Разработка урока "Строение атома. Опыт Резерфорда", 11 класс
методическая разработка по физике (11 класс) на тему

Методическая разработка урока физики

в 11 классе

 «Строение атома. Опыт Резерфорда»

                                                         учитель физики

Коковина В.П.

Цели урока:

Учебно-образовательные.

Раскрыть последовательность развития учения о строении атома. Рассмотреть опыт, подтверждающий сложность строения атома (опыт Резерфорда).

Познакомить учащихся с результатами этого опыта и недостатками модели атома Резерфорда.

Учебно-развивающие.

Продолжить работу по развитию у учащихся навыков конспектирования, умений выделять главное и выражать это главное устно или письменно.

Воспитательные.

Воспитывать у учащихся чувство толерантности.

План урока.

1 этап. Кратковременный проект «Кирпичики мироздания»

2 этап. Организационно-ориентировочный.

1. Организационный момент.
2. Объявление темы урока. Постановка цели.

3 этап. Усвоение новых знаний.

1. Развитие взглядов на строение атома.
2. Опыт Резерфорда.
3. Результаты опыта Резерфорда.
4. Объяснение результатов опыта.
5. Планетарная модель атома.
6. Трудности модели Резерфорда.

3 этап. Закрепление нового материала.

4 этап. Рефлексивно-оценочный.

1. Постановка домашнего задания.
2. Итоги урока.

Ход урока.

1. Организационный момент.

2.Кратковременный проект «Кирпичики мироздания»

Проблемный вопрос «Из чего состоит наш мир?»

Цель:

ознакомить учащихся с развитием учения о строении веществ;

Планирование

1. Представления древних философов о строении веществ

2. Изготовление моделей молекулы

3. Определение размеров молекул

Группа 1

Задание: составить опорный конспект по данному тексту

Цель: изучить, как развивались представления об атомно-молекулярном строении вещества

Выяснить:

Общие свойства между: землей и водой; водой и твердым телом; землей и огнем.

Создание идеальной основы мира из геометрических фигур.

Представления древних философов о строении веществ

С давних времен люди научились беречь и уважать землю и воду. Земля и вода — основа жизни. Да и общего между ними немало. Отбери у них тепло, которое несет с собой огонь, и станет жидкая вода твердой коркой. Такой твердой, как камень. У камня твердость — основное свойство. И льда тоже. Разве это не означает, что камень и лед — родственники.

А что будет, если добавить земли тепла, нагреть ее в пламени? Жар расплавит твердое камней. Потечет оно огненными ручьями. А разве текучесть — это не главное свойство воды? Получается, что с этой стороны земля и огонь — родственники, объединенные мощной силой огня. Уже в древние времена древние люди умели плавить твердую землю и добывать из нее семь металлов: золото, серебро, медь, свинец, олово, ртуть и железо.

До наших дней сохранилась книга, написана китайскими мудрецами еще за тысячу лет до нашей эры. Называется она «Книга о гармонии тьмы». Авторы собрали в ней все, что было известно на то время мир. По их мнению, он имел пять основ. В первых трех — земля, вода и огонь — мудрецы добавили еще металл и дерево.

Увеличение количества элементов нарушало единство мира. И постепенно начали поговаривать, что такие рассуждения неверны, ошибочны и что в мире должна быть вообще только одна «первичная материя»... Какая? Здесь случались разногласия. И действительно, в древнейших трактатах индийской философии сказано, что все на свете состоит из мельчайших круглых частиц — зеренану. Зерна эти так малы, что не имеют даже размера и не делятся на части. Они вечны и неизменны и находятся в постоянном движении. Все вещи и существа — комбинация зеренану. Когда существо погибало, частицы, из которых она состояла, распадались, формируясь затем в новый организм.

В V в. до нашей эры жил в жарком сицилийском городе Акраганта человек по имени Эмпедокл. Был он сыном знатного человека, прославился как противник тирании и борец за республику. Такая слава была особенно почетна, поскольку правили сицилийскими городами тогда в основном тираны.

