沪粤版（2024）物理八年级下册 10.1 探索微观 （课件）

10.1探索微观人类对微观世界的探索经历了漫长的历程。自然界中的物质是由什么构成的?物质内部有着怎样的结构?奇妙的微观世界有哪些奥秘?我们就从古代对物质结构的猜想谈起。 关于物质结构的猜想古代的思想家曾对物质的结构做过许多猜想，其中有影响力的是古希腊的哲学家德谟克里特 (Democritus，约前 460—约前 370)。德谟克里特经过长期观察，不断地思考：屋檐滴水时间长了，为什么能水滴石穿?年代久远的铜像的手被人摸多了，为什么会变小?铁铲用久了，为什么会变薄?走近花园，为什么能闻到花香?······德谟克里特认为，石块、铜像的手、铁铲、花粉······是很微小地一点一点散失的。因此，他猜想，大块物体是由极小的物质粒子构成的。德谟克里特把这种物质微粒叫做“原子”这个词在希腊语里的意思是“不可再分割的颗粒”。尽管德谟克里特猜想的“原子”不是现代意义上的原子概念但这是人类探索微观世界的开始。我国古代思想家对物质结构曾提出过很多猜想。早在公元前 11世纪，我国古代就有一种“五行说”，认为自然界是由金、木、水、火、土五种基本物质构成的(图 10-1-1)。战国时期成书的《中庸》里写道：“语小，天下莫能破焉。”意思是说，世界上存在着很小很小、不可能再分割的东西。其实，这就是原子思想的萌芽。图10-1-1 我国古代的“五行说” 物质是由分子和原子构成的继德谟克里特的猜想之后，历史的脚步又跨越了两千多年，化学家终于从实验中发现，自然界中确实存在着能保持物质化学性质不变的最小微粒。1811 年意大利物理学家阿伏伽德罗(A. Avogadro，1776-1856) 首先把它叫做分子。物理学中，把构成物质的仍能保持其化学性质不变的最小微粒叫做分子(molecule)。图10-1-2是DNA(脱氧核糖核酸)的分子结构模型。我们常见的物质，例如固体、液体和气体，无论大小、轻重有何不同，也无论是否有生命，都是由分子构成的。分子很小，用普通显微镜无法看到，需要用电子显微镜进行观察。研究指出，大多数分子直径的数量级为 10－10m (0.1nm)。分子的质量也很小。例如，一个水分子的质量约为 3×10－26 kg。分子的发现并没有终止科学家探究物质结构的步伐。很快，人们发现分子是由原子(atom)构成的。大多数分子是由多个原子构成的，叫做多原子分子。例如，水分子是由一个氧原子和两个氢原子构成的，二氧化碳分子是由一个碳原子和两个氧原子构成的(图10-1-3)。有些分子则是由单个原子构成的，叫做单原子分子。铁、铜、金、铂等大多数金属的分子也就是原子(图10-1-4)。科学家发现原子以后的很长一段时间里，人们都认为原子是物质的最小单元，是“宇宙之砖”。那么，原子究竟能不能再分呢? 把原子“ 切开 ”19 世纪末，科学家用真空管进行放电实验时，发现真空管的阴极能发出一种射线(图10-1-5)。图10-1-5 阴极射线实验图10-1-5 阴极射线实验1897年，英国科学家汤姆孙 (J. J. Thomson，1856-1940) 进行了认真的实验研究，确定这种射线是由一种带负电的微粒构成的，它们来自原子的内部，他把这种微粒叫做电子 (electron)。 原子内部有带负电的电子，整个原子却不对外显示电性，并且十分稳定。原子的这种特性启示人们，原子内部一定还有带正电的部分。因此，电子的发现，使人们认识到原子也是有复杂结构的。 原子结构的两种模型由于原子、电子都很小，在无法用仪器对它们直接进行观察时，只能借助某些实验，利用已有的知识，通过想象、类比等方法，构建出它们的模型。其中最有影响力的是由汤姆孙和他的学生卢瑟福提出的两种原子结构模型。汤姆孙认为，原子像一个实心球体，均匀分布着带正电的物质，电子镶嵌在其中，犹如糕中的枣子，因此被称为“枣糕模型”(图10-1-6)。图10-1-7 卢瑟福的实验与核式结构模型1911年，卢瑟福基于 α 射线(带正电的粒子流)轰击金的实验[图10-1-7(a)]，提出了他的原子结构模型：原子中间有一个带正电的核，它只占有极小的体积，却几乎集中了原子的全部质量，带负电的电子在核外绕核运动，这一模型被称为“核式结构模型”[图10-1-7(b)]。