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1、第五章从粒子到宇宙 5.1 认识分子 1高山流水,动物植物,天上地下,这万千世界究竟是由什么构 成的?古希腊的哲学家德漠克里特猜想大块物体是由极小的叫原 子的物质粒子组成的。他认为这种很小的微粒是分割的 (填“可”或“不可”) 。 2春秋战国时期墨家在 经第六十二条说: “端,体之无序(厚) 而最前者也。”很明显,在墨家看来,端就是组成物质的最原始的 体积最小( “无厚” ) 的微粒( “最前者”) , 并且端没有内部间隙 ( “无 间” ) ,因而是不可分割的。把糖分割,开始的分割的糖会保持甜 的味道,但是不断地分割下去,糖的微粒会越来越小,直到把糖 分到没有甜味的时刻,那时的微小粒子就不是
2、糖了,因此保持糖 原来性质的最小微粒就是糖的“”。 31811 年意大利物理学家阿伏加德罗首先把自然界 中存 在的 能 保 持物 质不 变的 最 小 微粒 叫 做。 4物质一般是由构成的,但也有物质是直接 由构成的。 5分子很小,现有直径为10 -10 m的某分子,要将 个这种分子一个接一个排列才能达到一页纸的厚度(0.1mm ) 。 6阅读下文,回答问题: 原子结构的发现 图 5-1 19世纪发现了比分子更小的粒子原子后,就原子内部的结构 问题 科学家开展了一系列的探索。 1895年电子的发现,揭开了原子 结构的面纱,电子带负电而原子本 身是中性,说明其中一定还有带正 电的“东西”存在。据此
3、,科学家们对原子的结构进行了大胆的猜想, 提出了许多模型, 其中较为典型的是1898年汤姆逊提出的结构模型: 如图 5-2 所示,原子像个实心的球体,正电均匀分布在球体风,电子 像西瓜籽那样嵌在其中。 为了检验汤姆逊的猜想,卢瑟福建议盖革和 马斯登做一个 粒子的散射实验:用放射性元素 辐射出的高速 粒子去轰击金箔,观察粒子的 偏转情况。因 粒子质量很大,为电子的七千多倍,又是高速飞行, 如果汤姆逊模型成立, 大多数 粒子会沿直线通过, 其余的至多只发 生轻微偏转。但是,结果却令他们难以置信,大多数粒子确实没有 发生偏转,却有一些 粒子发生了大角度的偏转, 极少数甚至向后散 射,这显然与汤姆逊结
4、构模型的预期结果不相符。 于是,卢瑟福花了很长时间去研究,终于在1911 年提出了 他的核式结构模型:如图5-3 所示,原子中间有一个带正电的核,客 观存在 只有极小的体积,却集中了原子几乎全部的质量,电子在 图 5-2 图 5-3 核外较大空间 z 绕核高速旋转。 问题: 上文所述原子的结构的发现经历了一个曲折的历程,是一 个 典 型 的科 学 探 究 过程 , 经 历 了 五个环节,请你 将各个环节的探究内容(或依据、结果)分项简要列出,同时说出你 的感想。 5.2 解剖原子 11897年,美国科学家汤姆逊研究真空管 的阴极发出的射线,如图5-4 所示,发现这种 射线是从内部发出的一种带负
5、电 的微粒组成的,这种微粒叫做。 21911 年卢瑟福的实验,提示了原子的 结构。现在人们已经能发现大块金子是黄色的,10 nm的金颗粒是绿 色的,而 1 nm的金颗粒是红色的。 3现代高能物理学实验证实,组成物质的最小微粒是() A.电子 B.分子 C.原子 D.夸 克 4下列实验的发现对应正确的是() A 真空管的放电实验,发现了中子 B 真空管的放电实验,发现了原子核 C 粒子散射实验,建立了原子核式模型 图 5-4 D 粒子散射实验,发现了中子 5我们已经知道分子、原子很小,质子、中子当然更小。现有一 些微观世界的名词,病毒、原子、质子、夸克、分子、原子核。你能 将它们按尺度大小由大到
