資源簡介

中小學教育資源及組卷應用平臺
第十六章 粒子和宇宙
16.1 探索微觀世界的歷程
教學目標：
1.物理觀念：
（1）知道常見物質是由分子、原子構成的。
（2）知道原子是由原子核和電子構成的，了解微觀粒子的尺度，了解人類探索微觀世界的大致歷程，關注人類探索微觀世界的進展。
2.科學思維：
認識物質的基本形態和屬性開始，逐步深入到物質的微觀結構、基本特征和大致尺度。
3.科學探究：
經歷探究微觀世界的歷程。
4.科學態度與責任：
（1）通過演示實驗、視頻資源及類比手段，激發探究物質組成奧秘的興趣。
（2）初步領悟通過直接感知的宏觀現象可以認識無法直接感知的微觀事實，知道這是一種重要的研究方法。
教學重點：經歷探索微觀世界的歷程
教學難點：納米技術導致材料、制造、醫療技術的革命。
教學課時：1課時
教學用具：多媒體。
教學互動設計：
1、 創設情景，導入新課
很久以前，不只普通人，就連天文學家也一直在奇怪，是什么原因使太陽發光 這個千古之謎是怎樣破解的呢
1969年，當人類第一次踏上月球，回眸自己的來處時才深刻地認識到：在廣袤的宇宙中，我們只偏居在一個小小的星球上。人類能夠從地球奔向星際嗎
500米口徑球面射電望遠鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope）是由中國科學院國家天文臺主導建設的一座射電望遠鏡，位于貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣的喀斯特洼坑中。
該設備是具有中國自主知識產權、世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡，被譽為“中國天眼”。其主要由主動反射面系統、饋源支撐系統、測量與控制系統、接收機與終端及觀測基地等幾大部分構成
2023年10月，由中國科學院國家天文臺韓金林研究員領導的“王綬琯巡天突擊隊”利用中國天眼FAST在“銀道面脈沖星快照（GPPS）巡天”中新發現了76顆偶發脈沖星。該團隊還利用FAST對國際上已知的59顆RRAT（旋轉射電暫現源）進行了高靈敏度的觀測，確認RRAT就是偶發脈沖星。
二、新課講授，師生互動
（一）思維的火花
德謨克里特(Democritus， 約公元前460一約公元前370) 對他的學生們說道：
“你們看見遠處那片樹林了嗎 由這里望去，它像一堵密不透風的綠墻。但走近一看，穿過它并不困難。它表面上是一堵堅硬的綠墻，其實是樹干和枝葉編成的疏網 正像綠墻是由樹干和枝葉組成似的，大自然的萬物都由看不見的微小粒子——原子構成。原子不能消失，但也不會無中生有。”
盡管當年這位古希臘學者的見解缺少科學實驗的基礎，但后來的歷史發展表明，他的思維閃爍著真理的火花。
（二）走向科學
正因為古希臘學者的“原子論”思想缺少科學實驗基礎，所以在“物質是由什么構成”的爭論中，長期以來它并不占上風。直到17世紀下半葉和18世紀， 以玻意耳(Robert Boyle， 1627一1691) 和道爾頓(John Dalton，1766一1844)為代表的科學家才復活和確立了原子論。
他們研究和測量了大量物質的化學反應，發現并確認了如下事實：
1.多數物質可由其他物質通過化學反應合成，這些物質稱為化合物；
2.一些物質不能由其他物質通過化學反應來合成，這些物質稱為單質，也稱為元素；
3.對應各種元素，存在著各種原子，元素的差異就在于它們的原子是不相同的。原子是元素保持化學性質不變的不可再分的最小單元。
從此，原子論從模糊不清的思辨性見解走向了植根于精確實驗測量的自然科學的軌道。
1811年， 意大利科學家阿伏伽德羅(Amedeo Avogadro， 1776一1856) 指出，無論化合物還是單質，它們一般并不是直接由原子組成的，而是由幾個原子相結合的分子構成的。單質的分子由同種原子構成，化合物的分子由兩種或兩種以上原子構成。
現在我們知道，無論是有生命還是無生命的常見物質，都由分子、原子組成。圖甲是鎢原子的分布圖樣。圖乙是脫氧核糖核酸(DNA) 生物大分子結構圖。
你知道嗎
1cm3的水中含有3.34×1022個水分子。一個水分子的質量約為3×10-26kg。最小的分子只有10-27kg，其尺度相當于一根頭發絲直徑的十萬分之一。
組成生命的基本組元DNA分子含有幾百萬個原子。
（三）揭開原子的“面紗”
19世紀下半葉，人們在研究稀薄氣體放電現象時發現，當放電管(如圖所示)內氣體足夠稀薄時，陰極就發射出一種射線，這種射線被稱為陰極射線。
