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1、第十八章 原子結(jié)構(gòu) 18.1 電子的發(fā)現(xiàn) 一、教學(xué)目標(biāo)： 1、知識(shí)與技能 （1）了解陰極射線及電子發(fā)現(xiàn)的過(guò)程； （2）知道湯姆孫研究陰極射線發(fā)現(xiàn)電子的實(shí)驗(yàn)及理論推導(dǎo)。 2、過(guò)程與方法： 培養(yǎng)學(xué)生對(duì)問(wèn)題的分析和解決能力，初步了解原子不是最小不可分割的粒子。 3、情感、態(tài)度與價(jià)值觀： 理解人類對(duì)原子的認(rèn)識(shí)和研究經(jīng)歷了一個(gè)十分漫長(zhǎng)的過(guò)程，這一過(guò)程也是辯證發(fā)展的過(guò)程，根據(jù)事實(shí)建立學(xué)說(shuō)，發(fā)展學(xué)說(shuō)，或是決定學(xué)說(shuō)的取舍，發(fā)現(xiàn)新的事實(shí)，再建立新的學(xué)說(shuō)。人類就是這樣通過(guò)光的行為，經(jīng)過(guò)分析和研究，逐漸認(rèn)識(shí)原子的。 教學(xué)重點(diǎn)：陰極射線的研究。 教學(xué)難點(diǎn)：湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子的理論推導(dǎo)。 教學(xué)方法：

2、實(shí)驗(yàn)演示和啟發(fā)式綜合教學(xué)法。 教學(xué)用具：投影片，多媒體輔助教學(xué)設(shè)備。 教學(xué)過(guò)程： 第一節(jié) 電子的發(fā)現(xiàn) （一）引入新課 很早以來(lái)，人們一直認(rèn)為構(gòu)成物質(zhì)的最小粒子是原子，原子是一種不可再分割的粒子。這種認(rèn)識(shí)一直統(tǒng)治了人類思想近兩千年。直到19世紀(jì)末，科學(xué)家對(duì)實(shí)驗(yàn)中的陰極射線深入研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)了電子，使人類對(duì)微觀世界有了新的認(rèn)識(shí)。電子的發(fā)現(xiàn)是19世紀(jì)末、20世紀(jì)初物理學(xué)三大發(fā)現(xiàn)之一。 （二）進(jìn)行新課 1、陰極射線 氣體分子在高壓電場(chǎng)下可以發(fā)生電離，使本來(lái)不帶電的空氣分子變成具有等量正、負(fù)電荷的帶電粒子，使不導(dǎo)電的空氣變成導(dǎo)體。 問(wèn)題：是什么原因讓空氣分子變成帶電粒子

3、的？帶電粒子從何而來(lái)的？ 史料：科學(xué)家在研究氣體導(dǎo)電時(shí)發(fā)現(xiàn)了輝光放電現(xiàn)象。1858年德國(guó)物理學(xué)家普呂克爾較早發(fā)現(xiàn)了氣體導(dǎo)電時(shí)的輝光放電現(xiàn)象。德國(guó)物理學(xué)家戈德斯坦研究輝光放電現(xiàn)象時(shí)認(rèn)為這是從陰極發(fā)出的某種射線引起的。所以他把這種未知射線稱之為陰極射線。對(duì)于陰極射線的本質(zhì)，有大量的科學(xué)家作出大量的科學(xué)研究，主要形成了兩種觀點(diǎn)。 （1）電磁波說(shuō)：代表人物，赫茲。認(rèn)為這種射線的本質(zhì)是一種電磁波的傳播過(guò)程。 （2）粒子說(shuō)：代表人物，湯姆孫。認(rèn)為這種射線的本質(zhì)是一種高速粒子流。 思考：你能否設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行陰極射線的研究，能通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)說(shuō)明這種射線是一種電磁波還是一種高速粒子流。 C C1

4、 C2 l Y A￠ S + - + 磁場(chǎng) 如果出現(xiàn)什么樣的現(xiàn)象就可以認(rèn)為這是一種電磁波，如果出現(xiàn)其他什么樣的現(xiàn)象就可以認(rèn)為這是一種高速粒子流，并能否測(cè)定這是一種什么粒子。 2、湯姆孫的研究 英國(guó)物理學(xué)家湯姆孫在研究陰極射線時(shí)發(fā)現(xiàn)了電子。實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，從高壓電場(chǎng)的陰極發(fā)出的陰極射線，穿過(guò)C1C2后沿直線打在熒光屏A＇上。 （1）當(dāng)在平行極板上加一如圖所示的電場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)陰極射線打在熒光屏上的位置向下偏，則可判定，陰極射線帶有負(fù)電荷。 （2）為使陰極射線不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，則請(qǐng)思考可在平行極板區(qū)域采取什么措施。 在平行極板區(qū)域加一

