跨学科实践活动2 制作模型并展示科学家探索物质组成与结构的历程 导学案--2026-2027学年九年级化学人教版上册

跨学科实践活动2 制作模型并展示科学家探索物质组成与结构的历程 导学案 人教版 九年级上册 第三单元 物质构成的奥秘 一、学习目标（四维核心素养） 化学观念：建立物质是由微观粒子构成的基本观念，认识分子、原子的基本特征。 科学思维：通过梳理原子结构模型的演变历程，发展模型认知与逻辑推理能力。 科学探究：通过动手制作原子结构模型，提升实践操作与合作探究能力。 科学态度与责任：体会科学家不懈探索的精神，增强学习化学的兴趣与社会责任感。 二、学习重难点 学习重点：梳理科学家探索物质组成与结构的历史脉络，理解原子结构模型的演变过程。 学习难点：通过模型制作理解微观粒子的基本构成，认识科学模型是在实验证据基础上不断修正完善的。 三、课前预习案 （一）填空题 1. 物质是由______、______等微观粒子构成的，这些粒子的质量和体积都很小，且在不断地运动。 2. 英国科学家道尔顿提出了______论，他认为原子是坚实的、不可再分的实心球体。 3. 英国科学家汤姆孙发现了______，这一发现改变了人们认为原子不可再分的传统认识。 4. 卢瑟福通过著名的______实验，提出了原子的核式结构模型。 5. 意大利科学家阿伏加德罗提出了______学说，明确指出了分子与原子的区别和联系。 四、课中探究案 活动一：回顾物质的微观构成 我们身边的世界由各种各样的物质组成，从肉眼可见的山川河流到微小的尘埃颗粒，这些物质究竟是由什么构成的？这是自古以来人们就不断探索的问题。通过前面的学习，我们已经知道物质是由微小的粒子构成的，这些粒子包括分子、原子等。 微观粒子具有一些共同的基本性质：它们的质量和体积都非常小，肉眼无法直接观察到；它们总是在不断地运动着，温度越高运动速率越快；它们之间存在一定的间隔，物质的热胀冷缩现象就与粒子间间隔的变化有关。 分子和原子是构成物质的两种基本粒子。分子是保持物质化学性质的最小粒子，在化学变化中可以再分；原子是化学变化中的最小粒子，在化学变化中不能再分。分子是由原子构成的，例如一个水分子由两个氢原子和一个氧原子构成。在化学变化中，分子可以分裂成原子，原子重新组合成新的分子，这就是化学变化的实质。 【思考与讨论】 1. 为什么湿衣服在阳光下比在阴凉处干得更快？请用微观粒子的观点解释。 2. 从微观角度解释：为什么物质有固态、液态和气态三种状态的变化？ 3. 分子和原子的本质区别是什么？请举例说明。 【典例分析】 下列关于微观粒子的说法中，正确的是（ ） A. 物质都是由分子构成的 B. 分子是保持物质性质的最小粒子 C. 原子是化学变化中的最小粒子 D. 分子可以再分，原子不能再分 【变式训练】 用分子的观点解释下列现象，其中错误的是（ ） A. 酒精挥发——分子间间隔变大 B. 食物腐败——分子发生了变化 C. 热胀冷缩——分子大小随温度的变化而改变 D. 花香四溢——分子在不停地运动 活动二：追寻科学家探索物质组成的历程 人类对物质组成的认识经历了漫长的历史过程。自古以来，人们就好奇：世界万物到底是由什么基本成分组成的？古希腊哲学家认为万物是由水、火、气、土四种元素组成的，中国古代也有“五行说”，认为金、木、水、火、土是构成万物的基本元素。这些都是古代人们对物质组成的朴素认识。 到了近代，随着化学实验的兴起，科学家们开始用定量的方法研究物质的组成。法国化学家拉瓦锡是近代化学的奠基人之一，他通过精确的定量实验，研究了空气的组成和许多化学反应，提出了质量守恒定律，即参加化学反应的各物质的质量总和等于反应后生成的各物质的质量总和。这一定律的建立，为定量研究化学奠定了基础。 