Молодой Эмпедокл был известен как поэт и весьма красноречивый оратор-ритор. А надо сказать, что умение красиво говорить слишком ценилось в Древней Греции. Эмпедокл знал взгляды некоторых философов, что жили до него, поэтому, не способен был сделать выбор между единственными праматериями, он счел за лучшее объединить их и стал поучать, что мир состоит не из какой-то одной сущности, а с четырех — земли, воды, воздуха и огня. Но собственно сущностей ему было мало. Стоило еще подумать о силах, которые их объединяют и разделяют, а следовательно, способствуют возникновению, и разрушению тел. Эмпедокл за мировые силы выбрал дружбу и вражду (или любовь и ненависть). Вот как об этом он писал в своей поэме:

Сначала выслушай, что четыре корня всего сущего огонь, вода, земля, и безграничная высь эфира (воздуха).

Из них (образовалось) все, что было, что есть и что будет.

То любовью соединяется все воедино,

То, напротив, враждой ненависти все несется в разные стороны

И эта постоянная смена никогда не прекратится.

Основоположником материалистического взгляда относительно дискретной атомистической строения материи считают древнегреческого философа Демокрита, который жил в IV в. до н. э. Он учил, что все тела состоят из бесчисленного количества сверхмалых, невидимых глазом, неделимых частиц — атомов, которые движутся в пустоте. Никто их не создавал. Они были всегда. Никто их не может уничтожить. Хоть разрушить тела, которые состоят из атомов, не так трудно.

Что представляют собой эти неделимые частицы, по мнению Демокрита? Прежде всего они были материальны, следовательно, имели вес, разнообразную форму и размеры. Сочетаясь между собой, они образовывали все видимые вещества. Из густых соединений выходили твердые тела, с менее густых образовывались вода и воздух.

Особенно возмутился гипотезе атомов Платон — учитель Аристотеля. Поговаривали, что он приказывал своим ученикам всюду собирать Демокритовы произведения и безжалостно их сжигать. Возможно, потому и не дошло до наших дней ни одной настоящей строки из этих трудов. Все о Демокрите мы знаем из критики противников и более поздних воспоминаний.

О Платоне написано немало замечательных книг. Его считают одним из «учителей человечества». Если бы не было Платона, «не было бы его книг, мы не только хуже понимали бы, кем были древние греки и что они дали миру, мы хуже понимали бы самих себя, что такое философия, наука, искусство, поэзия, вдохновение, что такое человек, в чем трудность и ее поисков и свершений, в чем их притягательная сила».

В основе всего сущего у Платона также лежат частицы. Демокритовы атомы и «атомы» Платона в принципе не имели ничего общего между собой, поскольку у последнего атомы — прямоугольные треугольники — равнобедренные и такие, в которых катет равен половине гипотенузы. Почему именно они? И как построить мир из геометрических фигур?.«Платон был замечательным математиком, и это дало ему возможность создать идеальную основу мира. Если представить ее такой, которая состоит из мельчайших тел, то эти тела должны иметь идеально правильно геометрическую форму».

В геометрии известно лишь пять правильных многогранников: тетраэдр, что имеет четыре грани, куб — шесть граней, октаэдр с восемью гранями, икосаэдр, у которого двадцать граней, додекаэдр, имеющий двенадцать граней. Каждую из граней этих тел можно составить из треугольников. Именно их и Платон взял за основу. Платон объяснял ученикам все возможные преобразования с помощью частиц — треугольников. Вот в бушующем хаосе две частицы воздушно-подобного состояния материи или два октаэдра стихии воздуха встречаются с одной частицей огня — тетраэдром. И не просто встречается, а сталкиваются. Давайте посчитаем: сколько элементарных треугольников принимает здесь участие? В двух октаэдров — по восемь, в сумме — шестнадцать. И в одного тетраэдра — четыре. Всего в сумме получается двадцать штук. Но из двадцати граней легко составить один икосаэдр, а это — частичка воды. Итак, когда две частицы воздуха сталкиваются с одной частицей водорода, должна образоваться одна частица воды.

