Конспект урока по физике на тему "Делимость электрического заряда. Строение атомов" (8 класс. Физика).

Предмет: Физика.

Класс: 8

Учитель: Елакова Галина Владимировна.

Место работы: Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №7» г. Канаш Чувашской Республики.                   

Тема: «Делимость электрического заряда. Строение атомов».

Цель: формирования понятия об электрическом заряде; что заряд является источником электрического поля; на опытных фактах установить и на основании электронной теории объяснить получение двух видов электрических зарядов на макроскопических телах; показать дискретность заряда и его неразрывную связь с материальным носителем – электроном или протоном; дать представление о модели строения атома; начать формирование закона сохранения электрического заряда.

Вы узнаете:

Как на опыте показать, что электрический заряд делится на части?

Имеет ли электрический заряд предел делимости?

Как назвали частицу с самым малым зарядом?

Кто и когда открыл электрон?

Как заряжен электрон?

Вокруг чего обращаются электроны внутри атома?

Как было открыто атомное ядро?

Как заряжено атомное ядро?

Из каких частиц состоит атомное ядро?

Как находится число протонов в ядре?

Чему равен заряд и масса электрона?

 Чем отличаются друг от друга атомы различных химических элементов?
 Что является главной характеристикой данного химического элемента?
 Какие частицы входят в состав ядра?
 Каково строение атомов водорода, гелия и лития?
 Как образуются положительные и отрицательные ионы?

Оборудование: компьютер, экран, мультимедийный проектор, таблица «Строение атома», электроскопы, стеклянная, эбонитовая палочки, кусок меха, шелка.

 Учитель: К понятию электрического заряда исследователи пришли не сразу. Понадобилось несколько столетий, чтобы дать четкое определение этой физической величины.

 Опыт: Делимость электрического заряда.

 Учитель: После очередного деления точности электроскопа переставало хватать для ответа на вопрос:

1.      До какого значения дальше можно уменьшать заряд, какой заряд считать минимальным?

2.       Есть ли предел деления заряда? Появилось предположение, что если существуют частицы, имеющие электрический заряд, то должен быть и предел деления электрического заряда.

Оказалось, что действительно существует такой минимальный заряд, неподдающийся дальнейшему делению. Практически одновременно в 1910-1911 г.г. это экспериментально доказали американский ученый Роберт Милликен и российский физик Абрам Иоффе.       Исследователи электризовали очень мелкие металлические крупинки цинка (Иоффе) или капельки масла (Милликен). Эти мелкие частицы помещались в электрическое поле между двух заряженных пластин. Под действием силы тяжести частицы стремились упасть на нижнюю пластину. Но изменяя величину электрического поля, ученые могли регулировать скорость их падения или вообще удерживать в равновесии, компенсируя силу тяжести электрическим воздействием. Заряд пылинок и капель варьировали (изменяли) с помощью подсветки ультрафиолетовым светом. Результаты наблюдений и измерений физических величин показали, что заряды капель и пылинок всегда изменялись скачкообразно, но всегда в целое число раз (в 2, 3, 4, 5 и т.д. раз) больше некоторого минимального заряда.

  Милликен писал: «Опыты были проделаны над тысячами капель в самых различных средах, причем некоторые капли состояли из непроводников, как, например, масло, некоторые из полупроводников, как, например, глицерин, а некоторые из очень хороших металлических проводников, как, например, ртуть. Во всех случаях, без всякого исключения, оказалось, что как первоначальный заряд, возникший на кале вследствие трения, так и многочисленные заряды, захваченные каплей ионов, равны точным кратным наименьшего заряда…».

 Слова Иоффе: «Можно снять 1,2,3,4,5,6, … до 50 зарядов, но это было всегда целое число электронов. Оказалось, что, какое бы вещество мы бы 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 существуют только целые электроны». Был сделан вывод о существовании в природе частицы, имеющей наименьший заряд, который более не делился. Эту частицу назвали электроном. Электрон был открыт Томсоном в 1897 г. Электрон обладает массой и энергией. Масса электрона составляет m = 9,1 ∙ 10^-31 кг. Электрический заряд — физическая величина. Ее обозначают буквой q. За единицу электрического заряда принят кулон (1 Кл). Значение заряда электрона определил американский ученый Роберт Эндрюс Милликен. Он установил, что электрон имеет отрицательный заряд

q = -1,6 ∙ 10^-19 Кл. Было установлено, что в состав атомов любого вещества входят отрицательно заряженные частицы, но сами атомы нейтральны. Как это можно объяснить? В начале XX в. в физике бытовали самые разные и часто фантастические представления о строении атома. Но большинство физиков склонялись к мысли, что прав Джозеф Джон Томсон: атом — равномерно положительно заряженный шар диаметром d =10^-8 см, внутри которого плавают отрицательные электроны ^-11 см.

