Методическая разработка урока физики по теме "Строение атома. Опыты Резерфорда. Постулаты Н.Бора". 11-й класс

Постулаты Н.Бора (слайд 1)

Ключевые слова: атомная физика, атом, Резерфорд, Томсон, эксперимент, модель атома, противоречия, Н.Бор, постулаты, стационарные орбиты, излучение, спектры.

Цель урока: (слайд 2)

• Расширить знания учащихся по вопросу строения атома.
• Изучить фундаментальный эксперимент английского физика Эрнеста Резерфорда, проведённый им для выяснения строения атома;
• Ознакомиться с планетарной моделью атома по Э.Резерфорду и доказать ядерную модель атома на основе опытов Резерфорда;
• Раскрыть недостатки/затруднения данной модели и пути их разрешения/преодоления.

Задачи:

Обучающие:

• Синтез со знаниями, полученными ранее на уроках физики и химии, необходимыми для формирования целостного представления об атоме.
• 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 качественном и количественном уровне.

Развивающие:

• Способствовать развитию знаний об атоме.
• Пробудить у учащихся интерес к научно-популярной литературе, к изучению предпосылок открытия конкретных явлений.
• Формировать у учащихся научное мировоззрение на примере истории развития взглядов на строение атома.
• Продолжать формировать умение самостоятельно работать с различными источниками информации, обобщать материал.
• Развивать интеллектуальные и творческие способности учащихся.
• Развивать познавательные способности учащихся, формировать у них как конкретно-образное (анализ опытного факта, выделять основные признаки, умения соотносить и сопоставлять), так и абстрактное (предсказание новых фактов) мышление.
• Развитие речи (обогащение словарного запаса, коммуникативных свойств, усложнение смысловой функции речи).

Воспитательные:

• Развитие навыков коллективной работы;
• Развитие навыков культуры общения; воспитание основ нравственного самосознания; толерантного отношения друг к другу;
• Умение излагать свою точку зрения и отстаивать свою правоту.

Показать значение:

• опытных фактов для доказательства научных гипотез.
• причинно-следственных связей в познаваемости явлений.
• моделирования вещества в познаваемости явлений окружающего мира.
• раскрыть взаимосвязь строения вещества и внешних его свойств как пример проявления одного из признаков метода диалектического познания явлений.

Планируемые результаты:

Учащиеся должны знать:

• Строение и состав атома вещества.
• Суть эксперимента Э.Резерфорда и теории строения атома по Резерфорду, достоинства и затруднения теории.
• Пути преодоления затруднений теории строения атома по Резерфорду, постулаты Н. Бора

Учащиеся должны уметь:

• Объяснять и анализировать результаты экспериментов Э.Резерфорда.
• Объяснять различия атомов исходя из их внутреннего строения.
• Определять состав атома, используя ПСХЭ Д.И. Менделеева.

Формы организации работы учащихся: индивидуальная, фронтальная, групповая,

Формы организации работы учителя:

• проверка ранее изученного материала, организация восприятия новой информации
• постановка цели занятия перед учащимися;
• обобщение изучаемого на уроке и введение его в систему ранее усвоенных знаний.

Методы обучения: эвристический метод, исследовательский, объяснительно-репродуктивный, побуждающий

Формы обучения: эвристическая беседа, наглядные, практические (упражнения); фронтальная работа, самостоятельная работа, индивидуальные задания.

Девиз урока: “Нам необыкновенно повезло, что мы живем в век, когда еще можно делать открытия”. Р.Фейман.

Оборудование урока:

• Таблица “Схем опыта Резерфорда”.
• Таблица результатов урока.
• Персональный компьютер, презентация, мультимедийный проектор, экран (интерактивная доска).
• Указка.

План урока

1. Организационный момент.
2. Актуализация знаний.
3. Изложение нового материала.
4. Отработка изученного материала.
5. Подведение итогов. Рефлексия. Домашнее задание.

Ход урока

1. Организационный момент.