Прекрасно, правда? Не забывайте, что происходило это более двух тысяч лет назад и до формулы Н 2 О человечество было еще далеко.

Теперь понятно, что автору таких идеальных явлений Демокритовы «влажные частицы» должны были мешать. Поэтому и Платон пытался побудить людей забыть даже имя «смешливого философа» - материалиста. Но такая попытка была обречена на неудачу.

В своем учении Аристотель развил дальше взгляды Эмпедокла, изменив их несколько по-своему. Он также был уверен, что первоосновой всего сущего есть какая-то единая материя. И существовать она могла в четырех различных состояниях: быть сухой и холодной, определяя тем самым стихию земли быть холодной и влажной, определяя стихию воды; быть теплой и влажной, как стихия воздуха, и быть сухой и теплой, как стихия огня. Других элементарных состояний существовать в природе, по мнению Аристотеля, не могло.

К четырем стихиям Эмпедокла Аристотелю, правда, пришлось добавить пятую — эфир. По мнению философа, земля и небо не могли иметь между собой ничего общего. А следовательно, для всего небесного хозяйства нужна была специальная ферма материи — эфир. Из эфира, думал философ, состоят небеса, звезды и планеты.

Группа 2

Ответить на вопросы:

Из чего состоят вещества?

Существует ли отличие между молекулами одного и того же вещества

Движение молекул

Взаимодействия между молекул

Агрегатные состояния вещества

Задание

Изготовить модель молекулы воды (НОН) и метана (СН4 )

Цель: показать строение различных тел.

Теория (

• http://двойкам-нет.рф/%D0%B0%D1%82%D0%BE%D0%BC%D1%8B-%D0%B8%D0%BC%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%83%D0%BB%D1%8B/
• -http://www.yaklass.ru/p/fizika/7-klass/stroenie-veshchestva-11123/stroenie-veshchestva-molekuly-i-atomy-11332/re-68e5cd70-ea09-401c-a89a-336b68df580a

Все тела состоят из отдельных частиц — молекул и атомов. Молекулы — это наименьшие частицы вещества. Молекулы состоят из атомов. Размеры молекул очень малы. Если бы можно было увеличить размер молекулы до размеров яблока, то яблоко должно размеры Земли.

Основные сведения о составе вещества:

• Все тела состоят из отдельных частиц (молекул и атомов), между которыми есть промежутки.
• Молекулы непрерывно и хаотично движутся.
• Молекулы взаимодействуют между собой (притягиваются и отталкиваются).

Свойства молекул:

• Молекулы одного и того же вещества одинаковы.
• При нагревании промежутки между молекулами увеличиваются, а при охлаждении — уменьшаются.
• С увеличением температуры, скорость движения молекул возрастает.

Движение молекул называют тепловым, так как скорость движения молекул зависит от температуры.

Доказательством этих фактов является броуновское движение и диффузия.

Английский ботаник Роберт Броун, рассматривая в микроскоп пыльца растений, заметил, что отдельные частицы пыльцы беспорядочно двигаются. Это движение не прекращалось и через достаточно большой промежуток времени.

Броун сделал невероятное предположение: пыльца растения — это живое существо. Но для того, чтобы удостовериться в этом, Броун повторил опыт, используя кусочек глины. Глина — не живая. Но результаты опытов были такими же: кусочки мертвой глины не уступали в живости пыльцы цветов. Только со временем ученые смогли объяснить описанные явления, пользуясь понятием «движение молекул».

В твёрдых веществах атомы или молекулы расположены близко друг к другу, и в результате их взаимодействия могут происходить только колебательные движения около определённой точки.

В твёрдых кристаллических веществах атомы расположены в определённом порядке и образуют кристаллическую решётку.

Жидкости

В жидкостях расстояние между молекулами больше, чем в твёрдых веществах, и движение молекул свободнее.

Расположение молекул воды

Газы

В газах молекулы почти не взаимосвязаны. В газах много пустоты, и их легко сжать.