1897年，英國物理學家湯姆孫(Joseph Thomson，1856一1940)發現，陰極射線在電場或磁場作用下可發生偏轉，偏轉方向與帶負電的粒子相同，這表明陰極射線是一種帶負電的粒子流。接著他又通過測量，證實這種粒子的電荷絕對值與氫離子的相同，而質量還不到氫離子的千分之一。后來人們把這種粒子稱為電子(electron) 。
由于電子可以從不同的陰極材料的原子里放射出來，而且是比最輕的氫原子還要輕得多的粒子，這表明原子并不是物質的不可再分的最小單元。
電子的發現揭開了原子世界神秘面紗的一角，湯姆孫因此獲得了1906年諾貝爾物理學獎。
電子的發現表明，原子是由電子及另一些物質組成的。因為電子帶負電，而原子是電中性的，所以那些物質一定帶正電。那么，原子中帶正電的部分是怎樣的呢
為了探測原子結構，20世紀初，人們發展了一種實驗方法：用一些已知的粒子，如電子、α粒子等轟擊很薄的金屬箔，它們與金屬原子會產生相互作用而發生偏轉。通過觀察這些粒子穿過箔片時的偏轉情況，可以獲得原子內部的信息。這種實驗叫散射實驗。
α.粒子是一種帶2個單位正電荷的粒子，質量約為電子質量的7300倍。1909一1911年，英國科學家盧瑟福(Ernest Rutherford， 1871一1937)等人無數次地用高速α粒子流轟擊金箔，發現原子中帶正電的物質只占很小的體積，但密度很大，幾乎集中了原子的全部質量。
后來，人們稱它為原子(atomic nucleus) 。如果把原子放大到20多層高的大廈那般大，原子核只有一粒黃豆那么一點，可見原子里面多么“空曠”。帶負電的輕巧的電子就在這“空曠”的空間中高速運動。
（四）探索未有窮期
對原子世界的探索就這樣結束了嗎 不!人們很自然地將科學的觸角伸向那更為神秘的原子核。
1919年， 盧瑟福發現了帶正電的質子(proton) ， 1932年， 他的學生查德威克(James Chadwick， 1891一1974) 發現了不帶電的中子(neutron) ， 并最終確定了原子核就是由質子和中子組成的。
這時，人們樂觀地認為電子、質子和中子就是構成物質世界的基本單元，并稱它們為基本粒子(elementary particle) 。但是， 好景不長， 人們很快從實驗中陸續發現了更多的微觀粒子。有的質量介于質子和電子之間，這類粒子稱為介子；有的質量大于質子，這類粒子稱為超子。種類如此之多、性質差異紛繁的粒子，使物理學家們不得不懷疑，包括質子、中子在內的這些粒子不可能是原來意義上的基本粒子，它們很可能仍然具有復雜的內部結構。
從1949年開始， 費米(Enrico Fermi， 1901一1954) 和楊振寧(1922一)及坂田昌一(Sakata Shyoichi， 1911一1970) 等人先后提出過一些關于這些粒子內部結構的模型。1964年， 美國物理學家蓋爾曼(Murray Gel-Mann， 1929一)繼承了他們的長處，提出質子、中子、介子、超子等都由三種基礎粒子組成，它們分別稱為上夸克、下夸克和奇異夸克。所以，科學界把這一模型稱為夸克模型(quark model) 。
夸克模型對質子、中子及許多介子和超子的諸多性質給出了較好的解釋，蓋爾曼也因此獲得了1969年諾貝爾物理學獎。
在蓋爾曼的模型提出之后，1974年丁肇中(1936一) 和里克特(Burton Richter， 1931一) 在實驗中發現了一種稱為J/￥的新粒子，它的存在表明應該還有一種稱為餐夸克的基礎粒子。以后又相繼發現了底夸克和頂夸克。至今我們已經知道共有6種夸克。
探索未有窮期，或許，同學們——你們這些未來的探索者今天正從這里邁向科學之門。
（五）納米科技：從幻想到現實
在物理學中，原子、原子核及其更深層次的客體統稱為微觀粒子，簡稱粒子。圖是它們大致的空間尺度示意圖。從圖中可見，它們的尺度都小于10-9m。
10-9m是一個長度單位， 稱作納米(nanometer) ， 大約是10個氫原子排列起來的長度。納米科技指的是，當人們力圖在納米尺度上了解和控制物質時，所發現的許多新現象，所發明的許多新技術。
納米科技的思想來自美國物理學家費恩曼(Richard Phillips Feynman，1918一1988)1959年的一次演講。鑒于人類從磨尖箭頭到制作家具等都是依次削去數以億計的原子，以便把物質做成有用的形狀，費恩曼問道：“為什么我們不可以從另外一個角度出發，從單個的分子甚至原子開始組裝，以達到我們的要求呢 ”