Проблема строения атома остается актуальной и для современной науки. Элементарные частицы, ядро атома, атом, молекула – все это объекты микромира, не наблюдаемого нами. В нем действуют иные законы, чем в макромире, объекты которого мы можем наблюдать или непосредственно, или с помощью приборов.

2. Актуализация знаний: (слайд 3)

Вопросы к учащимся:

1. Что вам известно о строении вещества?
2. Как мы узнаем о строении вещества?
3. Каково строение атома?
4. Как можно узнать о строении атома?
5. Что такое электрон?
6. Имеет ли ядро атома внутреннюю структуру?
7. Входят ли электроны в состав ядра?

3. Изложение нового материала.

Учитель физики. Сегодня на уроке мы должны доказать сложное внутреннее строение    одной очень маленькой частички -  атома. Слово “атом” придумал очень давно, более 2500 лет назад, древнегреческий философ Демокрит. С греческого слово “атом” переводится как “неделимый”. Так ли это? (слайд 4)

В истории развития физики одна из самых интересных и увлекательных страниц – это история открытия сложного строения атома. В конце XIX- начале XX в. идеи о строении атома    витали в воздухе, различные догадки ученых создавали духовную атмосферу, в которой, в конце концов, и рождалось открытие, ведь в то время ничего о внутреннем строении атома не было известно.

Историческая справка – взгляды на строение атома

Сообщение ученика 1:   Приложение 1

Сообщение ученика 2: (слайд 5) Приложение 2

Сообщение ученика 3: (слайд 6, 7)   Приложение 3

Учитель физики: Приложение 4

Модель Томсона нуждалась в экспериментальной проверке. (слайд 8, 9, 10) 

Этой задачей занялся Эрнест Резерфорд (1871-1937 гг.) (слайд 11, 12, 13)

– английский ученый, известный своими исследованиями строения атома и радиоактивности, один из создателей атомной и ядерной физики. Резерфорд был членом Лондонского королевского общества – академии наук Англии, почетным членом более 30 академий и научных обществ разных стран мира, в том числе Академии наук СССР. В 1908 году он стал лауреатом Нобелевской премии за исследования радиоактивности. В 1931 г. Э. Резерфорд за свои научные заслуги стал пэром Англии, получив титул лорда Нельсона

В лаборатории Резерфорда были проведены следующие эксперименты

(слайд 12).

Ответ учащихся; Опыт Резерфорда – описание эксперимента (анализ слайда 14)

Приложение 5

Результаты опыта (слайд 15, 16, 17) Приложение 6

Вопрос учащимся: Как можно объяснить результаты опытов? (слайд18 - 20)

Ответ учащихся Приложение 7

Учитель физики: По соотношению между общим числом частиц и числом отклонившихся на определенные углы частиц рассчитывается размер ядра и заряд ядра. Оказалось, что радиус ядра имеет порядок 10^{- 12} см (10^{- 14} м). Заряд же ядра положителен и определяется формулой q = Z*e, где Z - порядковый номер элемента в периодической системе, а е - модуль заряда электрона. Однако, ядерная модель атома оказалась в противоречии с классической физикой.

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”.

“Я был поражен простотой аппаратуры, которую вы используете, и блестящими результатами, которые вы получили. 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. Из письма Резерфорду в 1911 г.

Для выяснения причин такого отношения учёного мира к результатам экспериментальной деятельности Резерфорда обучающимся предлагается самим разобраться в данном вопросе и возникших противоречий.

Вопрос учащимся: Каков характер противоречий данной модели атома с классическими представлениями? (слайд 21)

Ответ учащихся: Приложение 8

• Противоречие 1.
• Противоречие 2.
• Противоречие 3.

Таким образом, факт длительного существования атомов несовместим с планетарной моделью атома Резерфорда, если ее рассматривать с позиции классической электродинамики.

