体验科学家的思维历程——《人类对原子结构的认识历史》的教学设计和实践

教师活动

学生回答与反应记录

[引入新课]

1903 年 ,英国科学家卢瑟福发现 α射线。

1910 年 ,卢瑟福与马斯顿、盖革等进行了用一束 α粒子轰击金箔的实验。

[投影](重复三次)α粒子散射实验演示

[问题 2]请描述 α粒子散射实验的现象。

[问题 3]汤姆生原子模型能解释α粒子散射实验吗?

[提示] 依据汤姆生原子模型 ,当α粒子轰击金箔时 ,应该出现怎样的现象?

[投影]α粒子轰击汤姆生的原子模型的现象。

[结论]汤姆生原子模型无法解释α粒子散射实验, 理论必须修正。

问 2 :开始反应一般 ,在教师引导下看第二、三次播放时 ,陆续尝试描述现象。

结论:

绝大多数 α粒子穿过金箔后仍沿着原来的方向前进 ,少数 α粒子发生了较大的偏转 ,极少数α粒子的偏转超过了 90 度 ,有的甚至达到 180 度 ,像是被金箔弹了回来。

问 3 :在教师引导下学生在纸上认真作图, 讨论积极。

结论:

观点 1 :原子紧密堆积 ,所有α粒子都要反弹;

观点 2 :原子间有少量空隙,大多数 α粒子都应反弹 ,部分可能通过原子间的空隙。

教师活动

学生回答与反应记录

问题 4]α粒子散射实验的现象说明了什么?

[提示]

1 .金属原子通常都是紧密堆积的 ,即原子间少有空隙;

2.电子带负电, 质量、体积很小。

[结论]原子中存在一个体积很小 ,质量很大, 且带正电的东西。

[问题 5]根据已有关于原子的实验及其认识, 你能否进行假设 :原子结构应该是怎样的?

[提示]原子由带正电的和负电的两部分构成, 带负电的是电子 ,质量很小。设想 ,带正电部分的会是怎样的? 带负电的电子又会以什么样的形态存在着?

[讲述]提出假设是建立科学理论的重要步骤, 但只有提出的假设能合理地解释科学实验的现象 ,才能成为科学理论。

[问题 6]你的原子模型假设能解释已发现的关于原子的实验现象吗? 尝试用你的模型解释实验现象。

问 4 :反应较热烈。主要观点有:

原子内部大部分都是空的 ,允许大多数的 α粒子通过;

原子中有一种东西与 α粒子一样 ,也带正电荷, 能将 α粒子反弹回来;

原子中有一种与 α粒子相似的粒子存在;

原子中有个核, 其能量和质量都很大 ,可以将 α粒子反弹回来……

问 5 :开始反应一般 ,进入讨论后 ,逐渐热烈, 有同学开始跟同伴辩论 ,经教师引导后 ,讨论更热烈,大都能提出自己的想法。

主要观点:

原子中的电子像围绕地球的大气一样 ,将核包围着:

原子像一个很大的肉包子 ,中间有一个很小, 但分量比较重的馅 ,电子就是包子中的孔;

原子就像行星系一样 ,中间的核是太阳 ,电子像行星一样围绕着太阳转……

由于不同电子之间的排斥 ,它们在 核  外做 不  规则 的 圆  周运 动 ……

问 6 :讨论热烈。有的学生觉得自己模型解释了现象 ;有的觉得还不够 ,需要改进; 还有的学生提出疑问 :带负电的电子和带正电的

“核”会粘在一起吗?

教师活动

学生回答与反应记录

[教师]

当年的科学家们是怎样思考的呢?

[投影]卢瑟福的思路历程

卢瑟福是汤姆生的研究生 ,他性格粗犷 ,双手灵巧 ,设计和完成了许多著名的科学实验, α粒子散射实验就是其中之一。基于 α粒子散射实验的事实, 卢瑟福推想 ,α粒子在原子中一定是碰到某种极为坚硬并与 α粒子带有同种电荷的东西,这种东西的体积一定很小 ,密度很大。受到太阳系结构模型的启发 ,他用太阳系模型与原子结构模型类比 ,根据“大宇宙与小宇宙相似”的思想, 他设想原子中有一个带正电并集中了原子绝大部分质量的核 ,即原子核 ,它居于原子的中心。电子在原子核四周绕着原子核运动 ,就像行星绕着太阳运动一样。这个模型后人称之为“核式模型”。

[问题 7] 同学们了解了卢瑟福原子模型的提出过程, 有何感想? 与你们刚才的思考过程相似吗?

[小结]当然 ,科学发现并不像大家想象的就那么简单, 卢瑟福 1903 年发现 α射线,1906-1 908 年进行 α粒子散射实验 ,1911年正式发表核式原子模型结构。以后又经过他学生盖革和马休斯的一系列工作 ,再加上这一模型解释了许多科学事实 ,才得到科学界的承认。

问 7 :反应热烈 ,许多人发出会心的笑声。

主要观点:

太相似了! 我们也可以当科学家了!

科学 家  很有 想 象 力 ,我们也挺有想象力的。

卢瑟福能发现这样的实验现象, 很伟大!

……