6、小排列吗? 6科学家们研究原子,发现了原子内部有带负电的 电子,却不显电性,整个原子十分稳定。于是提出了多 种原子结构的模型:卢瑟福模型、汤姆逊模型等。结合你的生活实践 你能提出一个怎样的模型?利用日常生活用品制作出你的设计模型, 和同学们相互展示、交流。 53 飞出地球 1从古至今,人们一直在观察着,探索着,构成建出自己心目中 想像的宇宙图景,如图 5-7 所示。 中国古人很早就依靠肉眼观察太空, 以此认识宇宙;古希腊天文学家托勒玫通过对宇宙的观察,提出了 “地 心说” :他认为地球位于宇宙的,月亮、水星、金星、太阳 及其他行星都绕着旋转,恒星都镶嵌在最外边的天球上。 图 5-5 图 5-6
7、 21534 年波兰 天文 学家 哥 白 尼通 过长 期的 观 察 和研 究,向影响人们长达 千年 的地 心 说 提出 了挑战,提出了中心说。 3是研究天体运动最基本的方法。意大利诗人卡里马赫曾 说,天文学家只有两样法宝: 和。 4 1687年 伟 大 的 英 国 科 学 家 牛 顿 发 现 了: 任何两个物体间都存在着一种相互吸引的力,太阳依靠它 对地球 和其他行星之间的巨大吸引力,使地球和各个行星乖乖地绕着它旋 转。 5发射宇宙飞船,如图 5-8 所示,地球上的物体必须要有很大的 速度,才能挣脱的束缚,实现飞出地球的愿望。这一 速度叫做第二宇宙速度,这应等于或大于 km/s。 6俗语说“月
8、有阴晴圆缺”,说明我们的祖先早已注意了月亮的 外形在 不断变化,你注意到了吗?请你设计表格,以简图的方式记录下三个 月内每天夜晚月亮的形状, 如遇天气等原因晚上无月时, 也应标明结 图 5-8 图 5-7 果和原因。然后分析你的记录,从中你能得出什么规律? 717 世纪中叶,牛顿在总结伽利略等人研究成果的基础上,建 立了物体运动三定律。 接着他开始了对天体运动的研究,并且首先选 中了月亮。牛顿认为根据惯性定律,月亮如果没有受到力的作用,它 就应当作匀速直线运动, 但事实上月球在绕地球旋转, 这说明地球对 它有力的作用。这个力与苹果从树上落下时受到的力是不是同一种 力?牛顿吸收前人研究成果, 大
9、胆地进行联想对比, 科学地假设论证, 终于证明天体运动与地面上物体运动遵守共同的力学原理,实现了天 地间力学的大综合,这是人类历史上的一个重大的飞跃。自此,你相 信牛顿是突然看见一个苹果从树上落下,于是,他就发现了万有引力 定律吗?你从这个故事中得到了哪些启示? 54 宇宙深处 1我们生活的地球,只是这个大家族的一 员,其中离太阳最远的是星。 2下列不是太阳系的行星星体的是() A.地球 B.月亮 C.水星 D.天王星 3在晴朗少云的夜晚,仰望天空,看到一条白茫茫的光带横卧在 天空中, 人们叫它,这是由 1300 亿颗恒星形成的巨星系。而太阳系 (填“是”或许“不是” )其中的一员。 图 5-
10、9 4距今约亿年前,太阳从一团尘埃气体云中逐渐诞生。地 球的年龄 约为 40 亿年,生命产生的年龄约为20 亿年,人类的年龄约为10 亿 年。人类对宇宙往往是“不识庐山真面目,只缘身在此山中”。宇宙 是(填“有”或“无”)限的,人们对它的认识在不断提高和扩 大。 5太空是一 个 充 满 魅 力 的世界,宇航 员 在 太 空 中 的 生 活 有 很 多奇趣。下面 这题有些难度,请通过查阅资料,试填充: (1)飘来飘去。物品和宇航员在太空舱内可以飘浮在任何位置。 这是由于。 (2)昼夜难分。 在 24 小时内宇航员发现日出日落可以交替多次。 这是由于。 (3)骨质疏松。在太空时间久了,宇航员骨骼会
