《人文物理》课程教学资源（教案）第五讲 打开微观世界研究大门的三大发现

第五讲打开微观世界研究大门的三大发现课程教案授课方式理论课课时安排120分钟教学内容与课时安排：1、三大发现的序幕；（15分钟）（20分钟）2、伦琴发现X射线：3、贝克勒尔发现天然放射性；（20分钟）4、居里夫人发现针和铺：（25分钟）5、α、β和射线；（15分钟）6、汤姆孙发现电子。（25分钟）教学目的与要求：1、了解阴极射线本性的争论；2、了解X射线的发现过程及意义；3、了解X射线的产生和应用；4、了解放射性的发现过程及意义；5、了解电子的发现过程及意义；6、体会伦琴、居里夫人等科学家的高尚品德。教学重点及难点：重点：三大发现过程及其重要意义难点：在发现的过程中创新思想的作用以及值得思考的问题授课安排：1、介绍历史上关于物质结构的讨论，包括古代原子论及现代原子论，然后介绍阴极射线的发现及其本性的争论；2、介绍伦琴发现X射线的过程、重大意义、发现过程中几个值得思考的问题以及X射线的性质和应用：3、贝克勒尔发现铀辐射的过程、重大意义以及值得思考的问题；4、居里夫人发现针和镭的过程以及居里夫人的高尚品德：5、介绍α、β和射线的发现、产生放射性的原因以及放射性发现的社会影响和广泛应用：6、介绍汤姆孙发现电子宣告阴极射线的本性争论结束、发现中要敢于突破传统观念以及发现电子的重大意义。教学方法与手段：网络课堂讲解、PPT、动画演示相结合，采取启发式教学方法课堂板书：多媒体

第五讲 打开微观世界研究大门的三大发现 课程教案 授课方式 理论课 课时安排 120 分钟 教学内容与课时安排： 1、三大发现的序幕； （15 分钟） 2、伦琴发现 X 射线； （20 分钟） 3、贝克勒尔发现天然放射性； （20 分钟） 4、居里夫人发现钋和镭； （25 分钟） 5、 、 和  射线； （15 分钟） 6、汤姆孙发现电子。 （25 分钟） 教学目的与要求： 1、了解阴极射线本性的争论； 2、了解 X 射线的发现过程及意义； 3、了解 X 射线的产生和应用； 4、了解放射性的发现过程及意义； 5、了解电子的发现过程及意义； 6、体会伦琴、居里夫人等科学家的高尚品德。 教学重点及难点： 重点：三大发现过程及其重要意义 难点：在发现的过程中创新思想的作用以及值得思考的问题 授课安排： 1、介绍历史上关于物质结构的讨论，包括古代原子论及现代原子论，然后介绍阴极射线的 发现及其本性的争论； 2、介绍伦琴发现 X 射线的过程、重大意义、发现过程中几个值得思考的问题以及 X 射线的 性质和应用； 3、贝克勒尔发现铀辐射的过程、重大意义以及值得思考的问题； 4、居里夫人发现钋和镭的过程以及居里夫人的高尚品德； 5、介绍、和射线的发现、产生放射性的原因以及放射性发现的社会影响和广泛应用； 6、介绍汤姆孙发现电子宣告阴极射线的本性争论结束、发现中要敢于突破传统观念以及发 现电子的重大意义。 教学方法与手段： 网络课堂讲解、PPT、动画演示相结合，采取启发式教学方法 课堂板书：多媒体

