Урок в 11-м классе по теме "Строение атома"

1. Представление обучающимся темы, цели и задач урока. Для этого используется заранее подготовленная презентация урока.

Цель - изучение фундаментального эксперимента английского физика Эрнеста Резерфорда, проведённого им для выяснения строения атома.

• способствовать формированию представлений о фундаментальности экспериментов на основе их значимости в изучении природы;
• использовать качественные представления о вариантах взаимодействия заряженных частиц для обучения решению задач на количественном уровне.

2. Мотивация познания. К мотиву познания сути эксперимента Резерфорда, его значимости для изучения строения вещества учитель подводит постепенно, используя, в том числе, их знания в изучаемой области из 7-9 классов:

• учитель предлагает школьникам вспомнить известные им сведения о строении тел. Возможный ответ - состоят из атомов и молекул. Далее в беседе организуется выяснение того, что такое атом, молекула; как переводится с греческого языка слово "атом", а с латинского "молекула". Обращается особое внимание на значение слова "атом" - неделимый.
• учитель просит обучающихся вспомнить основателей атомизма. В случае положительного и отрицательного варианта ответов, в последующем на экран подаются изображения сведений о Левкиппе и Демокрите: годы жизни; портрет Демокрита; принципы Демокрита. Обсуждается вопрос о том, что думал Демокрит о внутреннем устройстве атома.
• представление учителем воззрений М.В. Ломоносова о строении вещества: на экран подаётся изображение портрета Ломоносова с текстом о его научном мировоззрении по поводу строения вещества. Обращается особое внимание на объяснение им теплоты и упругости газов движениями "нечувствительных частиц". Демонстрируются современные модели молекул газов.
• обсуждается вопрос об открытиях конца 19 начала 20 века: проекция на экран портретов Анри Беккереля, Джозефа Джона Томсона, Марии Склодовской-Кюри, Пьера Кюри. Рассказ учителя об открытиях лучей Беккереля, электрона, радиоактивности.
• постановка учителем проблем. На экран проецируются задания для школьников: "На какие свойства атома указывают открытия, исследования конца 19 начала 20 века? Может ли атом (неделимый) при таких обстоятельствах не иметь внутренней структуры?" Возможные ответы: частицы вылетают из атомов, из которых состоит исследуемое вещество. Атомы не могут не иметь внутренней структуры. Атомы состоят из каких-то частиц. Название "атом" не соответствует свойствам частицы, обозначенной этим словом.
• задание учителя школьникам, которое даётся с помощью текста, выведенного на экран: попробуйте смоделировать атом, учитывая те обстоятельства, что эта частица электрически нейтральна, но из неё вылетают электрические заряженные частицы.

Обучающимся предлагается решить поставленную проблему. Для этого выделяется 2-3 минуты времени урока. По истечении этого срока учитель организует обсуждение достоинств и недостатков моделей атомов, придуманных детьми. Модели для наглядности изображаются на доске.

• чтение школьниками в учебнике абзаца "Модель Томсона" на странице 256. Сравнение своих моделей с моделью, построенной учёным. Демонстрация модели атома Томсона и пояснительного текста к ней на экран;
• демонстрация классу портрета японского физика Хантаро Нагаоки и его модели атома с пояснительным текстом к нему;
• проекция на экран исторической справки о пионерах планетарной модели атома Л. Пуанкаре, Вильгельме Вине, Жане Батисте Перрене: портреты учёных, пояснительный текст;
• вопросы на экране: "Какая модель из двух предложенных моделей атома в большей степени соответствует истине? Чем и как можно подтвердить или опровергнуть ту или иную модель?" Школьникам предлагается подумать и, на том или ином основании, выбрать верную модель атома;
• после обсуждения вариантов выбранных моделей атома школьниками в качестве "верных", на экран проецируется "Историческая справка", рассказывающая о выборе модели атома учёными, где разъясняются мотивы такого выбора. Обучающиеся легко должны понять позицию учёных, так как они уже знакомы с главой 7 "Электромагнитные волны", и знают условия их возникновения. Знают, что электромагнитные волны переносят энергию.