5、磁場(chǎng)，且磁場(chǎng)方向必須垂直紙面向外。當(dāng)滿足條件： 時(shí)，則陰極射線不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。則： （3）根據(jù)帶電的陰極射線在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況可知，其速度偏轉(zhuǎn)角為： x L 螢?zāi)? D S S O 電場(chǎng)E A y + - e m y1 y2 + v0 v 又因?yàn)椋? 且 則： 根據(jù)已知量，可求出陰極射線的比荷。 思考：利用磁場(chǎng)使帶電的陰極射線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，能否根據(jù)磁場(chǎng)的特點(diǎn)和帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)計(jì)算陰極射線的比荷？ 湯姆孫發(fā)現(xiàn)，用不同材料的陰極和不同的方法做實(shí)驗(yàn)，所得比荷的數(shù)值是相等的。這說(shuō)明，這種粒子是構(gòu)成各種物質(zhì)的共

6、有成分。并由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的陰極射線粒子的比荷是氫離子比荷的近兩千倍。若這種粒子的電荷量與氫離子的電荷量機(jī)同，則其質(zhì)量約為氫離子質(zhì)量的近兩千分之一。湯姆孫后續(xù)的實(shí)驗(yàn)粗略測(cè)出了這種粒子的電荷量確實(shí)與氫離子的電荷量差別不大，證明了湯姆孫的猜測(cè)是正確的。湯姆生把新發(fā)現(xiàn)的這種粒子稱之為電子。 電子的電荷量 e＝1.60217733×10－19C 第一次較為精確測(cè)量出電子電荷量的是美國(guó)物理學(xué)家密立根利用油滴實(shí)驗(yàn)測(cè)量出的。密立根通過(guò)實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，電荷具有量子化的特征。即任何電荷只能是e的整數(shù)倍。電子的質(zhì)量 m＝9.1093897×10－31kg 課堂例題 例題1：一只陰極射線管，左側(cè)不斷有電子射出，

7、若在管的正下方，放一通電直導(dǎo)線AB時(shí)，發(fā)現(xiàn)射線徑跡向下偏，則：（ ） A B A．導(dǎo)線中的電流由A流向BB．導(dǎo)線中的電流由B流向A C．若要使電子束的徑跡往上偏，可以通過(guò)改變AB中的電流方向來(lái)實(shí)現(xiàn) D．電子束的徑跡與AB中的電流方向無(wú)關(guān) 例題2：有一電子（電荷量為e）經(jīng)電壓為U0的電場(chǎng)加速后，進(jìn)入兩塊間距為d，電壓為U的平行金屬板間，若電子從兩板正中間垂直電場(chǎng)方向射入，且正好能穿過(guò)電場(chǎng)，求： A B U0 v0 + + + + － － － － （1）金屬板AB的長(zhǎng)度 （2）電子穿出電場(chǎng)時(shí)的動(dòng)能 18．2 原子的核式

8、結(jié)構(gòu)模型 一、教學(xué)目標(biāo)： （一）知識(shí)與技能 1．了解原子結(jié)構(gòu)模型建立的歷史過(guò)程及各種模型建立的依據(jù)。 2．知道粒子散射實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，及原子核式結(jié)構(gòu)模型的主要內(nèi)容。 （二）過(guò)程與方法 1．通過(guò)對(duì)粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論與交流，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)現(xiàn)象的分析中歸納中得出結(jié)論的邏輯推理能力。 2．通過(guò)核式結(jié)構(gòu)模型的建立，體會(huì)建立模型研究物理問(wèn)題的方法，理解物理模型的演化及其在物理學(xué)發(fā)展過(guò)程中的作用。 3．了解研究微觀現(xiàn)象。 （三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀 1．通過(guò)對(duì)原子模型演變的歷史的學(xué)習(xí)，感受科學(xué)家們細(xì)致、敏銳的科學(xué)態(tài)度和不畏權(quán)威、尊重事實(shí)、尊重科學(xué)的科學(xué)精神。 2．通過(guò)對(duì)原子結(jié)構(gòu)

9、的認(rèn)識(shí)的不斷深入，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到人類對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)是不斷擴(kuò)大和加深的，領(lǐng)悟和感受科學(xué)研究方法的正確使用對(duì)科學(xué)發(fā)展的重要意義。 教學(xué)重點(diǎn) 1．引導(dǎo)學(xué)生小組自主思考討論在于對(duì)粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析從而否定葡萄干布丁模型，得出原子的核式結(jié)構(gòu)； 2．在教學(xué)中滲透和讓學(xué)生體會(huì)物理學(xué)研究方法，滲透三個(gè)物理學(xué)方法：模型方法，黑箱方法和微觀粒子的碰撞方法； 教學(xué)難點(diǎn)： 引導(dǎo)學(xué)生小組自主思考討論在于對(duì)ɑ粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析從而否定葡萄干布丁模型，得出原子的核式結(jié)構(gòu) 教學(xué)方法：教師啟發(fā)、引導(dǎo)，學(xué)生討論、交流。 教學(xué)用具：投影片，多媒體輔助教學(xué)設(shè)備 課時(shí)安排：1 課時(shí) 教學(xué)過(guò)程： （一）引入

