷量都集中在一个小范围上呢，用实验来验证一下。（视频） 我们得到了与卢瑟福α粒子散射实验类似的结果。 虽然真实情况下α粒子的大角度偏转是因为带正电的α粒子与金原子中正电荷之间的排斥力的作用，而模拟实验的大角度偏转是因为相互碰撞，两个力的本质不同，但是单从实验现象来讲，是能够互通的。 模拟实验与真实实验现象类似，也就表示我们的猜想是正确的。。 仔细观察实验视频，得到枣糕模型成立前提下的实验预期。 仔细观察视频及动态图片，理解α粒子散射实验的装置及原理。 思考并回答相关问题。 观察模拟实验的视频，并与真实的α粒子散射实验做比较。 通过模拟实验，在学生头脑里形成高速粒子流轰击原子的实验预期，然后与卢瑟福实验结果做对比，从差异中寻找、分析原子结构。 用动态图片以及视频的再现经典实验，降低学生的理解难度。 用互相矛盾的实验结果引起学生的学习兴趣，从两个实验的差异入手，分析原子构造。 用模拟实验的方式，进一步降低α粒子散射实验结果分析的难度，使学生更容易理解。 使学生经历提出猜想+实验验证的过程，落实物理学科素养。 四、原子的核式结构模型 卢瑟福原子结构模型（原子的核式结构模型）： 原子中间有一个体积很小、带正电的核，它拥有原子全部的正电荷以及原子近乎全部的质量，叫做原子核，而电子在核外绕核运动。 图14 核式结构模型示意图 图15 原子与原子核大小对比 回顾原子核式结构模型的构建过程，有两点建议给到同学们： 1、 多观察，多思考 在分析枣糕模型以及α粒子散射实验的时候，老师都用了模拟实验的方式来帮助同学们理解，虽然微观世界不能为肉眼所见，但是只要你仔细观察，勤思考，也许就能在宏观世界中找到微观世界的影子。 2、 正视历史 卢瑟福通过α粒子散射实验得出了新的原子模型，自然也就否定了汤姆孙的枣糕模型，但是枣糕模型就没有意义吗？ 图16 原子结构研究历史 汤姆孙的枣糕模型在解释物质电中性、元素的周期性以及原子光辐射等方面做出了突出贡献，但也有其不足的地方，比如不能解释α粒子散射实验。 卢瑟福提出的原子核式结构模型不但能解释α粒子散射实验，还突破性的提出了原子核的概念，甚至能够估算原子及原子核的大小，，为原子物理的进一步研究提供了方向，也是原子弹、氢弹的理论基础。但是也有其不足之处。按照经典理论，电子做圆周运动会向外辐射能量，这样会使得电子半径减少，10-11s以后，原子将不复存在，这明显与事实不符， 科学家们在原子核式结构模型的基础上，提出了量子理论，弥补了原子核式结构模型的不足，量子理论是物理学的前沿理论，他能解释光的吸收与辐射，能够解释原子光谱，也是很多现代信息技术的理论基础，但是也有其不足，这恰恰说明自然科学具有探索性，科学研究是一个长期性的过程，需要不断地进行探索和修正。 【思考五】：利用原子的核式结构模型解释α粒子散射实验的结果： 当α粒子穿过原子时，电子的影响可以忽略，但是需要考虑原子核的排斥力，由于原子核直径太小，只有原子直径的十万分之一，所以大多数α粒子离原子核较远，受到的排斥力很小，运动方向几乎不变。只有极少数的、比较靠近原子核的α粒子会受到较大的排斥力，出现大角度偏转甚至被“撞回来”。 图17 α粒子散射实验原理示意图 理解并掌握核式结构的特点。 并学会用核式结构解释α粒子散射实验的结果。 让学生学习从生活中寻找灵感，仔细观察生活。 让学生体会自然科学研究的漫长与艰辛，从而落实物理学科素养。 五、课后总结 图18 本节课知识脉络图 本节课主要跟随物理学历史的脚步，学习了前人对原子结构的探索过程，通过这节课我们认识了汤姆孙提出的原子的“枣糕”模型、卢瑟福提出的原子核式结构模型，也了解了α粒子散射实验的原理及结果分析。 总结本节课内容。 梳理本节课知识体系。 学科网（北京）股份有限公司 $