Расположение молекул газообразного состояния воды

Ответ

Все вещества состоят из мелких частичек — молекул или атомов.

Между молекулами (атомами) существуют промежутки. Молекулой называется

наименьшая частичка вещества, имеющая его основные химические свойства и состоящая из атомов. Атом имеет сложную структуру и представляет собой положительно заряженное ядро, окруженное облаком легких частичек — электронов, имеющих отрицательный заряд. Молекулы движутся хаотично и непрерывно. Между молекулами вещества существует взаимодействие – взаимное притяжение и отталкивание. В природе вещество может находиться в любом из трех агрегатных состояний: твердом, жидком и газообразном.

Группа 3

Исследовательская работа «Измерение размеров малых тел»

Цель работы: научиться выполнять измерение способом рядов.

Измерительным инструментом в этой работе является линейка. Цену ее деления вы легко можете определить. Обычно цена деления линейки - 1 мм. Определить простым измерением с помощью линейки точный размер какого-либо маленького предмета (например, зернышка пшена) невозможно.

Если просто приложить линейку к зерну (см. рисунок), то и можно сказать, что диаметр его больше 1 мм и меньше 2 мм. Это измерение очень неточное. Чтобы получить более точное значение можно использовать другой инструмент (например, штангенциркуль

или даже микрометр). Наша же задача получить более точное измерение при помощи той же самой линейки. Для этого можно поступить следующим образом. Положим некоторое количество зернышек вряд вдоль линейки, чтобы между ними не оставалось промежутков.

Так мы измерим длину ряда зерен. Зерна имеют одинаковый диаметр. Следовательно, чтобы получить диаметр зерна нужно разделить длину ряда на количество зерен его составляющих.

Вычисления:

где d - диаметр

l - длина ряда

n - число частиц в ряду

Способ, которым вы определили размер тела, называют способом рядов.

Определите способом рядов диаметр молекулы по фотографии

Так как фотография сделана с увеличением в 70000 раз истинный размер молекулы будет в 70000 раз меньше, чем на фотографии

Заполните таблицу и сделайте вывод:

ИТОГ

Анкета:

1. Имя: молекула (маленькая масса)
2. Назначение в природе: хранитель главного отличительного свойства вещества
3. Поразительные качества: невероятная малость
4. Необычные свойства: идентичность (полная одинаковость с другими представителями того же вещества)
5. Место обитания: любое тело (жидкое, твердое, газообразное)

3. Объявление темы урока. Постановка цели.

       Тема нашего урока: «Строение атома. Опыт Резерфорда». Сегодня мы рассмотрим, как развивались взгляды на строение атома, углубим знания о нём, познакомимся с планетарной моделью строения атома.

      Эпиграф

 «Я был поражён простотой аппаратуры, которую вы используете, и блестящими результатами, которые вы получаете. Мне представляется гением тот, кто может работать со столь примитивным оборудованием и собирать богатую жатву, далеко превосходящую то, что бывало, добыто с помощью самых тонких и сложных приборов».

Хантаро Нагаока.

4. Усвоение новых знаний.

- Развитие взглядов на строение атома.

       Планк пришёл к гипотезе, что атомы могут излучать и поглощать энергию света только порциями. Но гипотеза Планка не раскрывала, ни закономерностей взаимодействия света с атомами, ни закономерностей их строения.

       О том, что вещество состоит из частиц, знали давно. То, что вещество состоит из атомов, было доказано. Оставалась неясной внутренняя структура атома. Первые экспериментальные результаты, из которых можно было сделать вывод о сложной структуре атома, о наличии внутри атомов электрических зарядов были получены Майклом Фарадеем в 1833 году при изучении законов электролиза.

        Первый шаг в данном направлении сделал английский физик Джозеф Джон Томсон. В 1897 году он доказал, что катодные лучи – не что иное, как потоки отрицательно заряженных частиц. Так был открыт электрон.

В 1903 – 1904 годах появились публикации о строении атома, принадлежащие одна японскому физику Хантаро Нагаока, другая английскому физику Джозефу Джону Томсону.