費恩曼的靈感多年來曾被認為是科學幻想，直至1986年發明的掃描隧道顯微鏡終于一舉提供了觀察原子的“納米眼”和操縱原子的“納米手”，費恩曼的幻想才能得以成為現實。 1990年，科學家成功地對單個原子進行了重排，取得了納米技術的一項關鍵性突破。1993年，中國科學院北京真空物理實驗室自如地操縱原子成功寫出“中國”字樣。目前，我國在納米技術研究領域，包括高質量的研究產出，處于領先地位，已成為當今世界高質量納米科學研究產出的引領者。
今天，納米催化劑大幅度提高了催化作用；用納米顆粒粉體制成的納米材料顯示出比一般材料更為優異的性能；納米炸藥也顯示出更大的威力······
展望未來，由于可以通過精確地控制原子或分子來制造產品，生產過程中將不會產生副產品和廢物，甚至可以拆分廢舊物的分子或原子，并用它們制造新的產品。
利用納米技術，人類有可能在原子和分子尺度診斷和治愈疾病，甚至修補細胞；納米技術將可以制造分子開關和導線，從而導致一場計算機制造技術的革命，使計算機的速度更快，體積更小······
三、總結反思，超越自我
1. 物質由分子、原子組成。
古希臘學者“大自然萬物由看不見的微粒——原子構成”思維閃爍真理火花，17-19世紀，波意耳、道爾頓、阿伏伽德羅精確實驗測量發現并確認。湯姆孫發現帶負電的電子，20世紀盧瑟福發現帶正電的質子。質子、中子、電子構成物質世界的基本單元，稱為基本粒子。
2.探索未有窮期。20世紀后，質子、中子、介子、超子等三種基本粒子為上夸克、下夸克、奇異夸克——夸克模型；后發現粲夸克、底夸克、頂夸克，至今有6種夸克。微觀粒子的尺度都小于10-9m——納米。
3.納米科技。1986年隧道顯微鏡的發明，提供觀察原子的“納米眼”和操縱原子“納米手”。導致材料、制造、醫療技術革命。
四、板書設計，整合提升
1. 物質由分子、原子組成。
古希臘學者“大自然萬物由看不見的微粒——原子構成”思維閃爍真理火花，17-19世紀，波意耳、道爾頓、阿伏伽德羅精確實驗測量發現并確認。湯姆孫發現帶負電的電子，20世紀盧瑟福發現帶正電的質子。質子、中子、電子構成物質世界的基本單元，稱為基本粒子。
2.探索未有窮期。20世紀后，質子、中子、介子、超子等三種基本粒子上夸克、下夸克、奇異夸克——夸克模型；粲夸克、底夸克、頂夸克，至今有6種夸克。微觀粒子的尺度都小于10-9m——納米。
3.納米科技。1986年隧道顯微鏡的發明，提供觀察原子的“納米眼”和操縱原子“納米手”。導致材料、制造、醫療技術革命。
五、大海揚帆，嘗試遠航
1. 下列說法不正確的是（ ）
A. 古希臘學者認為大自然萬物都由看不見的微小粒子——原子構成
B.直到19世紀，科學家認為物質由分子、原子組成
C. 英國物理學家湯姆孫發現了質子
D. 20世紀初，人們樂觀地的認為電子、質子和中子就是構成物質世界的基本單元，稱為基本粒子
2．下列說法不正確的是（ ）
A. 從1949年開始，費米、楊振寧等人提出粒子內部結構模型
B. 1964年，蓋爾曼提出質子、中子、介子、超子等由上夸克、下夸克和奇異夸克組成的夸克模型
C. 1974年，丁肇中和克里特在實驗中發現新粒子——餐夸克
D.至今我們已經知道共有4種夸克
3．在探索微觀世界的歷程中，人們首先發現了電子，進而認識到原子是由( )。
A.氫原子和電子組成的
B.質子和中子組成的
C.原子核和核外電子組成的
D.原子核和中子組成的
4．下列說法正確的是 （ ）
A.在物理學中，原子、原子核及其更深層次的客體統稱微觀粒子
B.原子的空間尺度為10-9m
C.原子核的空間尺度為10-10m
D.質子的空間尺度為10-14m
5．關于納米及納米科技下列說法錯誤的是 （ ）
A.10-9m是一個長度單位，稱作納米
B.1986年隧道顯微鏡的發明為人們提供觀察原子的“納米眼”和操縱原子的“納米手”
C.1993年，中國科學院北京真空物理實驗室自如操縱原子成功寫出“中國”字樣
D.納米科技思想來自英國的物理學家費恩曼演講制作家具從單個分子甚至原子開始組裝
參考答案1.C；2.D；3.C；4.A；5.D。
六、作業：P197.T1
課外作業P197.T2、T3、T4 。
P198閱讀材料 夸克 丁肇中
教學反思：
21世紀教育網 www.21cnjy.com 精品試卷·第 2 頁 （共 2 頁）
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