Проекция на экран вопроса: "Каковы, по вашему мнению, должны быть дальнейшие действия учёных в сложившейся ситуации?" Знания и опыт школьников должны помочь им самим назвать последующие действия учёных - экспериментальная проверка предложенных моделей атома.

На этом этапе урока заканчивается мотивация изучения эксперимента Резерфорда. Эта предварительная часть урока постепенно, логически и исторически обоснованно подводит обучающихся к главной части урока. Из опыта известно, что такой подход в уроках формирования новых знаний, вызывает интерес для продолжения учебного процесса.

3. Основная часть урока. Знакомство с экспериментатором: подача на экран кадра "Экспериментальная проверка". Демонстрация портрета Эрнеста Резерфорда с текстом о некоторых аспектах его научной деятельности.

Следующий кадр - задание школьникам прочитать абзац в учебнике "Идея опыта Резерфорда" на странице 257.

После прочтения (в другом варианте перед прочтением) обучающимися назначенного текста, учитель просит ответить их на вопросы: "Что решил использовать Резерфорд в качестве "щупа" для внедрения в атом с целью его изучения?", " Почему?". Для облегчения формирования ответов на экране демонстрируются выше названные вопросы.

Представление учителем (с целью экономии времени, и как одного из вариантов ведения урока) экспериментальной установки Резерфорда. Рассказ об этапах проведения эксперимента, наблюдаемых фактов: на экране спроецированная схема установки Резерфорда, модель движения альфа-частиц вблизи ядра в период эксперимента, наблюдаемые в микроскоп изображения мест попаданий альфа-частиц в период отсутствия и присутствия золотой фольги в установке.

Фронтальная беседа, в которой выясняются возможные причины: отсутствия отклонений в движении альфа-частиц, когда на их пути нет золотой фольги; рассеяния альфа частиц в период их движения через золотую фольгу; рассеяния альфа-частиц на углы близкие к 180 градусам. Обсуждение вопроса о возможных причинах разного количества альфа-частиц, отклонившихся на большие и малые углы при их движении через фольгу.

Демонстрация кинофрагмента "Опыт Резерфорда". Это необходимо для более глубокого понимания устройства экспериментальной установки Резерфорда, её экспериментальных возможностей, наблюдения эксперимента в динамике. Кинофильм позволяет достаточно быстро увидеть всё то, что обсуждалось в беседе с обучаемыми. Способствует восприятию всех этапов эксперимента в комплексе.

Проекция на экран текста: "Выводы учёного, сделанные им после эксперимента": положительный заряд атома и его масса сконцентрированы в очень малой области пространства; отрицательные электроны в атоме располагаются от положительного заряда на очень больших расстояниях (по меркам микромира). Электроны в атоме движутся по круговым траекториям вокруг положительного заряда; атом похож на планетную систему (правыми оказались Л. Пуанкаре, Вин, Перрен, Нагаока).

Обсуждение с обучающимися на качественном уровне выводов, сделанных Резерфордом в виде постановки учителем проблем типа: "Почему учёный сделал именно такие выводы?". Здесь, после демонстрации вопроса, на экран возвращается предыдущий кадр.

Объективные реалии, позволившие Резерфорду сделать представленные выводы. В этой части урока учитель дополняет качественные выводы учёного, сделанные им на основе анализа наблюдаемых в эксперименте фактов, количественными, полученными им после проведения соответствующих расчётов. А именно: максимальная сила отталкивания определяется по закону Кулона. Чем меньше радиус ядра атома R, тем больше сила, отталкивающая альфа частицу: . Чтобы положительный заряд атома мог отбросить альфа частицу назад, потенциальная энергия кулоновского отталкивания у границы положительного заряда атома должна равняться кинетической энергии альфа частицы: . Расчёт диаметра ядра атома (~ 10^-13 см). Расчёт диаметра атома (~10^-8 см). Атом по размерам (размер атома определяется размером его электронной оболочки) в 100000 раз больше чем ядро. Электроны движутся (иначе упали бы на ядро) почти по круговым орбитам вокруг ядра. Суммарный заряд атома равен 0 (заряд ядра +Ze, заряд всех электронов на оболочках -Ze; где Z - порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева, e - модуль заряда одного электрона).

