Конспект урока по теме

Конспект урока по теме
«Делимость электрического заряда. Строение атомов»
Цель урока: Построение планетарной модели атома.
Основной материал: Делимость электрического заряда. Электрон. Опыты Милликена
и Иоффе по определению заряда электрона. Единица электрического заряда – кулон.
Строение атома. Протоны. Нейтроны. Строение атомов водорода, гелия, лития.
Положительные и отрицательные ионы.
Эпиграф:
Фантастическое составляет сущность действительности.
Федор Михайлович Достоевский
Модель урока
1.Актуализация познавательного опыта, лежащего в основе построения нового
способа действия. Мотивация учебной деятельности.
Вступление: Человек - пушинка на поверхности планеты Земля крутящейся вокруг
рядовой звезды в одной из миллиарда таких же галактик. Заглянуть вглубь космоса, не
легче, чем заглянуть внутрь вещества. У человека нет иной возможности, как обратиться
к своей способность фантазировать – воображать, то с чем он никогда до этого не имел
дела. Поэтому человек не имея для этого никаких природных возможностей способен
вместить в своем сознании всю Вселенную и втиснуться виртуально в межатомное
пространство вещества. Что помогает человеку не оказаться обманутым своим
воображением?
2.Изучение нового материала.
Опыт №1: Заряжаем первый электроскоп, а затем соединяем его проводником с таким
же незаряженным электроскопом. Заряд делится пополам. Убираем проводник и
разряжаем второй электроскоп. Заряженный электроскоп снова соединяем проводником
с незаряженным электроскопом. Заряд снова делится пополам. Повторяем эксперимент
до тех пор, пока может делиться заряд на первом электроскопе.
Вывод: Заряд может делиться на 2, 4, 8 и т. д. частей.
Вопрос №1: Почему деление заряда прекратилось? Неужели был достигнут предел
деления электрического заряда?
Ответ: Причиной того, что стрелка перестала отклоняться от металлического стержня,
является сила тяжести. Если сила тяжести превысит силу электрического отталкивания,
то электроскоп не будет показывать наличие электрического заряда из-за его малости.
Вопрос №2: Может ли заряд делиться ещё на две части? до бесконечности? Существует
ли минимальный электрический заряд? Каким образом это узнать?
Ответ: Чтобы определить маленький заряд, необходима стрелка меньшей массы. Но
даже в этом случае мы не можем быть уверены, что мы разделили заряд до
минимального его значения, так как мы не можем исключить влияние на правильность
результата силы тяготения. Чтобы уменьшить силу тяготения необходимо взять тела с
наименьшей массой – молекулы и атомы.
Эвристическая беседа №1: Вот что пишет о своих опытах А. Ф. Иоффе: «… В камере А
создавались мелкие пылинки цинка, которые через узкое отверстие падали в
пространство между двумя заряженными пластинками. Заряженная пылинка падает
вниз, испытывая, как и всякое тело, силу тяжести. Но если она заряжена, на неё
действуют и электрические силы в зависимости от знака заряда по направлению снизу
1
вверх или сверху вниз. Подобрав электрический заряд пластинок, можно было
остановить каждую падающую частичку так, чтобы она неподвижно повисла в воздухе.
Мне удавалось целый день держать частичку в таком состоянии. Когда же на неё падал
пучок ультрафиолетового света, он уменьшал заряд. Это сразу можно было заметить по
тому, что с изменением заряда электрическая сила уменьшалась, тогда как сила тяжести
не изменялась: равновесие нарушалось, частичка начинала падать. Приходилось
подбирать другой заряд пластинки, чтобы снова остановить цинковую пылинку. И
каждый раз мы имели возможность измерить её заряд…
…Можно было снять 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7… до 50
зарядов, но это всегда было целое число
электронов. Оказалось, что какое бы вещество
мы ни взяли, будь то цинк, масло, ртуть, будет
ли это действие света, или нагревание, или
другое воздействие, - всякий раз, как тело
теряет заряд, оно всегда теряет по целому
электрону. Значит, можно было заключить, что
в
природе
существую
только
целые
электроны».
Р.
Милликен:
«…При
помощи
обыкновенного распылителя в камеру С Рис. №1
впускалась струя масла. Воздух, посредством
которого вдувалась струя, освобождался сперва от пыли путем пропускания через трубку
со стеклянной ватой. Капельки масла, составляющие струю, были весьма малы; радиус
большинства их был порядка 0,001 мм. Эти капельки медленно падали в камере С,
иногда некоторые из них проходили сквозь маленькое отверстие p в центре круглой
латунной пластинке М диаметром 22 см, составляющей одну из пластин воздушного
конденсатора. Другая пластина – N – была укреплена на 16 мм ниже при помощи трех
эбонитовых стоек а. Пластины эти могли заряжаться (одна положительно, а другая
отрицательно) при помощи переключателя S, соединяющего их с полюсами 10 000вольтовой аккумуляторной батареи В. Капельки масла, появляющиеся вблизи p,
освещались сильным пучком света, проходившего сквозь два окошечка, расположенных в
эбонитовом кольце одно против другого. Если смотреть через третье окошечко О,
направленное к читателю, капля представляется яркой звездочкой на темном фоне.