10、新課 講述：湯姆生發(fā)現(xiàn)電子，根據(jù)原子呈電中性，提出了原子的葡萄干布丁模型。 學(xué)生活動(dòng)：師生共同得出湯姆生的原子葡萄干布丁模型。 點(diǎn)評(píng)：用動(dòng)畫(huà)展示原子葡萄干布丁模型。 （二）進(jìn)行新課 1．粒子散射實(shí)驗(yàn)原理、裝置 ?（1）粒子散射實(shí)驗(yàn)原理： 湯姆生提出的葡萄干布丁原子模型是否對(duì)呢？ 原子的結(jié)構(gòu)非常緊密，用一般的方法是無(wú)法探測(cè)它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的，要認(rèn)識(shí)原子的結(jié)構(gòu)，需要用高速粒子對(duì)它進(jìn)行轟擊。而粒子具有足夠的能量，可以接近原子中心。它還可以使熒光屏物質(zhì)發(fā)光。如果粒子與其他粒子發(fā)生相互作用，改變了運(yùn)動(dòng)方向，熒光屏就能夠顯示出它的方向變化。研究高速的粒子穿過(guò)原子的散射情況，是研究原子結(jié)構(gòu)的有效

11、手段。 學(xué)生：體會(huì)粒子散射實(shí)驗(yàn)中用到科學(xué)方法；滲透科學(xué)精神（勇于攀登科學(xué)高峰，不怕苦、不怕累的精神）的教育。 教師指出：研究原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)要用到的方法：黑箱法、微觀粒子碰撞方法。 （2）粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置 粒子散射實(shí)驗(yàn)的裝置，主要由放射源、金箔、熒光屏、望遠(yuǎn)鏡和轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)幾部分組成。粒子散射實(shí)驗(yàn)在課堂上無(wú)法直接演示，希望借助多媒體系統(tǒng)，利用動(dòng)畫(huà)向?qū)W生模擬實(shí)驗(yàn)的裝置、過(guò)程和現(xiàn)象，使學(xué)生獲得直觀的切身體驗(yàn)，留下深刻的印象。通過(guò)多媒體重點(diǎn)指出，熒光屏和望遠(yuǎn)鏡能夠圍繞金箔在一個(gè)圓周上運(yùn)動(dòng)，從而可以觀察到穿透金箔后偏轉(zhuǎn)角度不同的粒子。并且要讓學(xué)生了解，這種觀察是非常艱苦細(xì)致的工作，所用的時(shí)間也是相當(dāng)長(zhǎng)

12、的。 ?動(dòng)畫(huà)展示粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置動(dòng)畫(huà)展示實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)顯微鏡觀察到的現(xiàn)象 （3）實(shí)驗(yàn)的觀察結(jié)果 ?必須向?qū)W生明確：入射的粒子分為三部分。大部分沿原來(lái)的方向前進(jìn)，少數(shù)發(fā)生了較大偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。 ?提問(wèn)學(xué)生，師生共同用科學(xué)語(yǔ)言表述實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 2．原子的核式結(jié)構(gòu)的提出 ?（1）投影出三個(gè)問(wèn)題讓學(xué)生先自己思考，然后以四人小組討論。其中第1、2個(gè)問(wèn)題學(xué)生基本上能討論出，第三個(gè)問(wèn)題，通過(guò)師生共同分析，然后讓學(xué)生小組討論，進(jìn)行邏輯推理得出原子的結(jié)構(gòu)。 ?三個(gè)問(wèn)題是：用湯姆生的葡萄干布丁模型能否解釋ɑ 粒子大角度散射？請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)以下三方面去考慮： （1）粒子出現(xiàn)大角度散射有沒(méi)有可能

13、是與電子碰撞后造成的？ （2）按照葡萄干布丁模型，粒子在原子附近或穿越原子內(nèi)部后有沒(méi)有可能發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)？ （3）你認(rèn)為原子中的正電荷應(yīng)如何分布，才有可能造成ɑ粒子的大角度偏轉(zhuǎn)？為什么？ ?學(xué)生小組討論、小組間互相提問(wèn)，解答。 （2）教師小結(jié)： ?對(duì)于問(wèn)題1、2： ?按照葡萄干布丁模型，①碰撞前后，質(zhì)量大的粒子速度幾乎不變。只可能是電子的速度發(fā)生大的改變，因此不可能出現(xiàn)反彈的現(xiàn)象，即使是非對(duì)心碰撞，也不會(huì)有大角散射。 ②對(duì)于粒子在原子附近時(shí)由于原子呈中性，與ɑ粒子之間沒(méi)有或很小的庫(kù)侖力的作用，正電荷在原子內(nèi)部均勻的分布，粒子穿過(guò)原子時(shí)，由于原子兩側(cè)正電荷將對(duì)它的斥力有相當(dāng)大一部分