方法及手段教学基本内容讲授法+PPT一、三大发现的序幕展示1、历史上关于物质结构的讨论我们生活的世界是由各种各样的物质构成的，各种物质来源于何处？它们是由什么东西构成的呢？由此引出古今中外人们对物质结构的讨论。主要介绍古代及近代的原子论。约在公元前400年，古希腊哲学家德谟克利特明确指出，物质是由最小的不可再分的粒子构成，他把这种粒子称为原子。这就是古代原子论。近代原子论是随着化学的发展建立起来的。化学家认为原子是极微小的粒子，是物质结构不可分割的最基本单元。英国化学家道尔顿是科学原子论的创始人。1803他依据一系列实验首先提出：“气体、液体和固体都是由该物质的不可分割的原子组成。”他还认为：“同种元素的原子，其大小、质量及各种性质都是相同的。”2、阴极射线的发现及其本性的争论三大发现均与阴极射线的研究有关，而阴极射线的发现和研究是从真空管中的放电现象开始的。阴极射线的本质到底是什么？这种射线是“波”，还是“粒子流”？当时有两派学说：一种是以德国的戈尔茨坦、赫兹、勒纳德为为代表的以太说，认为阴极射线像普通的光线一样是以太波。另一种观点是以英国的瓦尔利、克鲁克斯、汤姆孙为代表的微粒说，认为阴极射线是由阴极发射的带负电的粒子所组成。然后介绍双方做的一些代表性的实验，比如勒那德窗的实验及磁场和静电偏转实验。1891年赫兹的助手勒纳德根据赫兹的建议发明了勒纳德窗，成功地将阴极射线引出管外，进行了一系列以前无法进行的实验。勒纳德用厚为2.65×10-4cm的铝箔在放电管壁上正对阴极的地方做了一个“窗口”，这就是勒纳德管，既可使管内保持真空，又薄到阴极射线可以透射出去。他们发现阴极射线像阳光一样穿透铝箔窗，透射到管外空间，并使几厘米远的涂有铂鼠酸钡的荧光屏发出荧光。故认为阴极射线是一种电磁波，因为只有波才能穿越实物。赫兹和勒纳德的另一个实验是在阴极射线管中，射行径的路上装上两个电极，目的是在垂直阴极射线的方向上加上一个电场。实验结果没有看到阴极射线的偏转，这更坚定了赫兹的信念。事实上这个实验没有成功，外加电场并没有加上去，其原因是当时真空度不够高。二、伦琴发现X射线1、发现过程伦琴在实验中发现阴极射线管外的荧光屏发光应该不是阴极射线引起的，于是进行深入研究，他用不同的物品，包括书本、木板、铝片等等，放

教 学 基 本 内 容 方法及手段 一、三大发现的序幕 1、历史上关于物质结构的讨论 我们生活的世界是由各种各样的物质构成的，各种物质来源于何处？它 们是由什么东西构成的呢？由此引出古今中外人们对物质结构的讨论。主要 介绍古代及近代的原子论。约在公元前 400 年，古希腊哲学家德谟克利特明 确指出，物质是由最小的不可再分的粒子构成，他把这种粒子称为原子。这 就是古代原子论。近代原子论是随着化学的发展建立起来的。化学家认为原 子是极微小的粒子，是物质结构不可分割的最基本单元。英国化学家道尔顿 是科学原子论的创始人。1803 他依据一系列实验首先提出：“气体、液体和 固体都是由该物质的不可分割的原子组成。”他还认为：“同种元素的原子， 其大小、质量及各种性质都是相同的。” 2、阴极射线的发现及其本性的争论 三大发现均与阴极射线的研究有关，而阴极射线的发现和研究是从真空 管中的放电现象开始的。阴极射线的本质到底是什么？这种射线是“波”， 还是“粒子流”？当时有两派学说：一种是以德国的戈尔茨坦、赫兹、勒纳 德为为代表的以太说，认为阴极射线像普通的光线一样是以太波。另一种观 点是以英国的瓦尔利、克鲁克斯、汤姆孙为代表的微粒说，认为阴极射线是 由阴极发射的带负电的粒子所组成。 然后介绍双方做的一些代表性的实验，比如勒那德窗的实验及磁场和静 电偏转实验。 1891 年赫兹的助手勒纳德根据赫兹的建议发明了勒纳德窗，成功地将阴 极射线引出管外，进行了一系列以前无法进行的实验。勒纳德用厚为 2.65× 10-4cm 的铝箔在放电管壁上正对阴极的地方做了一个“窗口”，这就是勒纳 德管，既可使管内保持真空，又薄到阴极射线可以透射出去。