法国化学家普鲁斯特在大量实验的基础上，提出了定比定律，即任何纯净的化合物都有固定的组成，组成化合物的各元素之间的质量比是固定不变的。这一定律说明，物质的组成不是随意的，而是有严格的定量关系。 英国科学家道尔顿在前人研究的基础上，于十九世纪初提出了近代原子论。他认为：物质是由原子构成的，原子是微小的、不可再分的实心球体；同种原子的质量和性质都相同；不同元素化合时，原子以简单的整数比相结合。道尔顿的原子论能够很好地解释当时已知的一些化学定律，如质量守恒定律、定比定律等，标志着近代化学从定性描述走向定量研究。 然而，道尔顿的原子论也存在一些不足。例如，它无法解释为什么同温同压下，气体反应时体积之间存在简单的整数比关系。为了解决这些问题，意大利科学家阿伏加德罗提出了分子学说。他认为：物质在化学变化中能够独立存在的最小粒子是分子，分子是由原子构成的；同温同压下，同体积的任何气体都含有相同数目的分子。分子学说的提出，把原子论和分子学说统一起来，形成了近代原子分子论，为化学的发展奠定了重要的理论基础。 【思考与讨论】 1. 拉瓦锡的定量研究方法对化学发展有什么重要意义？ 2. 道尔顿的原子论主要观点有哪些？它有什么历史意义？ 3. 阿伏加德罗提出分子学说的原因是什么？分子学说的主要贡献是什么？ 【史料分析】 阅读下列材料，回答问题： 材料一：道尔顿认为，原子是组成物质的基本粒子，它们是不可再分的实心球体，在一切化学变化中保持本性不变。 材料二：阿伏加德罗认为，分子是物质中能够独立存在的最小粒子，分子是由原子组成的，化合物的分子是由不同元素的原子组成的。 （1）道尔顿原子论的核心观点是什么？ （2）阿伏加德罗的分子学说与道尔顿的原子论有什么联系和区别？ （3）为什么说原子分子论的建立是近代化学发展史上的重要里程碑？ 活动三：科学家认识原子结构的历程 道尔顿认为原子是不可再分的实心球体，这一观点在很长时间里被人们所接受。但是，随着科学技术的发展，新的实验事实不断出现，人们逐渐认识到原子并不是不可再分的，它本身也有复杂的结构。人类对原子结构的认识，经历了一个不断深化、不断完善的过程。 第一位打开原子结构大门的是英国科学家汤姆孙。1897年，汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子。电子是一种带负电荷的微小粒子，它的质量比原子小得多。这一发现具有划时代的意义，因为它证明了原子并不是不可再分的，原子内部还有更小的粒子。既然原子内部存在带负电的电子，而原子本身是电中性的，那么原子内部一定还存在带正电的部分。 根据实验事实，汤姆孙提出了一种原子结构模型。他认为，原子是一个均匀分布着正电荷的球体，带负电荷的电子像葡萄干镶嵌在面包里一样，镶嵌在这个球体之中。这个模型被称为“葡萄干面包模型”，也有人称之为“西瓜模型”。汤姆孙的模型虽然比较简单，但它第一次提出了原子有内部结构的观点，为后来的研究开辟了道路。 汤姆孙的学生卢瑟福通过著名的α粒子散射实验，对老师的模型提出了挑战。α粒子是一种带正电的、质量较大的粒子。卢瑟福让一束α粒子轰击很薄的金箔，然后观察α粒子穿过金箔后的偏转情况。按照汤姆孙的模型，α粒子应该几乎直线穿过金箔，只会发生很小的偏转。但实验结果却出人意料：绝大多数α粒子直线穿过了金箔，但有极少数α粒子发生了很大角度的偏转，甚至有个别α粒子被反弹了回来。 卢瑟福对这个实验结果进行了深入的分析和思考。他认为，只有当原子的绝大部分质量和全部正电荷都集中在一个很小的核心上时，才会出现大角度散射的现象。于是，卢瑟福在1911年提出了原子的核式结构模型。他认为：原子中心有一个很小的原子核，原子核集中了原子的全部正电荷和几乎全部质量；带负电的电子在原子核外的空间里绕核运动，就像行星绕着太阳运转一样。