卢瑟福的核式结构模型也并不是完美的。以后的实验进一步表明，原子中的电子是以电子云的形式分布在原子核的外围。根据卢瑟福的核式结构模型，很自然会提出问题：原子核内有些什么? 原子核的构成部分科学家发现，氢原子的结构最简单，核外只有一个电子 (图10-1-8)。如果把电子的电荷量作为一个单位的负电荷量，则氢原子核的电荷量便是一个单位的正电荷量。这种具有单位正电荷量的氢原子核叫做质子(proton)。实验表明，质子不仅是氢原子的核，也是其他任何原子核的构成部分。1932年，英国物理学家查德威克 (J. Chadwick，1891-1974) 从实验中发现，原子核中还有一种不带电的粒子，它的质量跟质子差不多，这种粒子叫做中子(neutron)。质子和中子统称核子(nucleon)。原子核中的质子和中子的数目称作核子数。各种元素的原子核中的质子数和核子数一般是不同的。 原子的结构现在，我们知道原子是由原子核和核外带负电的电子构成的，而原子核是由带正电的质子和不带电的中子构成的 (图10-1-9)。进一步的研究表明，大多数原子的直径约为 10－10m，而原子核的直径只有 10－15~10－14 m。如果把原子想象成篮球一样大，那么原子核就比一粒细沙子还小。图10-1-10是根据卢瑟福的原子结构模型画出的氢、氦、锂原子的示意图，你能从图中看出它们的原子核内各有几个质子和中子吗?氢的原子核内只有一个质子，氦的原子核内有两个质子和两个中子，锂的原子核内有三个质子和四个中子。既然原子核也是有结构的，那么，质子和中子能不能再分呢?科学家正在进一步探索这些粒子的内部结构和运动规律，并且已经取得巨大进展。质子、中子也有内部结构，它们是由一种叫做夸克(quark)的更小微粒构成的。从17世纪以来，人们对物质结构的探索日益深人，目前，人们认识到的微观世界的尺度大致如图 10-1-11所示。1. 古希腊的哲学家德谟克里特曾对物质是由什么组成的进行了许多猜想，他认为石块、铁铲、铜像的手、花粉等是微小地一点一点散失的，德谟克里特把这种颗粒叫做原子，这个词是_____________________________的意思，他采用的探究方法是_____________，由此得出的观点需要经过________检验和证明，才能上升为理论。不可再分割的颗粒猜想法实践2.下列关于分子的说法，正确的是( )A.分子是组成物质的最小微粒，它是不可再分的B.分子是组成物质并能保持其物理性质不变的最小微粒C.分子是组成物质并能保持其化学性质不变的最小微粒D.灰尘是很小的分子，所以分子用肉眼可以看见C3. 如图所示，关于物质的组成，下列说法错误的是( )A. 原子由原子核和核外电子组成B. 原子是由原子核和中子组成的C. 原子核是由质子和中子组成的D. 质子和中子是由更小的微粒组成的B4.(重庆二模)在探索微小粒子的历程中，科学家们用一系列高能物理实验证实了大量微小粒子的存在。以下微粒按空间尺度从大到小的顺序排列的是( )A. 原子、原子核、分子B. 原子、原子核、质子C. 质子、原子核、原子D.质子、电子、原子核B1.乒乓球的直径约为 4cm，它是分子直径的多少倍? 地球的直径约为 1.28×104 km，它是乒乓球直径的多少倍? 比较这两组数据，你发现了什么? 2.某同学深吸一口气，约能吸进 1.0×103 cm3 空气，请查阅资料，估算这相当于吸进多少个空气分子?解：1 cm3 空气中约有 2.7×1019 个空气分子，一口吸进空气分子的个数 n＝1.0×103cm3×2.7×1019个/cm3 ＝2.7×1022个。3.观察图10-1-12，设想把一块铜分成两小块，再把每小块一分为二，一直这样分下去，分到什么时候仍能保持铜的性质呢?分子4. 你能用语言或简图来表示原子的结构吗?5. 2000多年前，我国的庄子说过：“一尺之棰，日取其半，万世不竭。”意思是说，一尺长的木棍，每天取它的一半，永远也取不完。学习了物质的微观结构以后，你对这句话有什么新的认识?用物质微观结构的理论可以理解为：物质由分子组成，分子由原子组成，原子由原子核和电子组成，原子核由质子和中子组成，质子和中子由夸克组成，夸克又由更小的微粒组成，各种微粒均可以再分，没有止境。