Демонстрация модели простейшего атома водорода, сконструированного после эксперимента Резерфорда учёными по представлениям классической физики о строении вещества. Демонстрация модели более сложного атома, построенного учёными по представлениям классической физики о строении вещества.

Представление обучающимся интересной исторической справки: "О результатах своих исследований Резерфорд сообщил в феврале 1911 г. Через три месяца его доклад был опубликован, и мир узнал о новой, планетарной модели атома. Осенью того же года состоялся первый Сольвеевский конгресс в Брюсселе, на который приехали выдающиеся физики Европы: М. Планк, А. Пуанкаре, А. Эйнштейн, Х.А. Лоренц, В. Нернст и др. Среди приглашённых участников был и Э. Резерфорд. С волнением он ожидал оценки своей работы. И что же он услышал? Ничего. О предложенной им модели атома не было сказано ни слова. Вообще-то председательствующий на конгрессе Лоренц говорил о достоинствах атомной модели, только не резерфордовской, а той, "которая была предложена сэром Дж. Дж. Томсоном". Таким образом, научный мир не принял всерьёз модель атома Резерфорда".

Для выяснения причин такого отношения учёного мира к результатам экспериментальной деятельности Резерфорда обучающимся предлагается прочитать самим в учебнике на странице 259 соответствующий текст. Для этого на экран проецируется задание: "Учебник физики. Страница 259. Найдите причину отрицательного отношения учёных к экспериментально выявленной Резерфордом модели атома".

Коллективное обсуждение прочитанной информации. Проекция на экран модели "гибели" атома с разъяснительным текстом.

Предложение обучающимся решить несколько проблем для более глубокого понимания опыта Резерфорда. Для этого на экран проецируется изображение раздела "Постарайтесь ответить на вопросы самостоятельно". В этом разделе три вопроса, на которые обучающиеся во фронтальной беседе дают соответствующие ответы.

"Атом в основном пуст. Какие экспериментальные факты в опыте Резерфорда указывают на это?".

4. Решаем задачу вместе. Это заключительная часть урока. В ней предлагается решить задачу непосредственно связанную с изучаемым на уроке материалом. Решение такой задачи будет способствовать закреплению знаний, полученных при изучении опыта Резерфорда. После решения задачи (при наличии времени) можно разрешить несколько проблем, связанных с условием этой задачи. Это касается моделирования более сложных ситуаций взаимодействия заряженных элементарных частиц. Построение таких моделей существенно углубит понимание закона сохранения энергии, необходимого для решения разнообразных задач о взаимодействии заряженных частиц.

На экран проецируется текст задачи: "Рассчитать, на какое наименьшее расстояние альфа-частица, имеющая скорость , может приблизиться к ядру атома золота, двигаясь по прямой линии, проходящей через центр ядра. Масса альфа-частицы , заряд альфа-частицы , заряд ядра золота ". Обучающимся предлагается записать её краткое условие.

Проекция на экран изображения краткого условия задачи. Проверка школьниками своих записей. Исправление, дополнение (при необходимости) своих записей.

Предложение обучающимся с помощью выведения на экран соответствующего текста смоделировать ситуацию, описанную в задаче сначала на качественном уровне, а потом ещё дать разъяснение чертежом.

Обсуждение моделей, предложенных школьниками. Изображение обучающимися своих моделей на доске. Выбор правильной модели на основе обсуждения достоинств и недостатков, предложенных учениками моделей.

Если предыдущая часть урока окажется "неудачной", школьникам предлагается помощь в виде текста, описывающего модель взаимодействия частиц, о которых говорится в задаче: "В задаче предполагается, что ядро атома золота неподвижно и закреплено. Первоначально альфа-частица располагается в бесконечности (взаимодействие с ядром атома золота отсутствует) и имеет скорость  в направлении центра ядра атома золота.   Система двух заряженных частиц обладает полной энергией равной кинетической энергии альфа-частицы. Во втором состоянии система частиц обладает только потенциальной энергией взаимодействия, так как альфа-частица остановилась". При удачном описании модели сближения частиц кем-либо из школьников, текст также проецируется на экран для тех, кто не всё понял.