14、互相抵消，使粒子偏轉(zhuǎn)的力不會(huì)很大，所以粒子大角度散射說(shuō)明葡萄干布丁模型不符合原子結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。 ?師生互動(dòng)，學(xué)生小組討論，學(xué)生分析推理得到盧瑟福的原子結(jié)構(gòu)模型。 對(duì)于問(wèn)題3： 先通過(guò)課件師生分析，然后小組討論，推理分析得到盧瑟福的原子結(jié)構(gòu)模型。教師起引導(dǎo)和組織作用。 ?教師小結(jié)：實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)極少數(shù)ɑ粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，甚至反彈回來(lái)，表明這些ɑ粒子在原子中某個(gè)地方受到了質(zhì)量、電量均比它本身大得多的物體的作用，可見(jiàn)原子中的正電荷、質(zhì)量應(yīng)都集中在一個(gè)中心上。 ①絕大多數(shù)粒子不偏移→原子內(nèi)部絕大部分是“空”的。 ②少數(shù)粒子發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)→原子內(nèi)部有“核”存在。 ③極少數(shù)粒子被彈回　　表明

15、：作用力很大；質(zhì)量很大；電量集中。 點(diǎn)評(píng)：教師進(jìn)行科學(xué)研究方法教育：模型法 （實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象）、→（分析推理）→（構(gòu)造模型） ?（通過(guò)湯姆生的原子結(jié)構(gòu)模型到盧瑟福的原子的核式結(jié)構(gòu)模型的建立，既滲透科學(xué)探究的因素教學(xué)，又進(jìn)行了模型法的教學(xué)，并將盧瑟福的原子的核式結(jié)構(gòu)模型與行星結(jié)構(gòu)相類比，指出大自然的和諧統(tǒng)一的美，滲透哲學(xué)教育。通過(guò)學(xué)生對(duì)這三個(gè)問(wèn)題的討論與交流，順理成章地否定了葡萄干布丁模型，并開(kāi)始建立新的模型。希望這一部分由學(xué)生自己完成，教師總結(jié)，總結(jié)時(shí)，突出湯姆生原子模型與粒子散射實(shí)驗(yàn)之間的矛盾，可以將粒子分別穿過(guò)葡萄干布丁模型和核式結(jié)構(gòu)模型的不同現(xiàn)象用動(dòng)畫(huà)模擬，形成強(qiáng)烈的對(duì)比，突破難點(diǎn)）

16、?聯(lián)想在以前的學(xué)習(xí)中有哪些進(jìn)行了模型法的教學(xué)，在哪些方面的研究中可以應(yīng)用模型法來(lái)研究。 得到盧瑟福的原子的核式結(jié)構(gòu)模型后再展示立體動(dòng)畫(huà)粒子散射模型，使學(xué)生有更清晰的直觀形象、生動(dòng)的認(rèn)識(shí)。 3．原子核的電荷與大小 關(guān)于原子的大小應(yīng)該讓學(xué)生有個(gè)數(shù)量級(jí)的概念，即原子的半徑在10-10m左右，原子核的大小在10-15～10-14m左右．原子核的半徑只相當(dāng)于原子半徑的萬(wàn)分之一，體積只相當(dāng)于原子體積的萬(wàn)億分之一。為了加深學(xué)生的印象，可舉一些較形象的比喻或按比例畫(huà)些示意圖，同時(shí)通過(guò)表格展示，對(duì)比。 ?? 半 徑 大 小 （數(shù)量級(jí)） 類 比 原子 10-10m 足球場(chǎng) 原子核 10-

17、15m~10-14m 一枚硬幣 （三）課堂小結(jié) 教師活動(dòng)：讓學(xué)生概括總結(jié)本節(jié)的內(nèi)容。請(qǐng)一個(gè)同學(xué)到黑板上總結(jié)，其他同學(xué)在筆記本上總結(jié)，然后請(qǐng)同學(xué)評(píng)價(jià)黑板上的小結(jié)內(nèi)容。 學(xué)生活動(dòng)：認(rèn)真總結(jié)概括本節(jié)內(nèi)容，并把自己這節(jié)課的體會(huì)寫(xiě)下來(lái)、比較黑板上的小結(jié)和自己的小結(jié)，看誰(shuí)的更好，好在什么地方。 點(diǎn)評(píng)：總結(jié)課堂內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生概括總結(jié)能力。 教師要放開(kāi)，讓學(xué)生自己總結(jié)所學(xué)內(nèi)容，允許內(nèi)容的順序不同，從而構(gòu)建他們自己的知識(shí)框架。 （四）作業(yè)：課本P55第1、3、4題 教學(xué)體會(huì) 本節(jié)課在未準(zhǔn)備前，本人開(kāi)始和大部分的老師一樣，均認(rèn)為該課很容易上，也沒(méi)什么多少內(nèi)容可教學(xué)，作為上公開(kāi)課不合適；因?yàn)閭?/p>