他们发现阴极 射线像阳光一样穿透铝箔窗，透射到管外空间，并使几厘米远的涂有铂氰酸 钡的荧光屏发出荧光。故认为阴极射线是一种电磁波，因为只有波才能穿越 实物。 赫兹和勒纳德的另一个实验是在阴极射线管中，射行径的路上装上两个 电极，目的是在垂直阴极射线的方向上加上一个电场。实验结果没有看到阴 极射线的偏转，这更坚定了赫兹的信念。事实上这个实验没有成功，外加电 场并没有加上去，其原因是当时真空度不够高。 二、伦琴发现 X 射线 1、发现过程 伦琴在实验中发现阴极射线管外的荧光屏发光应该不是阴极射线引起 的，于是进行深入研究，他用不同的物品，包括书本、木板、铝片等等，放 讲 授 法 +PPT 展示

在射线管和荧光屏之间，发现不同物体的效果很不一样，有的能够挡住，有启发式教学的挡不住。伦琴意识到这不是阴极射线，阴极射线本身没有特殊的穿透性，不能穿透玻璃、黑纸，而且几厘米厚的空气就能阻挡它。可能是从放电管中动画演示发出的某种特殊的从来没有观察到的射线，它有着很强的穿透能力，穿过黑纸到达了荧光屏。伦琴抓住异常现象不放过，六个星期的过去了，伦琴已经确认这是一种新的射线。由此发现了这种穿透力很强可以使得照相底片感光的新射线一一X射线。2、发现X射线的重大意义由于×射线有强大的穿透力，能够显示人体骨骼形貌和薄金属中的缺陷，在医疗上和金属检测上有重大的应用价值。X射线的发现，使人类首次进入了微观世界。由X射线的衍射现象打开了研究晶体结构的大门。3、在发现过程中几个值得思考的问题在伦琴发现X射线之前的30年中，不少科学家已发现过类似伦琴所见到的异常现象，可借没有抓住机会。伦琴为什么能抓住这一机遇？这归功于伦琴在几十年的学术生涯中，一贯对实验工作十分热爱和专注，具有敏锐的观察判断能力，还有严谨的工作作风和客观的科学态度。伦琴一生淡泊名利，对科学有着崇高的献身精神。4、X射线的性质和应用X射线是由于从放电管阴极射出的电子流，在几万伏或几十万伏的电场加速下，轰击在阳极金属靶上并骤然停止产生的。X线谱由连续谱和特征谱组成。在医院中透视、拍片以及工业探伤用的是连续的X射线。而在利用光谱研究物质结构中使用特征X射线。三、贝克勒尔发现天然放射性1、发现过程放射性的发现起源于对×射线来源的探究。1896年，贝克勒尔在铀矿石里发现了天然放射性现象。2、放射性发现的重大意义这是人类历史上第一次接触到核现象，这个现象促使科学家去探索放射性的来源，从而导致了原子核物理的诞生。3、值得思考的问题贝克勒尔的发现，往往被后人作为科学发现的偶然性之重要例证。贝克勒尔说：在他的实验室里发现放射性“完全合乎逻辑”。贝克勒尔家的实验室里拥有各种各样的荧光和磷光物质，长年进行各种试验，其中也包括铀盐。家族几代人对铀盐的研究，使贝克勒尔积累了丰富的实践经验，培养了他严谨的科学态度和科学家的“灵感”。也就是说，这个发现应该属于这个家族几代人努力的必然结果。四、居里夫人发现针和镭