 Вывод: Результаты удалось объяснить только следующим образом: пылинке (капле) каждый раз сообщается или отбирается только наименьший заряд или целое число таких зарядов. Этот заряд далее становится неделимым. Частица с наименьшим электрическим зарядом была названа электроном. Минимальный (элементарный) электрический равен:

 q = 1,6 • 10^-19 Кл. Электрический заряд нельзя уменьшать бесконечно: он имеет предел делимости. Этот заряд в миллиарды раз меньше того, что обычно получают в опытах по электризации тел трением.

Опыт: «плавание» ватки над заряженной пластинкой, как модель «плавания» капли в опыте Милликена. Кусочек ватки размером с горошину раздергивают так, чтобы она имела возможно большую поверхность, кладут на заряженную пластинку, затем стряхивают с нее. Получив, таким образом, одноименный с пластинкой заряд, ватка будет плавать над ней.

 Так была подтверждена основательность тех экспериментальных данных, на которых покоится атомная теория электричества.

  Учитель: Как было открыто атомное ядро?

    В конце XIX в. ученые предполагали, что неделимый атом состоит как бы из сферы, равномерно заряженной положительным электричеством. В эту сферу вкраплены электроны, а в целом атом нейтрален. «Что-то вроде пудинга с изюмом», как однажды выразился английский физик Д. Томсон, предложивший в 1898 г. такую модель строения атома.

 Английский физик Эрнест Резерфорд изучал строение атома различных веществ, подвергая их бомбардировке частицами, излучаемыми радиоактивными элементами. Суть его опытов заключалось в следующем. На пути узкого пучка α-частиц, испускаемых радиоактивным веществом, помещалась очень тонкая фольга из золота. Регистрировались α-частицы с помощью экрана из светящегося состава, расположенного вокруг мишени. Вопрос: Чего можно было бы ожидать в результате попадания α-частиц в атомы золота, если бы последние были сплошными шариками?

 Если α-частицам нужно будет как-то пробираться через гущу атомов золота, то им придется претерпевать множество столкновений с ними, сотни и тысячи раз менять свое направление. И, как предполагалось, α-частицы будут рассеиваться, т.е. вылетать из золотого листа по самым различным направлениям. На деле оказалось совсем не так. Подавляющая часть α-частиц проходила сквозь металл, почти не отклоняясь от прямолинейного пути, и лишь немногие отклонялись на большие углы, а иногда даже отскакивали назад.

 Единственным правдоподобным объяснением этому явлению могло быть только то, что положительно заряженные α-частицы встречали на своем пути прямо перед собой другие, еще более сильно заряженные положительным электричеством частицы, заряд и массы которых были столь велики, что α-частицы отлетали в сторону и даже назад, несмотря на свою огромную скорость (около 15 000 км/с). Столь огромные силы отталкивания не могли появится у атома, положительный заряд которого был бы распределен равномерно по всей сфере атома, как это предполагал Томсон.

  Многократно повторив опыты, Резерфорд в 1911 г. опубликовал их результаты и выводы о том, что удалось обнаружить положительно заряженную часть атома – ядро атома, в котором сосредоточена почти вся его масса. Это ядро занимает лишь ничтожно малую часть объема всего атома, примерно одну стотысячную его поперечника. Атом оказался пуст! 

  Если увеличить размер атома до размера Земли, а его электроны, расположенные на самой внешней границе атома и образующие как бы оболочку, представить в виде футбольных мячей, катающихся по поверхности Земли, то положительно заряженное ядро атома будет иметь размер шара диаметром около 130 м, расположенного в самом центре Земли. Разделять же их будет пустое пространство в 6378 км!

  Представление о размерах атома дает и такое сравнение: поперек ногтя мизинца (1 см) могло бы уместиться примерно 100 000 000 атомов!

  Если атом водорода увеличить так, что ядро достигнет размеров футбольного мяча, то электрон окажется на расстоянии 23 км от ядра!

  О плотности ядерного вещества дает представление такое сравнение. Если бы объем человека массой 80 кг уменьшился за счет промежутков между ядром и электроном, т.е. если бы электроны расположились «вплотную» к ядрам, то новый объем стал бы равен примерно 10^-6 мм³ (миллионная часть кубического миллиметра – это приблизительно миллионная часть булавочной головки).

  Если бы весь атом увеличился так, что ядро приняло бы размеры десятикопеечной монеты, то расстояние между ядром и электронами стало бы равным примерно километру!

  Учитель: Итак, атом состоит из атомного ядра и обращающихся вокруг него электронов. А из чего состоит атомное ядро?

  Строение атома было открыто в 1911 году в результате экспериментов, которыми руководил Резерфорд. В 1932 г. было установлено, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Протон представляет собой положительно заряженную частицу с массой, которая в 1836 раз превышает массу электрона. Электрический заряд протона совпадает по модулю с зарядом электрона.

  Вывод: атомы любого элемента состоят из положительно заряженной части, получившей название ядра (в состав ядра входят положительно заряженные элементарные частицы протоны и нейтральные нейтроны); вокруг ядра вращаются электроны, образующие так называемую электронную оболочку. При этом сумма положительных и отрицательных зарядов в атоме равна 0, т. е. количество протонов равно количеству электронов и атомы электрически нейтральны.