11、脆化,因此宇航 员不能高兴时相互拥抱。这是由于。 (4)水珠球状。在太空中,水全是一粒粒小球状的水珠。这是由 于。 图 5-4 6在日常生活中,我们用cm 、m 、km等计算单位来表示一个物体 的长度,测量天体与我们的距离的时候,这些单位就太小了,所以在 天文学上,把地球绕太阳公转的轨道半径平均值作为一种长度单位, 称为天文单位( AU )我们把它称为量天的尺子。 1AU=1.496118km 。 光年比天文单位更长,用LY表示, 1LY=9.4610 12km 。你能 算算 1 光年( LY )等于多少天文单位( AU )吗? 单元测试 一、选择题 1 首先把自然界中存在的能保持物质性质不变
12、的最小微粒叫做分 子的人是() A.德漠克里特 B.汤姆逊 C.阿伏加德罗 D.卢 瑟福 2提出原子的核式结构模型的科学家是() A.牛顿 B.卢瑟福 C.查得威克 D. 阿伏加德罗 3关于分子直径的大小下列说法正确的是() A.约为0.1mm B.约为0.1um C.约为 0.1nm D.约为 0.1dm 4就目前所知道的自然界中最小的带电体是() A.电子 B.质子 C.中子 D.夸 克 5下列说法中正确的是() A.空气中细小的灰尘就是分子 B.大雾天,我们看到空气中许多极小的水珠就是一个个水分子 C.把一块铜块锉成极细的铜屑就是铜分子 D.由于分子非常小,人们无法直接用肉眼进行观察 6
13、将星系由大到小排列,正确的是() A.总星系、银河系、太阳系、地月系 B.太阳系、银河系、总星系、地月系 C.银河系、太阳系、总星系、地月系 D.太阳系、银河系、地月系、总星系 7有关“黑洞”,下列说法正确的是() A. “黑洞”是一些恒星在衰亡过程中发生爆炸后留下的产物 B. “黑洞”是一个密度极大的天体 C. “黑洞”它产生的引力能吸引附近的所有物质,连光都无法逃 脱 D. “黑洞”只是科幻小说中的一种物体,实际不存在 二、填空题 8猜想是和之间的一座桥梁, 是一 种重要的科学研究方法。科学探究经常需要猜想。 9大块金子是黄色的, 10 nm的金颗粒是绿色的, 而 1 nm的金颗粒是红色的
14、。 保持物质性质不变的最小 图 微粒叫做,比它更小的粒子称为。 10水分子如图 5-10 所示,是由一个氧和两个氢组 成的;二氧化碳分子是由一个碳原子和二个氧原子组成的。 111895 年电子的发现,揭开了原子结构的面纱,说明原子是 有复杂结构的。 电子带负电而原子本身是中性,说明其中一定还有带 电的“东西”存在。这个物质就是原子核。 12 万有引力的大小跟两个物体的和物体间的有 关。通常物体间的引力很小,我们觉察不到。天体间的引力大得惊 人。例如,太阳吸引地球的力如果作用在直径是9000km的钢柱上, 可以把它拉断! 13 地 球 上 的 物 体 必 须 有 很 大 的 速 度 , 才 能
15、挣 脱 地 球 的束缚,飞出地球。 2018 年 10 月 15 日,我国自行研制的“神州五 号”载人飞船洞穿太空,飞离地球环绕它飞行14 周后成功返回。它 绕地球飞行的速度大小为 km/s. 三、简答与作图 14学完了“解剖原子”一节后,请你用简图表达出你对原子的 结构的认识。 15你学完本章之后,接触到了一系列的名词:水滴、分子、电 子、原子、质子、夸克、月亮、地球、太阳、太阳系、银河系。你能 将它们按从小到大的顺序排列吗?试一试,看你要排多久? 16诺贝尔奖获得者、 华裔科学家丁肇中在谈到他的科学研究体 会时说: “20 世纪 70 年代,人们已经知道所有的基本粒子是由3 种 夸克组成的