在射线管和荧光屏之间，发现不同物体的效果很不一样，有的能够挡住，有 的挡不住。伦琴意识到这不是阴极射线，阴极射线本身没有特殊的穿透性， 不能穿透玻璃、黑纸，而且几厘米厚的空气就能阻挡它。可能是从放电管中 发出的某种特殊的从来没有观察到的射线，它有着很强的穿透能力，穿过黑 纸到达了荧光屏。伦琴抓住异常现象不放过，六个星期的过去了，伦琴已经 确认这是一种新的射线。由此发现了这种穿透力很强可以使得照相底片感光 的新射线——X 射线。 2、发现 X 射线的重大意义 由于 X 射线有强大的穿透力，能够显示人体骨骼形貌和薄金属中的缺陷， 在医疗上和金属检测上有重大的应用价值。X 射线的发现，使人类首次进入 了微观世界。由 X 射线的衍射现象打开了研究晶体结构的大门。 3、在发现过程中几个值得思考的问题 在伦琴发现 X 射线之前的 30 年中，不少科学家已发现过类似伦琴所见 到的异常现象，可惜没有抓住机会。伦琴为什么能抓住这一机遇？这归功于 伦琴在几十年的学术生涯中，一贯对实验工作十分热爱和专注，具有敏锐的 观察判断能力，还有严谨的工作作风和客观的科学态度。伦琴一生淡泊名利， 对科学有着崇高的献身精神。 4、X 射线的性质和应用 Ｘ射线是由于从放电管阴极射出的电子流，在几万伏或几十万伏的电场 加速下，轰击在阳极金属靶上并骤然停止产生的。X 线谱由连续谱和特征谱 组成。在医院中透视、拍片以及工业探伤用的是连续的 X 射线。而在利用光 谱研究物质结构中使用特征 X 射线。 三、贝克勒尔发现天然放射性 1、发现过程 放射性的发现起源于对 X 射线来源的探究。1896 年，贝克勒尔在铀矿石 里发现了天然放射性现象。 2、放射性发现的重大意义 这是人类历史上第一次接触到核现象，这个现象促使科学家去探索放射 性的来源，从而导致了原子核物理的诞生。 3、值得思考的问题 贝克勒尔的发现，往往被后人作为科学发现的偶然性之重要例证。贝克 勒尔说：在他的实验室里发现放射性“完全合乎逻辑”。 贝克勒尔家的实验 室里拥有各种各样的荧光和磷光物质，长年进行各种试验，其中也包括铀盐。 家族几代人对铀盐的研究，使贝克勒尔积累了丰富的实践经验，培养了他严 谨的科学态度和科学家的“灵感”。也就是说，这个发现应该属于这个家族 几代人努力的必然结果。 四、居里夫人发现钋和镭 启发式教学 动画演示

1、发现过程1897年，居里夫人根据其丈夫的建议，选放射性这个刚被发现的非常新的课题作为她的博士论文题目。这种与众不同的射线从哪里来？性质又是什么？是否除了铀盐以外还有别的物质也能发出这种射线？等等。一系列问题引起了居里夫人的极大兴趣。尽管题目新，困难多，要冒险，但极具挑战性，在这还未很好开垦的领域可以大有作为。在丈夫的支持下，她全身心的投入到放射性的研究中去。居里夫妇在非常艰苦、简陋的条件下通过验电器放电快慢测量放射性强弱，用于研究辐射强度与放射性元素的关系，由此在沥青铀矿中发现了针和镭，又进一步提炼纯净的镭盐，证实新的放射性元素镭的存在。2、元素放射性的发现的科学意义：（1）它打破了以道尔顿为首的原子不可再分的陈旧观念，证明原子不是组成物质的最小单位，它还可以再分。（2）它预示人类将获取一种新能源一一原子能。元素在放出射线的同时产生大量的热能，即：用很少的物质，可以获得很高的能量，展示了能源的美好前景。3、居里夫人的高尚品德由于镭的放射性具有治疗癌症的功效，镭的发现和成功分离也在社会上引起了轰动。作为第一位两获诺奖的科学家，功名、财富近在尺。然而居里夫人不为所动，不把自已的发明申请专利，不追求名利和财富，将制镭技术奉献给全人类。她说：“物理学家总是把研究成果全部发表的。不能因为我们的发现偶有商业前途而从中牟利，特别是，镭有治病的功效…·我们不能申请专利，这是违背科学精神的。”五、α、β和射线1、发现过程天然射线的本质是什么？元素放出射线后变成了什么？经过卢瑟福等科学家对放射性的研究，发现各种放射性元素所放出的射线中包含三种射线：射线、射线和射线。2、产生放射性的原因放射性现象的实质是一种原子核衰变现象，三种放射性都来自原子核。组成放射性物质的原子是不稳定的，每单位时间都有确定的一部分原子通过自发性地放射出（α、β、）射线和能量，而自身蜕变成另外一种放射性原子，直至成为一种稳定的原子为止。3、放射性发现的社会影响和广泛应用放射性已经在工农业生产、医学、生命科学、材料科学等许多领域中，占有着重要的不可替代的作用。六、汤姆孙发现电子