18、統(tǒng)的教學(xué)中，只是告訴學(xué)生湯姆生的葡萄干布丁模型，粒子散射實(shí)驗(yàn)，盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型，一節(jié)課15分鐘就可以講完了。 傳統(tǒng)的教學(xué)中只是“授人以魚(yú)，并未授人以漁”，學(xué)生并不知道盧瑟福的粒子散射實(shí)驗(yàn)為什么要這樣做，并沒(méi)有學(xué)會(huì)盧瑟福通過(guò)推理分析得出原子的核式結(jié)構(gòu)模型的科學(xué)方法，可以說(shuō)，這節(jié)課最精華的所在：科學(xué)研究方法如模型法、黑箱法、微觀粒子碰撞法，學(xué)生并沒(méi)有從中體會(huì)到，是舍本求末的教學(xué)法。 本節(jié)課最大的成功之處有： ?（1）通過(guò)動(dòng)畫(huà)展示了盧瑟福的粒子散射實(shí)驗(yàn)，突破了傳統(tǒng)教學(xué)中本實(shí)驗(yàn)不夠條件做，只能通過(guò)圖片介紹的不足；使難的知識(shí)變得更形象生動(dòng)，更容易。 ?（2）通過(guò)讓學(xué)生小組討論三個(gè)問(wèn)題：有

19、關(guān)用湯姆生的葡萄干布丁模型能否解釋ɑ粒子散射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，一步一步得出盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型，從而利于提高學(xué)生的邏輯推理能力，觀察能力，有利用培養(yǎng)學(xué)生勇于攀登科學(xué)高峰，不怕苦、不怕累的科學(xué)精神。 ?（3）使學(xué)生通過(guò)本課的學(xué)習(xí)，體會(huì)并掌握到研究原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)（未知世界）的三種方法：模型法、黑箱法、微觀粒子碰撞法，充分體現(xiàn)了新課程中“授人以魚(yú)，不如授人以漁”的基本思想。? （4）探索在擴(kuò)招情況下，進(jìn)行教學(xué)有效性的策略研究，是本節(jié)課的試驗(yàn)主題之一，也是我校開(kāi)展的一個(gè)重要課題；本節(jié)課在有些學(xué)生的能力要求太高的地方，采用小步跑的方法，將難點(diǎn)的梯度設(shè)置為幾個(gè)臺(tái)階，如三個(gè)問(wèn)題的回答討論，就采用這一方法，從而

20、有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和保持學(xué)習(xí)物理的積極性，使學(xué)生不斷獲得成就感，在小組中體會(huì)到自己的重要性和學(xué)會(huì)在小組學(xué)習(xí)中進(jìn)行協(xié)作團(tuán)結(jié)。 ?（5）在教學(xué)中雖然不能進(jìn)行真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，但同樣處處滲透著新課程理念的科學(xué)探究思想； ?例如：根據(jù)原子里面的結(jié)構(gòu)是怎樣的？（提出問(wèn)題）──電子的發(fā)現(xiàn)──原子呈電中性──湯姆生因此提出葡萄干布丁模型（猜想與假設(shè)）──是否正確？可以解釋一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，有其一定的正確性──但無(wú)法解釋粒子散射實(shí)驗(yàn)（進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證）──根據(jù)ɑ粒子散射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象──在原有葡萄干布丁模型基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，盧瑟福提出新的原子的核式結(jié)構(gòu)──建立新的理論（新的猜想與假設(shè)）──進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證──電子云

21、?教學(xué)之中要注意的地方和教學(xué)中的火花： ?在學(xué)習(xí)的回答三個(gè)問(wèn)題中，教師要靈活地處理學(xué)生問(wèn)到的問(wèn)題，不要回避問(wèn)題，這些問(wèn)題有的也許是思想的火花，有的是學(xué)生理解中的誤區(qū)，教師要能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，而這些就更要求新課程下的教師要更具有較高的研究水平，要進(jìn)一步提高教師的備課水平和質(zhì)量，要能及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生如何去分析問(wèn)題和進(jìn)行研究，而不是單一提供現(xiàn)成的答案； 例如：（1）學(xué)生可能在分析問(wèn)題同時(shí)，粒子能將電子打出，那么在屏上就能看到的是電子的亮點(diǎn)，這樣打在屏上的亮點(diǎn)就不一定是散射后粒子。教師可以引導(dǎo)學(xué)生分析：粒子打出電子后，根據(jù)碰撞的相關(guān)知識(shí)可知，粒子的速度幾乎不變；又由于電子的質(zhì)量很小，粒子的質(zhì)量較大，當(dāng)電

22、子碰撞到屏上時(shí)，能量較小，體積較小，不易觀察到，從屏上觀察到的應(yīng)該是粒子。 18．3 氫原子光譜 一、教學(xué)目標(biāo)： （一）知識(shí)與技能 1．了解光譜的定義和分類。 2．了解氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，知道巴耳末系。 3．了解經(jīng)典原子理論的困難。 （二）過(guò)程與方法 通過(guò)本節(jié)的學(xué)習(xí)，感受科學(xué)發(fā)展與進(jìn)步的坎坷。 （三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀 培養(yǎng)我們探究科學(xué)、認(rèn)識(shí)科學(xué)的能力，提高自主學(xué)習(xí)的意識(shí)。 教學(xué)重點(diǎn)：氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 教學(xué)難點(diǎn)：經(jīng)典理論的困難 教學(xué)方法：教師啟發(fā)、引導(dǎo)，學(xué)生討論、交流。 教學(xué)用具：投影片，多媒體輔助教學(xué)設(shè)備 課時(shí)安排：1 課時(shí) 教學(xué)過(guò)程： （