  Ядра разных атомов содержат разное число протонов. Например, в ядре атома водорода лишь один протон, у гелия – два, у лития – три, у кислорода – восемь. От чего это зависит?

  Вывод: Число протонов в ядре совпадает с порядковым номером соответствующего элемента в таблице Менделеева. Число протонов в ядре равно числу электронов, обращающихся вокруг этого ядра.

 Необходимо отметить, что атом, потерявший (или приобретший) один или несколько электронов, уже не является нейтральным, а будет иметь положительный (или отрицательный) заряд. Его называют положительным (или отрицательным) ионом.

  Учитель: Элементарные частицы (электроны, протоны и др.), а также атомные ядра невозможно увидеть. Но существуют приборы, например, камера Вильсона, пролетая через камеру заряженная частица ионизирует встречные молекулы пара, которым наполнена камера, и тем самым создает вдоль своего пути цепочку ионов. В результате конденсации на этих ионах пара образуется трек – туманный след из капелек воды.

   Закрепление изученного материала.

              (Ученики отвечают на вопросы.)

- Как на опыте показать, что электрический заряд делится на части?

- Электроскопу сообщили заряд q = -1,6 ∙ 10^-19 Кл. Какому числу электронов соответствует этот заряд?

-  Две легкие одноименные заряженные гильзы из фольги подвешены на шелковых нитках одинаковой длины в одной точке. Что произойдет, если коснуться одной из гильз рукой?

- Чем отличаются друг от друга атомы различных химических элементов?

- Что является главной характеристикой определенного химического элемента?

- Какие частицы входят в состав ядра?

- В ядре атома углерода содержится 12 частиц. Вокруг ядра движутся 6 электронов. Сколько в ядре этого атома протонов и сколько нейтронов?
- От атома гелия отделился один электрон. Как называется оставшаяся частица? Каков её заряд?
- Существуют ли атомы с зарядом ядра меньшим, чем заряд протона?

Задача №1. Известно, что атом кислорода электрически нейтрален, а в его ядре находится 16 частиц. Сколько в атоме кислорода протонов, нейтронов и электронов?

  Ответ: В таблице Менделеева кислород имеет порядковый номер 8. Значит, в нём 8 протонов. Поскольку атом электрически нейтрален, в нём должно быть 8 электронов, чтобы уравновесить заряд ядра. Нам дано, что в ядре 16 частиц. Т.к. 8 из них являются протонами, оставшиеся 8 - это нейтроны. Значит, в атоме кислорода 8 нейтронов и 8 протонов, которые формируют ядро, а вокруг этого ядра вращаются 8 электронов.

   Задача №2.  Как называется атом кальция, который потерял 2 электрона? Каков заряд этого атома?

   Ответ: Для ответа на этот вопрос нам не нужна таблица Менделеева. Т.к. атом изначально нейтрален, то при потере электронов, он становится положительным ионом. Сколько бы ни было протонов в ядре, заряд каждого из них уравновешивается отрицательным зарядом электрона, за исключением двух, поскольку в атоме не хватает двух электронов. Поэтому заряд данного иона будет равен суммарному заряду двух протонов.

Задача №3. Атом содержит 6 нейтронов и электрически нейтрален. Можно ли найти число протонов и электронов?

   Ответ: Нет, потому что число протонов не всегда совпадает с числом нейтронов. Можно лишь сказать, что число протонов в этом атоме равно числу электронов, поскольку в противном случае, это был бы ион. Шесть нейтронов содержится в нормальном атоме углерода, но, 6 нейтронов могут находиться в некоторой разновидности атома гелия. Такие разновидности называются изотопами и часто являются радиоактивными. Подобные явления будут изучены подробнее в старших классах.

 Подведение итогов. Домашнее задание.

 Литература:

  1. Перышкин А.В. «Физика -8кл.: учеб. Для общеобразоват. учреждений/ А.В. Перышкин. – М.: Дрофа,2016. -191 с.

2. Перышкин А.В. и др.: Преподавание физики в 6-7 классах средней школы: Пособие для учителя/ А.В. Перышкин, Н.А. Родина – 4-е изд, перераб.- М.: Просвещение, 1985. – 256 с.

3. Иванов Ю.Я.: Творческие экспериментальные задания по физике 7-9 классы: учебно-методическое пособие/Ю. Я. Иванов, А. Ю. Иванов. –Чебоксары: Чуваш. гос. пед. ун-т, 2011. -224 с.

4. Алексеева М. Н.: Физика юным: Теплота. Электричество. Кн. для внеклассного чтения. 7 кл. /Сост. М. Н. Алексеева. - М.: Просвещение, 1980. -160 с.

5. М. Е. Тульчинский: Сборник качественных задач по физике. Пособие для учителя. Издательство «Просвещение», Москва, 235 с.

: https://obrazovaka.ru/fizika/delimost-elektricheskogo-zaryada-elektron-kratko.html

Скачано с www.znanio.ru