1、发现过程 1897 年，居里夫人根据其丈夫的建议，选放射性这个刚被发现的非常新 的课题作为她的博士论文题目。 这种与众不同的射线从哪里来？性质又是什么？是否除了铀盐以外还 有别的物质也能发出这种射线？等等。一系列问题引起了居里夫人的极大兴 趣。尽管题目新，困难多，要冒险，但极具挑战性，在这还未很好开垦的领 域可以大有作为。在丈夫的支持下，她全身心的投入到放射性的研究中去。 居里夫妇在非常艰苦、简陋的条件下通过验电器放电快慢测量放射性强 弱，用于研究辐射强度与放射性元素的关系，由此在沥青铀矿中发现了钋和 镭，又进一步提炼纯净的镭盐，证实新的放射性元素镭的存在。 2、元素放射性的发现的科学意义： （1）它打破了以道尔顿为首的原子不可再分的陈旧观念，证明原子不是组 成物质的最小单位，它还可以再分。 （2）它预示人类将获取一种新能源——原子能。元素在放出射线的同时产 生大量的热能，即：用很少的物质，可以获得很高的能量，展示了能源的美 好前景。 3、居里夫人的高尚品德 由于镭的放射性具有治疗癌症的功效，镭的发现和成功分离也在社会上 引起了轰动。作为第一位两获诺奖的科学家，功名、财富近在咫尺。然而居 里夫人不为所动，不把自己的发明申请专利，不追求名利和财富，将制镭技 术奉献给全人类。她说：“物理学家总是把研究成果全部发表的。不能因为 我们的发现偶有商业前途而从中牟利，特别是，镭有治病的功效.我们不 能申请专利，这是违背科学精神的。” 五、 、 和  射线 1、发现过程 天然射线的本质是什么？元素放出射线后变成了什么？经过卢瑟福等 科学家对放射性的研究，发现各种放射性元素所放出的射线中包含三种射 线： 射线、 射线和 射线 。 2、产生放射性的原因 放射性现象的实质是一种原子核衰变现象，三种放射性都来自原子核。 组成放射性物质的原子是不稳定的，每单位时间都有确定的一部分原子通过 自发性地放射出（α、β、γ）射线和能量，而自身蜕变成另外一种放射性 原子，直至成为一种稳定的原子为止。 3、放射性发现的社会影响和广泛应用 放射性已经在工农业生产、医学、生命科学、材料科学等许多领域中， 占有着重要的不可替代的作用。 六、汤姆孙发现电子

1、阴极射线的本性之争宣告结束：直到1897年，关于阴极射线本性的争论，最后由汤姆孙给出了正确的结果：阴极射线是从低压气体放电管阴极发出的电子在电场加速下形成的电子流。汤姆孙做了几个关键性的实验：（1）使阴极射线受静电偏转。（2）测量阴极射线的荷质比。（3）直接测阴极射线携带的电荷。在第一个实验中汤姆生重复了赫兹用静电场使阴极射线发生偏转的实验。他发现，赫兹当年的失败，主要是因为真空度不够高，引起了残余气体的电离。他在实验室技师的协助下，提高了射线管内的真空度，经过多次努力，终于观察到了阴极射线在静电场中的偏转。结合阴极射线在磁场中的偏转，所表现出来的行为确是和带负电的物质微粒的运动一样。然而，这场争论还没有结束。这种粒子是什么？是原子还是分子？