Капли, проходившие через отверстие p, оказались обыкновенно сильно заряженными
вследствие трения при вдувании струи…
…Капли, имеющие заряды одного знака с верхней пластинкой, а также имеющие
слишком слабые заряды противоположного знака, быстро падают. Те же капли, которые
имеют слишком много зарядов противоположного знака, быстро притягиваются верхней
пластинкой, преодолевая силу тяжести. В результате через 7 или 8 мин поле зрения
вполне проясняется, и в нем остается только сравнительно небольшое число капель, а
именно те, которые имеют заряд, как раз достаточный, чтобы поддерживаться
электрическим полем. Эти капли представляются отчетливо видимыми яркими точками.
Я несколько раз получал только одну такую звездочку во всем поле, и она держалась там
около минуты…
…Во всех случаях, без всякого исключения, оказывалось, что как первоначальный
заряд, возникший на капле, так и многочисленные заряды, захваченные каплей у ионов,
равны точным кратным наименьшего заряда, захваченного из воздуха. Некоторые из
капель не имели первоначально никакого заряда, а затем захватывали один, два, три,
2
четыре, пять, шесть или семь элементарных зарядов или электронов. Другие капли
первоначально имели семь или восемь, иногда двадцать, иногда пятьдесят, иногда сто,
иногда сто пятьдесят элементарных единиц и захватывали в каждом случае один или
несколько десятков элементарных зарядов в продолжение наблюдений. Таким образом,
наблюдались капли со всевозможным числом электронов между одним и ста
пятьюдесятью… Когда число их не превышает пятидесяти, то ошибка тут так же
невозможна, как и при счет собственных пальцев. Однако при подсчете электронов в
заряде, в котором их содержится свыше ста или двухсот, нельзя быть уверенным в
отсутствии ошибки… Но совершенно невозможно себе представить, чтобы большие
заряды, как, например, те, с которыми мы имеем дело в технических применениях
электричества, были построены, по существу, иначе, чем те малые заряды, которые мы
можем сосчитать…
…Где бы ни встречался электрический заряд – на изоляторах или на проводниках, в
электролитах или металлах, - везде он обладает резко выраженным зернистым
строением. Он состоит из целого числа электронов (электронов), которые все одинаковы.
В электростатических явлениях эти электроны рассеяны по поверхности заряженного
тела, а в электрическом токе они движутся вдоль проводника».
Заряд электрона равен 1,6∙10-19 Кл, масса электрона 9,1∙10-31 кг.
Вопрос №3: Люди в микромире чувствуют себя, как слепой человек в макромире. Но
незрячий человек сумел приспособиться к тем условиям жизни, которые ему
предоставила его судьба. Давайте присмотримся к действиям слепого повнимательнее.
Как слепой может определить направление безопасного движения в неизвестной
местности?
Ответ: Он может ощупывать палкой поверхность окружающей местности,
прислушиваться к звукам окружающего мира и принюхиваться к запахам.
Вопрос №4: Как слепой может заглянуть ещё дальше, на расстояние превышающее
длину его палки, чтобы из всех путей кажущихся безопасными найти наиболее
перспективный (кратчайший) путь к цели?
Ответ: Он может бросать камни и по звуку определять результат своего броска
(услышит плеск – значит в этом направлении водная преграда, услышит удар камня о
землю – значит в этом направлении суша, не услышит звука – пропасть). Также он может
производить направленный звук (кричать, приложив в виде рупора руки ко рту) и
прислушиваться к отражению этого звука - эхо.
Эвристическая беседа №2: Чтобы определить, где находятся в атоме электроны,
Резерфорд провел опыт, суть которого заключалась в следующем. На пути узкого пучка
альфа-частиц,
испускаемых
радиоактивным
веществом,
помещалась
очень
тонкая
металлическая
фольга
из
золота.
Регистрировались альфа-частицы с помощью
экрана из светящегося состава (сернистый цинк),
расположенного вокруг мишени.
Чего можно было ожидать в результате
попадания альфа-частиц в атомы золота, если бы
атомы золота были сплошными твердыми
шариками? желеобразными шариками? Станут
ли они расталкивать атомы золота, пробиваясь
между ними? Или будут прошивать их насквозь? Рис. №2
Или же будут отскакивать от них в разные
3
стороны?
