师：同学们好，今天我们来学习初中物理北师大版九年级全一册第十六章第一节——探索微观世界的历程。本节课的学习目标有四点：一是了解人类探索物质微观结构的认识过程；二是了解电子的发现过程和原子的核式结构模型；三是了解夸克模型；四是了解纳米材料的应用。
1969 年，人类首次踏上月球，回望地球，才深刻意识到我们在广袤宇宙中偏居一隅。那么，人类能否从地球奔向星际呢？很久以前，学者们交流时，德莫克利特说，大自然的物质如同绿墙由树干和枝叶组成一样，都是由看不见的微小粒子——原子构成，原子既不会消失，也不会无中生有。这一思维火花，为后续研究奠定基础。
后来，波尔和道尔顿复活并确立了原子论。大家看图，这就是道尔顿的原子模型。实践是检验真理的唯一标准，学者们研究并测量大量物质的化学反应后，发现并确认了以下事实：其一，多数物质可通过化学反应由其他物质合成，这些物质叫化合物；其二，一些物质无法通过化学反应由其他物质合成，这些物质叫单质，也称为元素；其三，对应各种元素存在不同原子，原子是元素保持化学性质不变的不可再分的最小单元。1811 年，意大利科学家阿伏加德罗进一步指出，物质一般由几个原子相结合的分子构成。大家看这两张图，分别是用场离子显微镜拍摄的钨针针尖上的原子图样以及 DNA 分子结构。一立方厘米的水分子中含有(3.34×10^{22})个水分子，一个水分子质量约为(3×10^{-26})千克，最小的分子质量只有(10^{-27})千克，其尺度相当于头发丝直径的(\frac{1}{100000})。组成生命基本单元的 DNA 分子含有几百万个原子。大家看，水分子由两个氢原子和一个氧原子组成。
19 世纪下半叶，人们研究稀薄气体放电现象时发现，当放电管内气体足够稀薄，阴极会发射出一种射线，叫阴极射线。大家看图，这是阴极射线管。1897 年，物理学家汤姆孙发现阴极射线在电场或磁场作用下会发生偏转，方向与带负电粒子相同，表明这是一种带负电的粒子流，后来人们称这种粒子为电子。大家看，这就是阴极射线偏转的现象。电子的发现打破了原子不可再分的概念，是人类对物质结构认识的一次飞跃，掀起了新一轮探索物质微观结构的热潮，汤姆孙因此获得 1906 年诺贝尔物理学奖，原子的面纱由此揭开。
为探索原子结构，人们利用已知粒子轰击薄金属箔，粒子与金属原子作用会发生偏转，通过观察偏转情况获取原子内部信息，这种实验叫散射实验。1909 - 1911 年间，英国物理学家卢瑟福等人进行了α粒子散射实验。大家看，这是α粒子散射实验的装置图。
1909 - 1911 年间，英国科学家卢瑟福等人无数次用高速α粒子轰击金箔，发现原子中带正电的物质体积小、密度大，几乎集中了原子的全部质量，后来人们称它为原子核。卢瑟福提出原子核式结构模型：原子中心是原子核，电子在核外绕原子核高速运动，就像行星绕太阳运动。原子内部十分空旷，若将原子放大成直径上百米的足球场，中央的原子核就像一颗小米粒，其直径不到原子直径的(\frac{1}{10000})，质量却占整个原子质量的(99.94%)以上。大家看，这是科学家卢瑟福的照片。
对原子的探索仍在继续。1919 年，卢瑟福用粒子轰击氮核，得到带正电的质子。1932 年，他的学生查德威克发现不带电的中子。此时，人们认为电子、质子和中子是构成世界的基本单元，称它们为基本粒子。但后来实验发现更多微观粒子，质量介于质子和电子之间的叫介子，大于质子的叫超子。大家看，这是卢瑟福的有核模型、行星模型和汤姆孙的枣糕模型。汤姆孙是英国物理学家。
1964 年，美国物理学家盖尔曼在费米、杨振宁、坂田昌一研究基础上，提出质子、中子、介子、超子等都是由三种基本粒子组成，分别称为上夸克、下夸克、奇异夸克，科学界把这一模型称为夸克模型。盖尔曼因此获得 1969 年物理学奖。大家看，这是科学家盖尔曼的照片。1974 年，丁肇中和里克特发现一种称为 J 粒子的粒子，后来又相继发现底夸克和顶夸克。大家看，这两位分别是科学家里克特和丁肇中的照片。
随着时代发展，我们走进纳米科技。物理学中，原子核及其更深层次的客体统称为微观粒子，简称粒子，它们尺度都小于(10^{-9})米，1 纳米等于(10^{-9})米。纳米科技指在纳米尺度上了解和控制物质，发现新现象、发明新技术。纳米技术思想源自美国物理学家费曼的一次演讲。1986 年发明的扫描隧道显微镜，让观察和操纵原子成为现实。IBM 公司与中国科学院分别于 1990 年和 1999 年展示原子操纵技术。纳米技术是 20 世纪 90 年代出现的新兴技术，在(0.1 - 100)纳米，即(\frac{1}{1000000000})米尺度空间内，研究电子、原子和分子运动规律与特性。
纳米技术在生活中有哪些应用呢？首先是纳米氧化钛，它耐腐蚀，用其涂覆的物品能耐沸水，在海水中浸泡十年不损，还有神奇的自我修复能力，可作为金属、非金属材料的修补剂。大家看，这是纳米钛的化合涂料管。第二个是纳米牛仔裤，它耐油、耐污、耐水。此外还有纳米零件、纳米薄膜等纳米应用。接下来我们看一个视频。
1911 年，英国科学家卢瑟福用带正电的α粒子轰击金箔。α粒子带正电荷且比原子小很多。实验发现，多数α粒子穿过金箔后仍保持原来运动方向，但少数α粒子发生较大角度偏转。这个实验结果推翻了汤姆生的葡萄干布丁原子模型，该模型认为原子中正电荷均匀分布在整个球体内，电子镶嵌其中。而根据α粒子散射实验结果，卢瑟福认为原子中心有一个很小的原子核，原子全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间绕核运动。所以大多数α粒子穿过金属箔后仍保持原来运动方向，当带有正电荷的α粒子碰到或接近原子核时，运动方向就会发生偏转。基于实验结果分析，卢瑟福提出原子的核式结构模型：在原子中心有一个很小的原子核，原子全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间绕核运动。
CRT 显示器学名叫阴极射线显像管，显像原理主要是电子枪阴极发射的电子束在电场力作用下加速并聚焦，而后轰击到荧光屏上产生画面。原本直线运动的电子束只能使屏幕中央产生画面，它受到什么影响从而发生偏转，使屏幕其他部分也产生画面呢？
本次实验通过三个环节进行：一是给阴极射线管施加高压观察电子束；二是给阴极射线管施加高压和磁场观察电子束；三是改变磁场方向观察电子束。实验需要用到以下器材：U 型磁铁、阴极射线管、电子感应圈、导线。首先了解阴极射线管磁效应管，它由已抽成真空的玻璃管、两个电极、荧光板、挡板构成，挡板上有一个狭缝。接通电源后，电子在电场加速下从阴极射向阳极，通过狭缝后形成扁平电子束，撞击在荧光板上，显现出一条电子束径迹。电子感应圈是能提供小功率可调高压电源的装置。