Постулаты Н.Бора. (слайд 22)

В конце 19 века большие успехи были достигнуты в изучении линейчатых спектров вообще и линейчатого спектра водорода в особенности. Внимательный анализ спектра водорода позволил в 1885 г учителю физики одной из швейцарских школ И. Бальмеру установить, что частоты линий в видимой части спектра водорода могут быть вычислены по формуле, которая получила позднее название формулы Бальмера. Ядерная модель Резерфорда не могла объяснить этих спектральных закономерностей.

В 1913 году датский физик Нильс Бор предпринял попытку создания качественно новой модели атома, (но это тема следующего урока).

Указанную выше проблему разрешил датский физик Нильс Бор. В 1913 г. он пришел к выводу, что всем трем научным фактам:

• устойчивость резерфордовской модели атома,
• квантовый характер излучения и поглощения света
• линейчатость спектров излучения света атомами
• можно дать единое объяснение, если признать, что движение частицы в атоме обладает определенными особенностями. Эти особенности нашли отражение в постулатах Бора.

Вопрос учащимся: Как вы думаете - каким образом Нильс Бор помог Резерфорду в отстаивании правоты планетарной модели строения атома? (слайд 23)

Учащиеся предлагают варианты формулировок постулатов Бора (слайд 24 - 30)

Учитель физики. Модель атома водорода и водородоподобных атомов по Н. Бору

Водородоподобные – положительно заряженное ядро (протон) + 1 электрон, движущийся по круговой орбите - однократно ионизированный атом гелия He⁺ или двукратно ионизированный атом лития Li⁺⁺

Для невозбужденного атома радиус орбиты . При возбуждении атома электрон перескакивает на одну из более удаленных от ядра орбит. Радиус возможной орбиты определяется ; (слайд 31)

Каждой орбите соответствует определенная энергия электрона

; (слайд 26, 27)

Знак “-” указывает на связанность электрона с ядром атома, притяжение электрона к ядру.

Е₁ = - 13,55 эВ - 13,6 эВ

Чтобы оторвать электрон от ядра атома водорода надо сообщить ему энергию 13,6 эВ

Энергетический спектр (слайд 27)

Учитель физики. Недостатки - трудности теории Н. Бора

Смогла построить только модель атома Н (водорода), а для атомов других химических элементов – не удалось.

Противоречива, т.к. с одной стороны отвергаются законы классической физики (движение электрона по круговой орбите без излучения), а с другой – использование этих законов – уравнение движения. Движение электрона по орбитам в атоме не имеет ничего общего с движением планет Солнечной системы.

Объяснила линейчатые спектры только водородоподобных атомов.

Объяснила поведение атома в магнитном поле

По современным представлениям стационарные орбиты не представляют действительного движения в атоме. В мире микрочастиц нельзя говорить о траектории их движения.

Все вопросы нашли свое решение в КВАНТОВОЙ МЕХАНИКЕ (слайд 33, 34)

1922 г. - Нильсу Бору присуждена Нобелевская премия

4. Отработка изученного материала.

А пока давайте вспомним, о чем мы говорили сегодня на уроке. (слайд 35)

Вопросы учащимся:

1. В чём заключается сущность модели Томсона?

2. В чём заключалась идея опыта Резерфорда?

3. Объясните по схеме опыт Резерфорда по рассеиванию альфа-частиц.

4. Объясните причину рассеивания альфа-частиц атомами вещества.

5. В чём сущность планетарной модели атома?

6. В чем противоречивость модели атома Резерфорда?

Учащимся предлагается выполнить мини-тест или тест и заполнить карточки с моделями атомов по изученному материалу. (слайд 36) Приложение 10 Оценка за выполнение теста и заполнение карточки выставляется самими учащимися при взаимопроверке попарно

Выводы. Выставление оценок.

Домашнее задание: параграф 74, 75, стр. 288 - Задания ЕГЭ (слайд 37) Приложение 11

Продукт урока:

Таблицы:

• Целостная картина развития представления о модели атома. Приложение 12
• Модель атома по Резерфорду, ее трудности и постулаты Н. Бора. Приложение 13
• Блок-схема “Модель атома”. Приложение 14

Источники информации и использованная литература. Приложение 15