或者比原子或分子更小层次上的物质微粒？为了回答这些问题，他又开始了新的实验目标，通过阴极射线在电场和磁场中分别发生偏转时偏转量的测定，定量测出阴极射线的荷质比。他结合了其他人的实验，尤其是阴极射线能穿过勒纳德窗（铝箔）的实验，提出这种微粒应比原子、分子小得多，且是原子的组成部分。1898年，汤姆孙又和他的学生们再接再厉，直接测阴极射线携带的电荷。2、要敢于突破传统观念：在继承中发展，这是科学研究的正确方法。但是在认识发展的过程中要有敢于创新，敢于突破传统观念束缚的勇气。面对荷质比的测定结果，只有汤姆孙认为它可以不是传统原子、分子微粒，而是一种新的、前人从未见到过的比原子、分子微粒小得多的带电粒子。3、发现电子的重大意义。电子发现对现代科学和技术发展的深远意义，打破了原子不可分的经典的物质观，宣告原子不是构成物质的最小单元。开辟了原子物理学的新研究领域。开辟了电子技术的新时代。总结：这三大发现以实验事实使得原子不可分不变化的传统观念发生了动摇，它使人们认识到原子不再是物质结构中不可分割的最基本单元，而是由更深层次的物质所构成的，而且原子内部在发生变化，构成原子的深层次物质有其自身的运动规律，从此人们开始了对微观世界的不懈探索，打开了奇妙的微观世界的大门。课后习题见本讲材料课堂反馈教学后记

1、阴极射线的本性之争宣告结束； 直到 1897 年，关于阴极射线本性的争论，最后由汤姆孙给出了正确的 结果：阴极射线是从低压气体放电管阴极发出的电子在电场加速下形成的电 子流。 汤姆孙做了几个关键性的实验：（1）使阴极射线受静电偏转。（2）测量 阴极射线的荷质比。（3）直接测阴极射线携带的电荷。 在第一个实验中汤姆生重复了赫兹用静电场使阴极射线发生偏转的实 验。他发现，赫兹当年的失败，主要是因为真空度不够高，引起了残余气体 的电离。他在实验室技师的协助下，提高了射线管内的真空度，经过多次努 力，终于观察到了阴极射线在静电场中的偏转。结合阴极射线在磁场中的偏 转，所表现出来的行为确是和带负电的物质微粒的运动一样。 然而，这场争论还没有结束。这种粒子是什么？是原子还是分子？或者 比原子或分子更小层次上的物质微粒？为了回答这些问题，他又开始了新的 实验目标，通过阴极射线在电场和磁场中分别发生偏转时偏转量的测定，定 量测出阴极射线的荷质比。他结合了其他人的实验，尤其是阴极射线能穿过 勒纳德窗（铝箔）的实验，提出这种微粒应比原子、分子小得多，且是原子 的组成部分。 1898 年，汤姆孙又和他的学生们再接再厉，直接测阴极射线携带的电荷。 2、要敢于突破传统观念； 在继承中发展，这是科学研究的正确方法。但是在认识发展的过程中要 有敢于创新，敢于突破传统观念束缚的勇气。面对荷质比的测定结果，只有 汤姆孙认为它可以不是传统原子、分子微粒，而是一种新的、前人从未见到 过的比原子、分子微粒小得多的带电粒子。 3、发现电子的重大意义。 电子发现对现代科学和技术发展的深远意义，打破了原子不可分的经典 的物质观，宣告原子不是构成物质的最小单元。开辟了原子物理学的崭新研 究领域。开辟了电子技术的新时代。 总结：这三大发现以实验事实使得原子不可分不变化的传统观念发生了 动摇，它使人们认识到原子不再是物质结构中不可分割的最基本单元，而是 由更深层次的物质所构成的，而且原子内部在发生变化，构成原子的深层次 物质有其自身的运动规律，从此人们开始了对微观世界的不懈探索，打开了 奇妙的微观世界的大门。 课后习题 见本讲材料 课堂反馈 教学后记