       Нагаока представил строение атома аналогичным строению Солнечной системы: роль Солнца играет положительно заряженная центральная часть атома, вокруг которой по кольцеобразным орбитам движутся «планеты» - электроны.

       Томсон высказал предположение, что атом может быть похож на рождественский пудинг, в котором большая, но лёгкая по массе положительна заряженная сфера радиусом r = 10-10м, усеяна отрицательно заряженными частицами.

       В 1905 году В. Вин выступил на съезде немецких естествоиспытателей в Мюнхене с докладом об электронах. Он говорил, что проще было бы понимать каждый атом как планетарную систему. Но такая система не может быть устойчивой, так как электроны излучают энергию. Поэтому учёные вынуждены обратиться к системе, в которой электроны находятся в относительном покое. Такой статической моделью был атом Томсона.

- Опыт Резерфорда.

       Модель атома Томсона была умозрительной. Её можно было подтвердить или опровергнуть с помощью эксперимента. Экспериментом, который внёс решающий вклад в создание современной теории строения атома был опыт, проведённый в 1911 году Эрнестом Резерфордом совместно со своими ассистентами – Г. Гейгером и Э. Марсденом.

       Для экспериментального исследования распределения положительного заряда и массы внутри атома Резерфорд предложил применить зондирование атома с помощью α-частиц. Эти частицы возникают при распаде радия и других радиоактивных элементов и представляют собой дважды ионизированный атом гелия: qα=2е, mα=6,64*10-27кг. Скорость α-частиц велика и составляет 1/15 скорости света.

       Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжёлых элементов. Рассеяние α-частиц может вызвать только положительно заряженная часть атома. Таким образом, по рассеиванию частиц можно определить характер распределения положительного заряда и массы внутри атома.

       Рассказ об опыте Резерфорда. Демонстрация компьютерной модели опыта.

Разъяснение назначения всех узлов установки:

1-свинцовый контейнер, содержащий крупицу радия;

2-тонкая фольга из исследуемого материала;

3-полупрозрачный экран, покрытый сульфидом цинка;

4-микроскоп для наблюдения вспышек.

Экран вместе с микроскопом мог поворачиваться, что позволяло измерять угол φ, под которым частицы попадали на экран, всего было подсчитано свыше 100 000 вспышек.

- Результаты опыта.

Задание 1.

       Учитывая, что в твёрдом теле атомы плотно упакованы, а расстояние между их центрами составляет 2,5*10-10м, рассчитайте, сколько слоёв атомов по толщине содержит золотая фольга толщиной 0,4 мкм (примерно 1 600 слоёв).

Задание 2.

       Рассчитайте, во сколько раз α-частица тяжелее электрона (примерно в 7 300 раз).

       Опыт показал, что подавляющая часть α-частиц проходит сквозь фольгу отклоняясь на малые углы. Однако некоторая часть частиц отклоняется на значительные углы (см. таблицу). Примерно одна из 20 000 частиц испытывает отклонение на угол 900, одна из 40 000 – на угол 1200, и одна из 70 000 – на угол 1500.

Вопросы (фронтальная беседа):

1. Каких результатов мог ожидать Резерфорд? ( α-частицы  пройдут через фольгу без отклонения или отклоняясь на малые углы)
2. Каковы результаты эксперимента? (подавляющая часть α-частиц проходит сквозь фольгу отклоняясь на малые углы, но  некоторая часть частиц отклоняется на значительные углы)
3. Какой вывод можно сделать о состоятельности модели атома Томсона?

(модель атома не справедлива)

3. Объяснение результатов опыта.

       При распределении по всему объёму положительный заряд не мог создать интенсивное электрическое поле, способное отбросить α-частицу назад. Максимальная сила отталкивания, действующая на частицу, определяется по закону Кулона.

       Для того, чтобы увеличить силу отталкивания частицы нужно уменьшить R, в котором сосредоточен положительный заряд атома.

Заряд, отклоняющий α-частицу на большой угол, не может принадлежать электрону, так как его масса мала по сравнению с массой α-частицей.

