3　氢原子光谱教学设计实例

氢原子光谱

教学目标

1、了解光谱的定义和分类；解氢原子光谱的实验规律，知道巴耳末系。

2、学习运用光普分析的方法来进行原子结构与原子运动的分析。展现连续谱线、线状谱线让学生掌握光谱分析研究的原理。

重点难点

重点：氢原子光谱的实验规律

难点：经典理论的困难

设计思想 本节内容在明确光谱、连续光谱、线状态光谱的概念之后，进一步介绍原子的特征光谱和光谱分析，重点讲述氢光谱的实验规律。原子光谱的事实不能利用核式结构理论解释、必须建立新的原子模型，这是学生进一步深入学习的思想基础。设计时重点针对学生学习中的难点，采用实验、图片、视频等多种媒体让学生有比较直观的体会。教学过程中，要抓住运用光谱分析的方式来认识原子结构这一主导思想，这是人们分析与研究原子的一种思想方法，这种方法不同以往学生的学习方法，同时还需要注意的是，初步引入量子观念：波长是分立的，为学生的进步学习提供思想基础。要让学生在获得相关知识的同时，认识到人们在认识客观事物的过程中，不断形成探索自然的一些新方法，理解科学方法对进行科学探索的作用，并理解探究自然奥秘是一项永远止境的认识活动。

教学设计

【课堂引入】

卢瑟福利用α粒子散射提出了原子的核子结构，要认识核外电子的运动需要从光谱分析入手。

17世纪，牛顿发现，白光经过三棱镜会色散成图示的连续分布的彩色光带，这光带就叫光谱。

思考：什么叫光谱，可用家谱和菜谱来类比，如菜谱是按一定的次序菜系排列菜名图片的记录。

一、光谱：按一定（次序）如波长（频率）分布光的记录。

（1）发射光谱：物体发光直接产生的光谱。如白炽灯（炽热固体）、高温钢水等发出的光经三棱镜后均会出现连续的彩色光带，将这种发射光谱称为连续光谱：由连续分析的一切波长的光组成，整体光谱区域都是亮的。但并不是所有的发射光谱都是连续的。

观察实验：不同原子发出的光显得比较“单调”，但单调不代表只有一种波长，我们以过分光镜（三棱镜）的色散作用后可以发现原子的光谱中一条条分立的谱线，称之为线状光谱：光谱只是一条条的亮线，原子不同，发出的明线光谱也不同，每种原子发出明线谱并不相同，故而可利用明线光谱分析原子的种类，原子的这种特征，还可以通过吸收光谱来体现。

（2）吸收光谱：

观察实验：钠蒸汽的吸收光谱。高温物体发出的白光（连续光谱）经过钠蒸汽后，发现某些波长的光被吸引（不见）而产生的光谱叫吸收光谱。

对比钠的线状光谱和吸收光谱发现刚好是对应，即原子只能发出或吸收某种特定波长的光，这两种线也叫原子的特征谱线。现在我们来研究最简单的氢原子的光谱特征。

二、氢原子光谱

实验结果呈现：氢气放电管获得的氢原子光谱。对于这些数字，一位中学数学老师巴耳末用一个公式将他们很好的统一在了一起，－11=R(11)，其中n = 3、4、5、…

（里22n2德伯常量：

R = 1.10×107 m）并把符合这个公式的谱线称为巴耳末系，由于n只能取整数，故巴耳末系的谱线必定是分立的。后来又在紫外区和外红外区发现氢原子线状谱，满足的公式形式有…

我们也可以将这个公式统一成，1=T(m)-T(n)这式子称为广义巴耳末公式。

小结：最简单的氢原子的光谱是线状谱，不连续的，这与经典的观点存在很大的差别，这也就在反映着原子结构应当不是经典连续结构而可能是不连续的，这说是下节的内容。

氢原子光谱

一．学情分析

1．学生已经掌握的知识

通过“电子的发现”、“原子核式结构模型”的学习学生已经了解关于原子的基本结构，并且在头脑中基本建立起关于原子的核式结构模型，通过α散射实验，估算到原子核半径的－－数量级为1015 m，整个原子半径数量级是1010 m，原子内部是一个十分“空旷”的空间。

2．学生欠缺的地方

虽然学生对原子的结构有了大致的了解，但对于电子原子核周围如何运动，以及它们的能量等都不太了解，而要了解这些问题必须通过一些实验来进一步进行研究与证实，其中比较一种重要的方法是通过“光谱”来认识关于原子内电子的运动与能量问题。