23、一）引入新課 講述： 粒子散射實(shí)驗(yàn)使人們認(rèn)識(shí)到原子具有核式結(jié)構(gòu)，但電子在核外如何運(yùn)動(dòng)呢？它的能量怎樣變化呢？通過(guò)這節(jié)課的學(xué)習(xí)我們就來(lái)進(jìn)一步了解有關(guān)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。 （二）進(jìn)行新課 1．光譜（結(jié)合課件展示） 早在17世紀(jì)，牛頓就發(fā)現(xiàn)了日光通過(guò)三棱鏡后的色散現(xiàn)象，并把實(shí)驗(yàn)中得到的彩色光帶叫做光譜。 （如圖所示） 講述： 光譜是電磁輻射（不論是在可見(jiàn)光區(qū)域還是在不可見(jiàn)光區(qū)域）的波長(zhǎng)成分和強(qiáng)度分布的記錄。有時(shí)只是波長(zhǎng)成分的記錄。 （1）發(fā)射光譜 物體發(fā)光直接產(chǎn)生的光譜叫做發(fā)射光譜。 發(fā)射光譜可分為兩類：連續(xù)光譜和明線光譜。 引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材，回答什么是連續(xù)光譜和明線光譜？ 學(xué)生回答

24、：連續(xù)分布的包含有從紅光到紫光各種色光的光譜叫做連續(xù)光譜。只含有一些不連續(xù)的亮線的光譜叫做明線光譜。明線光譜中的亮線叫譜線，各條譜線對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的光。 教師講述：熾熱的固體、液體和高壓氣體的發(fā)射光譜是連續(xù)光譜。例如白熾燈絲發(fā)出的光、燭焰、熾熱的鋼水發(fā)出的光都形成連續(xù)光譜。如圖所示。 稀薄氣體或金屬的蒸氣的發(fā)射光譜是明線光譜。明線光譜是由游離狀態(tài)的原子發(fā)射的，所以也叫原子的光譜。實(shí)踐證明，原子不同，發(fā)射的明線光譜也不同，每種原子只能發(fā)出具有本身特征的某些波長(zhǎng)的光，因此明線光譜的譜線也叫原子的特征譜線。如圖所示。 （2）吸收光譜 教師：高溫物體發(fā)出的白光（其中包

25、含連續(xù)分布的一切波長(zhǎng)的光）通過(guò)物質(zhì)時(shí)，某些波長(zhǎng)的光被物質(zhì)吸收后產(chǎn)生的光譜，叫做吸收光譜。各種原子的吸收光譜中的每一條暗線都跟該種原子的原子的發(fā)射光譜中的一條明線相對(duì)應(yīng)。這表明，低溫氣體原子吸收的光，恰好就是這種原子在高溫時(shí)發(fā)出的光。因此吸收光譜中的暗譜線，也是原子的特征譜線。太陽(yáng)的光譜是吸收光譜。如圖所示。 課件展示，氫、鈉的光譜、太陽(yáng)光譜 投影各種光譜的特點(diǎn)及成因知識(shí)結(jié)構(gòu)圖： （3）光譜分析 由于每種原子都有自己的特征譜線，因此可以根據(jù)光譜來(lái)鑒別物質(zhì)和確定的化學(xué)組成。這種方法叫做光譜分析。 原子光譜的不連續(xù)性反映出原子結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，所以光譜分析也可以用于探索原子的結(jié)構(gòu)

26、。 2．氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 教師講述：氫原子是最簡(jiǎn)單的原子，其光譜也最簡(jiǎn)單。 引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材61頁(yè)有關(guān)內(nèi)容。 （課件展示） 3．盧瑟福原子核式模型的困難 教師：（講述）盧瑟福原子核式模型無(wú)法解釋氫原子光譜的規(guī)律。 引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材62頁(yè)有關(guān)內(nèi)容。 教師總結(jié)：按經(jīng)典理論電子繞核旋轉(zhuǎn)，作加速運(yùn)動(dòng)，電子將不斷向四周輻射電磁波，它的能量不斷減小，從而將逐漸靠近原子核，最后落入原子核中。 軌道及轉(zhuǎn)動(dòng)頻率不斷變化，輻射電磁波頻率也是連續(xù)的， 原子光譜應(yīng)是連續(xù)的光譜。實(shí)驗(yàn)表明原子相當(dāng)穩(wěn)定，這一結(jié)論與實(shí)驗(yàn)不符。實(shí)驗(yàn)測(cè)得原子光譜是不連續(xù)的譜線。 （三）課堂小結(jié) 教師活動(dòng)：讓學(xué)生概括