       Отклонение α-частиц от первоначального направления полёта происходят не в результате большого числа малых отклонений, претерпеваемых частицей при полёте сквозь множество атомов фольги, а в результате однократного столкновения частицы с одним ядром атома.

       Исходя из результатов своего опыта, Резерфорд пришёл к выводу, что внутри атома имеется чрезвычайно сильное электрическое поле, которое создаётся положительным зарядом, связанным с большой массой и сконцентрированным в малом объёме.

4. Планетарная модель атома.

       Резерфорд пришёл к идее атомного ядра – тела малых размеров, в котором сконцентрированы почти вся масса и весь положительный заряд ядра атома.

Задание 3.

       Оцените размер атомного ядра, если энергия α-частицы равна 5МэВ, порядковый номер золота Z =79. Для случая когда α-частицы отскакивают назад. (r=10-14м.)

     Наименьшее расстояние, на которое частица может приблизиться к положительному заряду атома порядка 10-14-10-15м. Это и есть размер ядра атома. Размеры самих атомов 10-10м.

        Резерфорд пришёл к выводу планетарной модели строения атома. В центре атома расположено положительно заряженное ядро, размеры которого малы по сравнению с размерами самого атома. В ядре сконцентрирована почти вся масса атома. Отрицательный заряд всех электронов распределён по всему объёма атома. В целом атом нейтрален.

5. Трудности модели Резерфорда.

       На основе этой модели нельзя объяснить факт существования атома, его устойчивость. Ведь движение электронов по орбитам происходит с ускорением. Ускоренно движущийся заряд по законам электродинамики должен излучать электромагнитные волны. При этом излучение сопровождается потерей энергии. Теряя энергию электроны должны приближаться к ядру и за ничтожно малое время электрон должен упасть на ядро. Атом должен прекратить своё существование. В действительности атомы устойчивы и в невозбуждённом состоянии могут существовать неограниченно долго, совершенно не излучая электромагнитные волны. Отсюда следует, что к явлениям атомных масштабов законы классической физики неприменимы.

       Выход из создавшегося противоречия мы рассмотрим на следующем уроке.

3 этап. Закрепление нового материала.

Фронтальная беседа:

1. Какова была цель опыта Резерфорда? (подтвердить или опровергнуть модель атома Томсона)
2. Опишите установку Резерфорда. (свинцовый контейнер, содержащий крупицу радия; тонкая фольга из исследуемого материала; полупрозрачный экран, покрытый сульфидом цинка; микроскоп для наблюдения вспышек)
3. Опишите ход эксперимента. ( радиоактивный препарат помещался внутри свинцового цилиндра, пучок α-частиц попадал на фольгу исследуемого материала, проходя сквозь фольгу частицы попадали на полупрозрачный экран, при этом на экране возникала вспышка, которую наблюдали в микроскоп)
4. Какие результаты ожидал Резерфорд? Какие получил? (подавляющая часть α-частиц проходит сквозь фольгу отклоняясь на малые углы, но  некоторая часть частиц отклоняется на значительные углы)

Какие выводы сделал Резерфорд из опыта? (модель атома Томсона не справедлива)

5. Каковы недостатки модели атома Резерфорда? ( модель не позволяет объяснить устойчивость атома)

4 этап. Рефлексивно-оценочный.

1. Постановка домашнего задания.

       §94 выучить, подготовить сообщения о жизни и деятельности Э.Резерфорда, Дж. Томсона, Х. Нагаока.

2. Итоги урока.

       Какая проблема стояла перед нами в начале урока? Удалось ли нам её решить?

       Объявление оценок учащимся, активно работающим на уроке. Благодарю вас за урок, урок окончен.

Список использованной литературы.

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика  11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни – 19-е изд. – М.: Просвещение, 2010 г.
2. Глазунов А.Т., Нурминский И.И, Пинский А.А.. Методика преподавания физики в средней школе: Электродинамика нестационарных явлений. Квантовая физика: Пособие для учителя – М.: Просвещение, 1989 г.