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.

Задачи:

  • 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?».

    «Фундаментальный [лат.] — основательный,
    крепкий, солидный, прочный; основной. Почему опыт
    Резерфорда называют фундаментальным?».

    «Примерно одна из каждых 20000 альфа частиц
    отклонялась на углы в 90 и более градусов (т. е.
    назад). Почему так мало таких частиц было
    зафиксировано в опыте Резерфорда?»

    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.

    Литература, использованная для подготовки
    электронной разработки и плана-конспекта урока:

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