这个模型也被称为“行星模型”。 卢瑟福的核式结构模型很好地解释了α粒子散射实验的现象，它的建立是原子结构理论发展中的一个重要里程碑。但是，这个模型也存在一些问题。例如，按照经典物理学的理论，绕核运动的电子应该会不断地向外辐射能量，最终会掉到原子核上，导致原子不稳定。但事实上，原子是很稳定的，这就与经典理论产生了矛盾。 为了解决这个矛盾，丹麦物理学家玻尔在卢瑟福模型的基础上，引入了量子化的概念，提出了新的原子结构模型。玻尔认为，电子只能在一些特定的、分立的轨道上绕核运动，在这些轨道上运动时电子并不向外辐射能量，因此原子是稳定的。电子在不同轨道之间跃迁时，会吸收或放出特定能量的光。玻尔的模型成功地解释了一些简单原子的光谱现象，推动了原子结构理论的发展。 随着量子力学的发展，人们对电子运动的认识更加深入。现代科学认为，电子在原子核外的运动并不像行星绕太阳那样有固定的轨道，而是具有波粒二象性，我们无法同时准确地知道电子在某一时刻的位置和速度。现代原子结构模型用“电子云”来描述电子在核外空间出现的概率分布。电子云密度大的地方，表示电子在那里出现的概率大；电子云密度小的地方，表示电子在那里出现的概率小。电子云模型是目前被广泛接受的原子结构模型。 从道尔顿的实心球体模型，到汤姆孙的葡萄干面包模型，到卢瑟福的核式结构模型，到玻尔的轨道模型，再到现代的电子云模型，人类对原子结构的认识经历了一个漫长而曲折的过程。这个过程告诉我们：科学模型不是一成不变的，随着新的实验证据的出现，模型会不断地被修正和完善；科学研究是一个不断探索、不断创新的过程，需要科学家们大胆假设、小心求证，勇于挑战权威，敢于提出新的观点。 【思考与讨论】 1. 汤姆孙发现电子的实验基础是什么？这一发现有什么重大意义？ 2. α粒子散射实验的现象是什么？卢瑟福是如何根据实验现象提出核式结构模型的？ 3. 从道尔顿到现代的电子云模型，原子结构模型经历了哪些演变？ 4. 科学家们探索原子结构的历程给了你什么启示？ 【对比分析】 完成下列表格，比较不同时期原子结构模型的特点： 科学家 模型名称 主要观点 道尔顿 实心球体模型 原子是不可再分的实心球体 汤姆孙 葡萄干面包模型 正电荷均匀分布，电子镶嵌其中 卢瑟福 核式结构模型 中心有原子核，电子在核外运动 玻尔 轨道模型 电子在特定轨道上运动 薛定谔等 电子云模型 用电子云描述电子出现的概率 【典例分析】 卢瑟福的α粒子散射实验证明了（ ） A. 原子核是由质子和中子组成的 B. 原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里 C. 原子中有电子 D. 原子是实心球体 【变式训练】 下列关于原子结构模型的演变过程，正确的顺序是（ ） ①道尔顿实心球体模型 ②汤姆孙葡萄干面包模型 ③卢瑟福核式结构模型 ④电子云模型 ⑤玻尔轨道模型 A. ①②③④⑤ B. ①②③⑤④ C. ②①③⑤④ D. ①③②⑤④ 活动四：动手制作原子结构模型 了解了科学家们探索原子结构的历程之后，让我们亲自动手，制作一个原子结构模型。通过模型制作，我们可以更直观地理解原子的内部结构，体会科学模型在化学研究中的重要作用。 【活动准备】 1. 材料准备：橡皮泥或超轻黏土（不同颜色）、乒乓球或泡沫小球、细铁丝或竹签、剪刀、胶水等。 2. 方案设计：以小组为单位，讨论并设计你们要制作的原子结构模型。可以选择制作卢瑟福的核式结构模型，也可以尝试制作玻尔的轨道模型。 【制作步骤】 第一步：制作原子核。选择一种颜色的橡皮泥，捏成一个小球，作为原子核。注意原子核的体积相对于整个原子来说是非常小的，所以不要做得太大。 第二步：制作电子。选择另一种颜色的橡皮泥，捏成几个很小的小球，作为核外电子。