Если альфа-частицам нужно будет как-то пробираться через гущу атомов золота,
являющимися твердыми сплошными шариками, то им, естественно, придется
претерпевать множество столкновений с ними, сотни и тысячи раз менять свое
направление. И, как следствие, альфа-частицы будут рассеиваться, т. е. вылетать из
золотого листка по самым различным направлениям.
Если атомы, являются желеобразными, то альфа-частицы должны были практически
беспрепятственно прошивать золотую фольгу, не отклоняясь от первоначального
направления.
На деле оказалось совсем не так. Подавляющая часть альфа-частиц проходила сквозь
металл, почти не отклоняясь от прямолинейного пути, и лишь немногие отклонялись на
большие углы, а иногда даже отскакивали назад.
В одном из опытов Резерфорда с золотой фольгой альфа-частицы отклонялись
следующим образом
Угол
50
100
150
300
450
600 750 1050 1200 1350 1500
отклонения
Число
8289000 502570 120570 7800 1435 477 211
70
52
43
33
отклоненных
частиц
Вспоминая через 20 лет об этих своих опытах, Резерфорд говорил:
«Это было, пожалуй, самое невероятное явление, которое когда-либо встречалось в
моей жизни. Оно было почти таким же невероятным, как если бы вы обстреливали 15дюймовыми снарядами лист самой тонкой бумаги, а они отскакивали бы обратно и
попадали в вас. После размышления над этим
обстоятельством я убедился, что это обратное
рассеивание могло быть результатом только
прямого попадания. Но когда я произвел нужные
расчеты, то увидел, что полученный результат по
величине тоже невероятен, за исключением того
единственного случая, когда вы имеете дело с
системой, в которой большая часть атома
сконцентрирована в ничтожно малом ядре».
Так родилась планетарная модель атома (рис.
№.3). Строение атома таково: в центре атома ядро,
Рис. №3
состоящее из протонов и нейтронов, а вокруг ядра
движутся электроны. Ядро состоит из протонов и нейтронов. Нейтроны не имеют заряда,
а протоны имеют заряд равный по модулю заряду электрону, но знак его положителен.
Вопрос №5: Атом в целом нейтрален, потому что положительный заряд его ядра равен
отрицательному заряду всех его электронов. Что произойдет с атомом, если он потеряет
один электрон? два электрона? Что произойдет с атомом, если он захватит один
электрон? два электрона?
Ответ: Атом, потерявший один или несколько электронов, уже не является
нейтральным, а будет иметь положительный заряд – положительный ион. Если атом
захватит один или два электрона, то атом приобретет отрицательный заряд –
отрицательный ион.
Вопрос №6: А что произойдет с атомом, если из его ядра удалить один или два
протона? один или два нейтрона?
4
Ответ: Если заряд ядра изменится (из ядра будет удален один или два протона), то
получится уже другой химический элемент. Если изменится только масса ядра (из ядра
будет удален один или два нейтрона), то химический элемент останется тем же –
изменятся его радиоактивные свойства.
3.Совокупная рефлексия учебной деятельности. Апробация полученной
физической модели.
Рис. №
Рис. №
Рис. №
Мир похож на коллекцию матрешек вложенных одна в другую. Галактика представляет
собой вращающиеся вокруг общего центра звездные скопления, которые в свою очередь
представляют планетарные системы. Планеты вращаются вокруг центральной звезды
своей планетарной системы. В свою очередь, некоторые планеты (например, Юпитер
или Земля в Солнечной системе) имеют спутники, вращающиеся вокруг центральной
планеты. Человеческая клетка представляет собой цитоплазму, движущуюся вокруг
ядра. Атом представляет собой электроны, движущиеся вокруг ядра (планетарная
модель атома). Есть ли предел делимости вещества в микромире и есть ли предел уровня
структурных образований в макромире? Науке об этом неизвестно. А что думаете об
этом вы?
Очень точно об этом сказал поэт Валерий Брюсов:
Быть может, эти электроны –
Миры, где пять материков,
Искусства, знанья, войны, троны
Там скорбь и страсть, как здесь, и даже
Там та же мировая спесь.
И память сорока веков
Их мудрецы, свой мир бескрайний
Поставив центром бытия,
Спешат проникнуть в искры бытия,
И умствуют, как ныне я;
Еще, быть может, каждый атом Вселенная, где сто планет;
Там все, что здесь, в объеме сжатом,
Но также то, чего здесь нет.
Их меры малы, но все та же
Их бесконечность, как и здесь
А в миг, когда из разрушенья
Творятся токи новых сил,
Кричат, в мечтах самовнушенья,
Что бог свой светоч загасил!
4.Домашнее задание.
§ 29, 30
5