27、總結(jié)本節(jié)的內(nèi)容。請(qǐng)一個(gè)同學(xué)到黑板上總結(jié)，其他同學(xué)在筆記本上總結(jié)，然后請(qǐng)同學(xué)評(píng)價(jià)黑板上的小結(jié)內(nèi)容。 學(xué)生活動(dòng)：認(rèn)真總結(jié)概括本節(jié)內(nèi)容，并把自己這節(jié)課的體會(huì)寫(xiě)下來(lái)、比較黑板上的小結(jié)和自己的小結(jié)，看誰(shuí)的更好，好在什么地方。 點(diǎn)評(píng)：總結(jié)課堂內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生概括總結(jié)能力。 教師要放開(kāi)，讓學(xué)生自己總結(jié)所學(xué)內(nèi)容，允許內(nèi)容的順序不同，從而構(gòu)建他們自己的知識(shí)框架。 （四）作業(yè)：課本P62第1、3、4題 18．4 玻爾的原子模型 一、教學(xué)目標(biāo)： （一）知識(shí)與技能 1．了解玻爾原子理論的主要內(nèi)容。 2．了解能級(jí)、能量量子化以及基態(tài)、激發(fā)態(tài)的概念。 （二）過(guò)程與方法 通過(guò)玻爾理論的

28、學(xué)習(xí)，進(jìn)一步了解氫光譜的產(chǎn)生。 （三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀 培養(yǎng)我們對(duì)科學(xué)的探究精神，養(yǎng)成獨(dú)立自主、勇于創(chuàng)新的精神。 教學(xué)重點(diǎn)：玻爾原子理論的基本假設(shè) 教學(xué)難點(diǎn)：玻爾理論對(duì)氫光譜的解釋。 教學(xué)方法：教師啟發(fā)、引導(dǎo)，學(xué)生討論、交流。 教學(xué)用具：投影片，多媒體輔助教學(xué)設(shè)備 課時(shí)安排：1 課時(shí) 教學(xué)過(guò)程： （一）引入新課 復(fù)習(xí)提問(wèn)： 1．α粒子散射實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象是什么？ 2．原子核式結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)的內(nèi)容是什么？ 電子繞核運(yùn)動(dòng)（有加速度） 輻射電磁波 頻率等于繞核運(yùn)行的頻率 能量減少、軌道半徑減少 頻率變化

29、 電子沿螺旋線軌道落入原子核 原子光譜應(yīng)為連續(xù)光譜 （矛盾：實(shí)際上是不連續(xù)的亮線） 原子是不穩(wěn)定的 （矛盾：實(shí)際上原子是穩(wěn)定的） 3．盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)與經(jīng)典電磁理論的矛盾 教師：為了解決上述矛盾，丹麥物理學(xué)家玻爾，在1913年提出了自己的原子結(jié)構(gòu)假說(shuō)。 （二）進(jìn)行新課 1．玻爾的原子理論 （1）能級(jí)（定態(tài)）假設(shè)：原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖然繞核運(yùn)動(dòng)，但并不向外輻射能量。這些狀態(tài)叫定態(tài)。（本假設(shè)是針對(duì)原子穩(wěn)定性提出的） （2）躍遷假設(shè)：原子

30、從一種定態(tài)（設(shè)能量為En）躍遷到另一種定態(tài)（設(shè)能量為Em）時(shí)，它輻射（或吸收）一定頻率的光子，光子的能量由這兩種定態(tài)的能量差決定，即 （h為普朗克恒量） （本假設(shè)針對(duì)線狀譜提出） （3）軌道量子化假設(shè)：原子的不同能量狀態(tài)跟電子沿不同的圓形軌道繞核運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)。原子的定態(tài)是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道的分布也是不連續(xù)的。（針對(duì)原子核式模型提出，是能級(jí)假設(shè)的補(bǔ)充） 2.玻爾根據(jù)經(jīng)典電磁理論和牛頓力學(xué)計(jì)算出氫原子的電子的各條可能軌道半徑和電子在各條軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量（包括動(dòng)能和勢(shì)能）公式： 軌道半徑： n=1，2，3…… 能 量： n=1，2，3…… 式中r1、E1、分別

31、代表第一條（即離核最近的）可能軌道的半徑和電子在這條軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量，rn、En 分別代表第n條可能軌道的半徑和電子在第n條軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量，n是正整數(shù)，叫量子數(shù)。 3．氫原子的能級(jí)圖 從玻爾的基本假設(shè)出發(fā)，運(yùn)用經(jīng)典電磁學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的理論，可以計(jì)算氫原子中電子的可能軌道半徑和相應(yīng)的能量。 （1）氫原子的大?。簹湓拥碾娮拥母鳁l可能軌道的半徑rn： rn=n2r1， r1代表第一條（離核最近的一條）可能軌道的半徑 r1=0.53×10-10 m 例：n=2， r2=2.12×10-10 m （2）氫原子的能級(jí)：①原子在各個(gè)定態(tài)時(shí)的能量值En稱為原子的能級(jí)。它對(duì)應(yīng)電子在各條

32、可能軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量En（包括動(dòng)能和勢(shì)能） En=E1/n2 n=1，2，3，······ E1代表電子在第一條可能軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量 E1=-13.6eV 注意：計(jì)算能量時(shí)取離核無(wú)限遠(yuǎn)處的電勢(shì)能為零，電子帶負(fù)電，在正電荷的場(chǎng)中為負(fù)值，電子的動(dòng)能為電勢(shì)能絕對(duì)值的一半，總能量為負(fù)值。 例：n=2，E2=-3.4eV， n=3，E3=-1.51eV， n=4，E4=-0.85eV，…… 氫原子的能級(jí)圖如圖所示。 4．玻爾理論對(duì)氫光譜的解釋 （1）基態(tài)和激發(fā)態(tài) 基態(tài)：在正常狀態(tài)下，原子處于最低能級(jí)，這時(shí)電子在離核最近的軌道上運(yùn)動(dòng)，這種定態(tài)，叫基態(tài)。