电子的体积比原子核还要小。 第三步：搭建支架。用细铁丝或竹签做一个支架，把原子核固定在中心位置。 第四步：安装电子。如果制作核式结构模型，可以把电子固定在不同的位置，表示电子在核外空间运动；如果制作玻尔轨道模型，可以用细铁丝做几个同心圆轨道，把电子放在轨道上。 第五步：标注说明。在模型上标注出原子核和电子的位置，可以用标签纸写上说明文字。 【注意事项】 1. 注意安全，使用剪刀和细铁丝时要小心，不要伤到自己和同学。 2. 原子核的体积要做得足够小，体现出原子内部大部分空间是“空”的这一特点。 3. 小组内分工合作，有人负责制作，有人负责查阅资料，有人负责准备讲解词。 4. 模型要美观、牢固，便于展示和讲解。 【实践操作题】 1. 在你们制作的模型中，原子核和电子的大小比例是否合理？为什么原子的大部分质量都集中在原子核上？ 2. 如果用一个直径为10米的大球来模拟整个原子，那么原子核大约有多大？ 3. 对比不同小组制作的模型，说说各自的特点和优点。 活动五：展示与交流 各小组完成模型制作后，进行展示和交流。每个小组推选一名代表，向全班同学介绍你们的模型：你们制作的是哪个时期的原子结构模型？这个模型的主要观点是什么？有什么实验依据？在制作过程中你们有什么收获和体会？ 【展示要求】 1. 展示时要边展示模型边讲解，让同学们能够清楚地看到模型的各个部分。 2. 讲解内容要包括：模型提出者、模型的主要观点、实验依据、模型的意义和局限性。 3. 时间控制在合理范围内，突出重点，不要面面俱到。 【互评与反思】 1. 听完其他小组的展示后，你对哪个模型的印象最深？为什么？ 2. 通过这次活动，你对“科学模型”有了什么新的认识？ 3. 在小组合作中，你觉得你们小组哪些地方做得好？哪些地方还可以改进？ 【拓展思考】 1. 为什么说科学模型不是一成不变的？请结合原子结构模型的演变过程举例说明。 2. 科学家们在探索原子结构的过程中，有哪些科学方法值得我们学习？ 3. 随着科学技术的不断发展，未来的原子结构模型还会发生变化吗？为什么？ 【综合应用题】 阅读下列材料，回答问题： 十九世纪末，物理学界普遍认为物理学的大厦已经建成，后辈物理学家只需要做一些零星的修补工作就行了。但是，就在这时候，物理学界出现了一系列新的实验发现，这些发现用经典物理学理论无法解释，被称为“物理学危机”。电子的发现就是其中最重要的发现之一。 电子的发现，打破了“原子不可再分”的传统观念，把人们的目光引向了原子内部。从此，人类开始了探索原子结构的伟大征程，最终建立起了现代原子结构理论。 （1）为什么说电子的发现打破了“原子不可再分”的传统观念？ （2）从原子结构模型的演变历程中，你能总结出科学发展的一般规律吗？ （3）这对你今后的学习和生活有什么启示？ 五、参考答案 （一）课前预习案 填空题 1. 分子；原子 2. 原子 3. 电子 4. α粒子散射 5. 分子 （二）课中探究案 活动一：回顾物质的微观构成 思考与讨论： 1. 阳光下温度高，水分子运动速率更快，更容易扩散到空气中，所以湿衣服干得更快。 2. 物质在固态、液态、气态之间变化时，分子本身没有改变，只是分子间的间隔发生了变化。固态时分子间间隔最小，液态时稍大，气态时最大。 3. 分子和原子的本质区别是：在化学变化中，分子可以再分，而原子不能再分。例如，水分子在通电条件下可以分解成氢原子和氧原子，氢原子和氧原子再重新组合成氢分子和氧分子。 典例分析：C 解析：构成物质的粒子有分子、原子等，不只是分子，A错误；分子是保持物质化学性质的最小粒子，不能保持物理性质，B错误；原子是化学变化中的最小粒子，C正确；原子在化学变化中不能再分，但在其他条件下还可以再分，D错误。 