3．教学应对策略

在通过牛顿色散现象激发学生兴趣的基础上，再根据学校内实验室的条件做一些原子光谱实验（如Na光谱等）给学生看，让学生初步认识“光谱”，并了解“光谱”的意义。再通过投影片展出发射光谱（连续、线状谱）和吸收光谱，让学生了解光谱的类型，并认识各种类型光谱的特点，通过让学生明白：每种原子都有其特定的谱线，可以通过这种谱线（对应的有吸收光谱）来进行光谱分析。最后通过最简单的氢原子光谱了认识氢原子光谱特点。根据光谱分析分析出经典的理论的困难为学生进一步深入学习提供心理基础。

二．教材的地位和作用

本节教材是在明确光谱、连续光谱、线状态光谱的概念之后，进一步介绍原子的特征光谱和光谱分析，重点讲述氢光谱的实验规律。原子光谱的事实不能核式结构理论解释、必须建立新的原子模型，这为学生产生进一步深入学习的思想基础，因此，本节教学除让学生通过光谱来认识原子结构之外，也是起取承上启下的作用。

三．教学重点和难点

重点：氢原子光谱的实验规律

难点：经典理论的困难

四．教学目标设计

知识与技能：了解光谱的定义和分类；解氢原子光谱的实验规律，知道巴耳末系；了解经典原子理论的困难。

过程与方法：学习运用光普分析的方法来进行原子结构与原子运动的分析。展现连续谱线、线状谱线让学生掌握光谱分析研究的原理。

情感、态度与价值观：在学习一种方法的同时，认识到人们在认识客观事物的过程中，不断形成探索自然的一些新方法，理解科学方法对进行科学探索的作用，并理解探究自然奥秘是一项永远止境的认识活动。

五．教学过程设计

1．问题呈现：

卢瑟福所提出的原子核式结构是什么？

电子在原子绕周围怎样运动？它的能量怎样变化？

对于第二个问题学生可能无法回答，教师告诉学生可以通过其他事实才能认识。介绍一种通过“光谱”的方式来认识原子内部电子的运动状态。

2．光谱

实验：牛顿三棱镜色散

介绍光谱的概念：用光栅或棱镜把光按波长展开，获得光的波长（频率）成分和强度分布的记录。

【光谱的分类】

（1）发射光谱

物体发光直接产生的光谱。

〖连续光谱〗

实验并让学生观察连续光谱：

现象：由连续分布的一切波长的光组成。

特点：整个光谱区域都是亮的。

产生：炽热的固体、液体及高压气体的光谱。

案例：白炽灯丝发出的光、烛焰、炽热的钢水

〖线状光谱〗

实验并让学观察线状光谱：

现象：光谱中有一条条的亮线，这些亮线叫做谱线，由一条条谱线组成的光谱叫做线状光谱。

特点：各条谱线对应不同波长（频率）的光，原子不同，发射的明线光谱也不同，每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光。

产生：稀薄气体或金属的蒸汽的发射光谱。

案例：由游离状态的原子发射的。

（2）吸收光谱

有条件的学校可以做一下钠蒸气吸收光谱实验，若条件不具备可以通过视频、动画演示之类的进行。

观察钠蒸气吸引光谱。

学生观察太阳光吸收光谱。

现象：高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光）通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。

特点：各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的发射光谱中的一条明线（线状光谱）相对应。这表明，低温气体原子吸收的光，恰好就是这种原子在高温时发出的光。

至此帮助学生归纳总结不同类型的光谱的特点及其形成原因。

【光谱分析】

由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定的化学组成。这种方法叫做光谱分析。

原子光谱的不连续性反映出原子结构的不连续性，所以光谱分析也可以用于探索原子的结构。

案例：利用太阳光的吸收光谱可以研究太阳高层大气层所含元素。

3．氢原子光谱实验规律

概述：许多情况下光是由原子内部电子运动产生的，所以可以根据光谱来探索原子结构（方法性策略）。

利用氢原子光谱分析氢原子的结构。

呈现氢气放电管获得的氢原子光谱。

1885年，巴耳末对当时已知的，在可见光区的14条谱线进行了分析，发现这些谱线的波长可以用一公式来表示：

1=R(11－)，其中n = 3、4、5、…

（里德伯常量：

R = 1.10×107 m1）

222n

4．经典理论的困难

按经典理论电子绕核旋转，作加速运动，电子将不断向四周辐射电磁波，它的能量不断减小，从而将逐渐靠近原子核，最后落入原子核中。

轨道及转动频率不断变化，辐射电磁波频率也是连续的，

原子光谱应是连续的光谱。而实验表明原子相当稳定。

说明：教学过程中，要抓住运用光谱分析的方式来认识原子结构这一主导思想，这是人们分析与研究原子的一种思想方法，这种方法不同以往学生的学习方法，同时还需要注意的是，初步引入量子观念：波长是分立的，为学生的进步学习提供思想基础。