16、。我的问题是,为什么只有3 种夸克?为了寻找新夸克, 我决定建造一个高灵敏度的探测器。当时所有的人都认为只有3 种夸 克,因为 3 种夸克可以解释所有的现象, 所以这个实验被费米国家实 验室和西欧核子中心拒绝了, 认为是不可能性。 1972 年到 1974 年间, 我们在布鲁克海文国家实验室用一个比较低能的加速器来做这个实 验,终于发现了一种新的夸克,这就表示,以前说只有3 种夸克的观 念是错的,有第四种夸克。有了第四种,就有第五种、第六种,把以 往的观念改变了。”上述科学发现过程在认识论上对我们如何发现和 发展真理有哪些启示? 四、计算与探究 17宇宙空间是十分广阔的,单是我们地球所在的银河
17、第,尺度 就有 1118LY 。已知宇宙中有10 万个银河系。试计算宇宙的 尺度有多大? 18按照范例完成下表 速度名称数值能力卫星运动 第一宇宙速 度 环绕地球匀速圆周运动 第二宇宙速 度 脱离速度11 2km/s 第三宇宙速 度 挣 脱 太阳 的 束缚 绕银河系中心 运动 19猜想是科学探究的第一步。阅读下面的短文: 流体的阻力 可以流动的气体或液体统称为流体。一般情况下, 物体在流体中运动 时往往会受到流体阻力的作用。例如:人们行走时感觉不到风,但如 果骑自行车时,运动的越快就会感觉到有很大的阻力作用。又如: 跳伞运动员在空中下落, 打开降落伞之后以及人迎风行走,撑开手中 的雨伞后都会感
18、觉到很大的阻力而减小流体阻力的方法,就是把 物体做成流线型。例如:高速运动的汽丰、火车以及轮船水下邵分的 形状都做成了流线型 阅读完短文后,请你回答: 流体的阻力大小与哪些因素有关?除此之外根据生活经验, 请你猜想一下流体的阻力还可能与什么因素有关? 除上面的例子外请你再举一个减小流体阻力的例子。 答案 51 认识分子 1不可 2。分子 3。性质,分子 4。分子,原子 5。118 6 提出问题猜想设计实验开展实验与收集证据分析得出结 论略 52 解剖原子 1原子,电子 2.粒子的散射,核式 3.D 4.C 5病毒、分子、原子、原子核、质子、夸克 53 飞出地球 1中心,地球 2。太阳 3。观察
19、,观察、数学 4. 万有引力定律 5 地球 11 2 6. 做这种观察首先要有耐心; 设计第日的记录内容要有日期、月亮形 状、备注(原因)三个栏目;每日的观察最好要在同一时刻进行;分 析时先要分析一个月的月亮外形的变化,再比较三个月的变化是否相 同,从而找出规律。 7略 54 宇宙深处 1太阳系,冥王星 2.B 3。银河系,是 4.50,无 5失重,卫星运行周期小于24小时,骨骼内的钙流失,失重和水的 张力 6 632118 单元测试 1C 2.B 3.C 4.B 5.D 6.A 7.ABC 8经 验素材,科学理论 9.分子,原子 10.原子,原子 11. 正 12质量,距离 13.万有引力 7.9 14略 15. 电子、夸克、质子、原子、分子、水滴、月亮、地球、太阳、太阳系、 银河系 16 实践是认识的来源和检验真理的标准。人们对真理的 认识是无止境的,要发扬创新精神,善于思考。4 种夸克取代了 3 种 夸克,还会有 5 种、6 种夸克。 1710 10 L Y18 速度名称数值能力卫星运动 第一宇宙速 度 环绕速度79 km/s 环绕地球匀速圆周运动 第二宇宙速 度 脱离速度11 2km/s 挣 脱 地球 的 束缚 绕太阳运动 第三宇宙速 度 逃逸速度167 km/s 挣 脱 太阳 的 束缚 绕银河系中心 运动 19略 精品推荐强力推荐值得拥有
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