变式训练：C 解析：热胀冷缩是分子间间隔随温度变化而改变，分子本身的大小不会改变，C错误。 活动二：追寻科学家探索物质组成的历程 思考与讨论： 1. 拉瓦锡的定量研究方法使化学从定性描述走向定量研究，为质量守恒定律的建立和近代化学的发展奠定了基础。 2. 道尔顿原子论的主要观点：物质由原子构成；原子是不可再分的实心球体；同种原子的质量和性质相同；不同元素化合时原子以简单整数比结合。历史意义：道尔顿原子论能够解释当时已知的化学定律，标志着近代化学的开端。 3. 原因：道尔顿的原子论无法解释气体反应体积比的实验事实。贡献：阿伏加德罗提出分子概念，区分了原子和分子，建立了原子分子论，完善了化学基本理论。 史料分析： （1）道尔顿认为原子是组成物质的基本粒子，不可再分，在化学变化中保持本性不变。 （2）联系：都认为物质是由微观粒子构成的。区别：道尔顿认为原子是不可再分的最小粒子；阿伏加德罗认为分子是独立存在的最小粒子，分子由原子构成。 （3）原子分子论统一了对物质结构的认识，能够解释更多的化学现象和实验定律，为化学的系统化发展奠定了理论基础。 活动三：科学家认识原子结构的历程 思考与讨论： 1. 实验基础：阴极射线实验。意义：发现了电子，证明原子是可分的，打破了“原子不可再分”的传统观念。 2. 现象：绝大多数α粒子直线穿过金箔，极少数发生大角度偏转，个别被反弹回来。卢瑟福根据这些现象推理：原子内部大部分空间是空的，中心有一个很小但质量很大的带正电的核，从而提出了核式结构模型。 3. 演变过程：道尔顿实心球体模型→汤姆孙葡萄干面包模型→卢瑟福核式结构模型→玻尔轨道模型→现代电子云模型。 4. 启示：科学发展是曲折前进的；科学模型需要实验验证；要勇于挑战权威、大胆创新；科学研究需要严谨的态度和不懈的探索精神。 对比分析表格答案： 道尔顿——实心球体模型——原子是不可再分的实心球体 汤姆孙——葡萄干面包模型——正电荷均匀分布，电子镶嵌其中 卢瑟福——核式结构模型——中心有原子核，电子在核外运动 玻尔——轨道模型——电子在特定轨道上运动 薛定谔等——电子云模型——用电子云描述电子出现的概率 典例分析：B 解析：α粒子散射实验证明了原子的核式结构，即原子中心有一个很小的原子核，集中了全部正电荷和几乎全部质量。 变式训练：B 解析：原子结构模型的演变顺序是：道尔顿实心球体模型→汤姆孙葡萄干面包模型→卢瑟福核式结构模型→玻尔轨道模型→电子云模型。 活动四：动手制作原子结构模型 实践操作题： 1. 合理。因为电子的质量很小，原子的大部分质量都集中在原子核上。 2. 如果原子直径为10米，原子核的直径大约只有几毫米，体现出原子核体积极小。 3. 各小组模型各有特点，有的注重结构准确性，有的注重美观性，可以互相学习。 活动五：展示与交流 互评与反思： 1. 开放题，言之有理即可。 2. 科学模型是对客观世界的近似反映，不是一成不变的；模型需要不断修正和完善；模型是科学研究的重要方法。 3. 开放题，言之有理即可。 拓展思考： 1. 是的。因为随着新的实验证据出现，旧的模型无法解释新的现象，就需要提出新的模型来代替或修正旧模型。例如，汤姆孙模型被卢瑟福模型修正，卢瑟福模型又被玻尔模型和电子云模型发展。 2. 科学方法：实验方法、模型方法、推理方法、假说方法、分析综合方法等。 3. 开放题，言之有理即可。 综合应用题： （1）因为电子是原子的组成部分，电子的发现说明原子内部还有更小的粒子，原子是可以再分的。 （2）科学发展是从简单到复杂、从宏观到微观不断深化的过程；科学理论需要实验验证；旧理论会被新理论修正和发展。 （3）启示：要保持好奇心和求知欲；要勇于质疑和探索；科学发展永无止境；要重视实验和证据。 学科网（北京）股份有限公司 $