На экран проецируется чертёж (рис.1), моделирующий описанную в задаче ситуацию. На чертеже намеренно не сделаны обозначения. Эту информацию учитель попытается узнать у школьников. В беседе со школьниками происходит уточнение различных тонкостей взаимодействия частиц, исправление ошибок, допущенных в рассуждениях школьников при построении ими теории взаимодействия частиц.

Подготовка обучающихся к решению задачи на количественном уровне. На экране изображение раздела урока, который называется "Ответьте на вопросы". Школьники поочерёдно прочитывают предложенные учителем вопросы и стараются решить поставленные в них проблемы. Разрешение этих проблем даёт полное понимание задачи и (при знаниях физических формул и математики) упростит решение задачи:

Какую систему тел составляют альфа-частица и ядро атома золота?

Какой закон справедлив для таких тел?

Какие преобразования энергии происходят в процессе сближения частиц?

Для каких состояний двух частиц вы будете использовать названный вами закон?

Далее школьникам предлагается самим решить задачу. Обучающиеся решают, учитель наблюдает за процессом деятельности своих учеников и называет им сделанные ошибки в индивидуальном порядке.

При успешном решении задачи кем-либо из класса, учитель предлагает ему продемонстрировать своё решение на доске. При таком варианте хода урока или при отсутствии решивших задачу (больше 3-5 минут на самостоятельные действия детей отводить времени не следует), на экран подаётся следующий кадр презентации с решением задачи. Обучающиеся прорабатывают предложенное решение в тетрадях.

Учитель предлагает обучающимся сделать проверку наименований единиц по конечной формуле решённой задачи. По истечении некоторого времени для самоконтроля школьникам демонстрируется эта физико-математическая операция.

Далее на экран выводится кадр "Обсуждаем вместе!". С целью более качественного разъяснения опыта Резерфорда и углубления понимания его обучающимися полезно обсудить вопрос о том, что произойдёт с - частицей после её остановки. Разгоняясь, в сторону от ядра золота, она достигнет бесконечности с такой же по модулю скоростью, с которой была запущена в него. Оставаясь в свободном состоянии, частица продолжит движение с этой скоростью бесконечно долго. Или: какие явления и почему происходили бы с частицами, если бы ядро золота не предполагалось быть закреплённым? При сближении частиц, ядро золота приобретёт некоторую скорость в сторону от альфа-частицы. После их сближения на минимальное расстояние, альфа-частица остановится и начнёт разгоняться в противоположную сторону. Ядро золота продолжит разгоняться в том же направлении. При достижении частицами взаимного расстояния, равного бесконечности, они приобретут некоторые скорости, которые при их последующем взаимном удалении сохранятся неизменными. Почему же в эксперименте Резерфорд и его ученики обнаружили рассеяние - частиц от первоначального направления движения после взаимодействия с ядром золота на большие углы, но не было таких, которые рассеялись бы на угол ? При внимательном рассмотрении схемы установки Резерфорда, обнаруживается, что на такой угол не могли повернуться экран с микроскопом для фиксации этого явления: они бы заслонили путь - частицам до фольги. Естественно, такой факт имеет место, но очень редко из-за малой его вероятности.

Домашнее задание:  94, придумать и решить задачу обратную задаче, решённой на уроке.

1. Браверманн Э.М., Уроки физики: какими им быть сегодня, // Физика в школе, № 2, 2009;
2. Громов С.В., Физика 11, М.: Просвещение. 2002;
3. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., Физика 11 класс, М.: Илекса. 2006;
4. Евграфова Н.Н., Каган В.Л., Курс физики, М.: Высшая школа. 1984;
5. Кудрявцев П.С., Курс истории физики, М.: Просвещение. 1974;
6. Лёхин И.В., профессор Петрова Ф.Н. - редакторы, Краткий словарь иностранных слов, М.: ОГИЗ, 1947
7. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Физика 10, М.: Просвещение. 1976;
8. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Физика 11, М.: Просвещение.2004;
9. Пинский А.А. - редактор, Физика 11, М.: Просвещение. 2000;
10. Рымкевич А.П., Рымкевич П.А. Сборник задач по физике для 8-10 классов средней школы. М.: Просвещение. 1984;
11. Храмов Ю.А., Физики. Биографический справочник, М.: Наука. 1983.