33、 激發(fā)態(tài)：原子處于較高能級(jí)時(shí)，電子在離核較遠(yuǎn)的軌道上運(yùn)動(dòng)，這種定態(tài)，叫激發(fā)態(tài)。 （2）原子發(fā)光：原子從基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷的過(guò)程是吸收能量的過(guò)程。原子從較高的激發(fā)態(tài)向較低的激發(fā)態(tài)或基態(tài)躍遷的過(guò)程，是輻射能量的過(guò)程，這個(gè)能量以光子的形式輻射出去，吸收或輻射的能量恰等于發(fā)生躍遷的兩能級(jí)之差。 說(shuō)明：氫原子中只有一個(gè)核外電子，這個(gè)電子在某個(gè)時(shí)刻只能在某個(gè)可能軌道上，或者說(shuō)在某個(gè)時(shí)間內(nèi)，由某軌道躍遷到另一軌道——可能情況只有一種?？墒?，通常容器盛有的氫氣，總是千千萬(wàn)萬(wàn)個(gè)原子在一起，這些原子核外電子躍遷時(shí)，就會(huì)有各種情況出現(xiàn)了。但是這些躍遷不外乎是能級(jí)圖中表示出來(lái)的那些情況。 5．夫蘭克—赫茲實(shí)驗(yàn)

34、 （1）實(shí)驗(yàn)的歷史背景及意義 1911年，盧瑟福根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)，提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型。1913年，玻爾將普朗克量子假說(shuō)運(yùn)用到原子核式結(jié)構(gòu)模型，建立了與經(jīng)典理論相違背的兩個(gè)重要概念：原子定態(tài)能級(jí)和能級(jí)躍遷概念。電子在能級(jí)之間躍遷時(shí)伴隨電磁波的吸收和發(fā)射，電磁波頻率的大小取決于原子所處兩定態(tài)能級(jí)間的能量差。隨著英國(guó)物理學(xué)家埃萬(wàn)斯對(duì)光譜的研究，玻爾理論被確立。但是任何重要的物理規(guī)律都必須得到至少兩種獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)方法的驗(yàn)證。隨后，在1914年，德國(guó)科學(xué)家夫蘭克和他的助手赫茲采用電子與稀薄氣體中原子碰撞的方法（與光譜研究相獨(dú)立），簡(jiǎn)單而巧妙地直接證實(shí)了原子能級(jí)的存在，從而為玻爾原子理論提供了有力的

35、證據(jù)。 1925年，由于他二人的卓越貢獻(xiàn)，他們獲得了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（1926年于德國(guó)洛丁根補(bǔ)發(fā)）。夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)至今仍是探索原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的主要手段之一。所以，在近代物理實(shí)驗(yàn)中，仍把它作為傳統(tǒng)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。 （2）夫蘭克—赫茲實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ) 根據(jù)玻爾的原子理論，原子只能處于一系列不連續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài)之中，其中每一種狀態(tài)相應(yīng)于一定的能量值En（n=1，2，3‥），這些能量值稱為能級(jí)。最低能級(jí)所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)稱為基態(tài)，其它高能級(jí)所對(duì)應(yīng)的態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。 當(dāng)原子從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)就會(huì)吸收或輻射一定頻率的電磁波，頻率大小決定于原子所處兩定態(tài)能級(jí)間的能量差。 （h為普朗克恒量）

36、本實(shí)驗(yàn)中是利用一定能量的電子與原子碰撞交換能量而實(shí)現(xiàn)，并滿足能量選擇定則： （V為激發(fā)電位） 夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)玻璃容器充以需測(cè)量的氣體，本實(shí)驗(yàn)用的是汞。電子由陰級(jí)K發(fā)出，K與柵極G之間有加速電場(chǎng)，G與接收極A之間有減速電場(chǎng)。當(dāng)電子在KG空間經(jīng)過(guò)加速、碰撞后，進(jìn)入KG空間時(shí)，能量足以沖過(guò)減速電場(chǎng)，就成為電流計(jì)的電流。 （3）實(shí)驗(yàn)原理： 改進(jìn)的夫蘭克-赫茲管的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。電子由陰極K發(fā)出，陰極K和第一柵極G1之間的加速電壓VG1K及與第二柵極G2之間的加速電壓VG2K使電子加速。在板極A和第二柵極G2之間可設(shè)置減速電壓VG2A。 設(shè)汞原子的基態(tài)能量為E0，第一

37、激發(fā)態(tài)的能量為E1，初速為零的電子在電位差為V的加速電場(chǎng)作用下，獲得能量為eV，具有這種能量的電子與汞原子發(fā)生碰撞，當(dāng)電子能量eV