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第31講 從原子到星系
31.1 學(xué)習(xí)提要
31.1.1 原子
1.原子論
古希臘哲學(xué)家德謨克利特提出了最早的原子論，他認(rèn)為物質(zhì)是不連續(xù)的，分到最后是一些 不可再分的微粒，他把這沖構(gòu)成物質(zhì)的微粒稱(chēng)為原子。
2.原子模型的提出和建立
（1）湯姆生的“葡萄干蛋糕模型”：如圖31-（a）所示，湯姆生設(shè)想原子中必定有等量的 正電荷存在,而正電荷像液{本一樣均勾分布在原子里，電子則“浸”在其中。這一模型被人們稱(chēng) 為“葡萄干蛋糕模型”。

（a） （b） （c）
圖31-1
（2）盧瑟福的“行星模型”：如圖31-1(b)所示，湯姆生的學(xué)生英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福設(shè)想電子像行星環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)一樣在核外繞核旋轉(zhuǎn)，這一模型被稱(chēng)為“行星模型”。
（3）玻爾的原子模型(“電子云模型”)：如圖31-1(c)所示,原子中的電子以極高的速度在極小的原子核外空間運(yùn)動(dòng)，它們的運(yùn)動(dòng)狀況只能用電子在核外空間單位體積中出現(xiàn)機(jī)會(huì)的 多少來(lái)描述，電子在某些區(qū)域出現(xiàn)的機(jī)會(huì)較多，原子中的電子不像行星環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)那樣有 固定的軌道，而是形成“電子云”。
2000多年來(lái)科學(xué)家在不斷探尋組成物質(zhì)的最基本的單元。20世紀(jì)下半葉，除了電子、 質(zhì)子、中子外，物理學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了一批基本粒子。基本粒子并不“基本目前已證實(shí)了組成某 些基本粒子的最小單元--------夸克的存在。
人類(lèi)對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)還在不斷深化，科學(xué)的新發(fā)現(xiàn)一個(gè)個(gè)涌現(xiàn)。原子王國(guó)的秘密一個(gè)個(gè)被揭開(kāi)，為徹底打開(kāi)原子的秘密，科學(xué)家仍在不斷努力。
31.1.2 地球和太陽(yáng)系
1.地球
如圖31- 2(a)所示,地球是一個(gè)懸在黑色天幕中、直徑約為12 800 km的美麗的蔚藍(lán)色球 體，藍(lán)色是太陽(yáng)光照在地球大氣層上的緣故，大氣層中漂浮著由水蒸氣組成的白色卷云。

（a） （b） （c）
圖31-2
科學(xué)研究知道：地球在一個(gè)橢圓形軌道上圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，同日寸又繞地軸自轉(zhuǎn)。地球的運(yùn) 動(dòng)在不斷變化，而且極不穩(wěn)定。除了地球的自轉(zhuǎn)外，地球的公轉(zhuǎn)也不是勻速運(yùn)動(dòng)。
2.月球
如圖31 - 2(b)所示，月球是地球唯一的天然衛(wèi)星，是離地球最近的天體，它在距地球38 萬(wàn)千米處繞著他球運(yùn)轉(zhuǎn)。它本身并不發(fā)光，只反射太陽(yáng)光。月球表面沒(méi)有大氣，白晝的溫度高達(dá)120°C夜晚溫度低至-150°C，它的干燥無(wú)水、多塵的表面布滿(mǎn)了環(huán)形山。月面上到處是裸露的巖石和環(huán)形山的側(cè)影，整個(gè)月面覆蓋著一層碎石粒和浮土。從地球上看到的月球表面有明亮的區(qū)域和暗灰色部分，明亮的部分是月亮表面的山區(qū)和高地,暗灰色部分是月球表面的平原。地球和月球都已誕生了約46億年。
3.太陽(yáng)
太陽(yáng)是一個(gè)極其巨大的、灼熱的氣體球，它是離地球最近的一顆恒星。太陽(yáng)為地球提供了源源不斷的能量，使人類(lèi)和其他生物得以在地球上生存繁衍，構(gòu)成了鳥(niǎo)語(yǔ)花香、生機(jī)勃勃的世界。
4.太陽(yáng)系
天文學(xué)家們把以太陽(yáng)為中心的天體系統(tǒng)稱(chēng)為太陽(yáng)系，_即我們?nèi)祟?lèi)所在的行星系，如 圖31-2(c)所示。
31.1.3 能量的轉(zhuǎn)化和守恒
自然界能的形式是多種多樣的，有機(jī)械能、內(nèi)能、電能、原子核能、化學(xué)能、地?zé)崮堋L(fēng)能、太陽(yáng)能……各種形式的能在一定的條件下都可以相互轉(zhuǎn)化。
能量既不能創(chuàng)造，也不會(huì)消滅。它只能從一種形式轉(zhuǎn)化成另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，能的總量是守恒的。這是自然界最普遍最重要的規(guī)律——能量守恒定律。
凡是能提供能量的物質(zhì)資源，都可稱(chēng)為能源。
31.2難點(diǎn)釋疑
31.2.1 太陽(yáng)系里的“家庭成員”
概括地說(shuō)，太陽(yáng)系是由太陽(yáng)、八大行星、衛(wèi)星、小行星、彗星及行星際物質(zhì)構(gòu)成的天體系統(tǒng)。八大行星圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，由太陽(yáng)往外的順序分別是：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海五星。離太陽(yáng)較近的水星、金星、地球及火星稱(chēng)為類(lèi)地行星，它們的共同特征是密度大、 體積小、自轉(zhuǎn)慢、衛(wèi)星少，內(nèi)部成分主要為硅酸鹽,具宥固體外殼。離太陽(yáng)較遠(yuǎn)的木星、土星、天王星、海王星稱(chēng)為類(lèi)木行星(又稱(chēng)遠(yuǎn)日行星），它們都有很厚的大氣圈，其表面特征很難了解，一般推斷它們都具有與類(lèi)?ài)行窍嗨频墓腆w內(nèi)核。在這八顆行星外，還存在大量氣體、塵埃等物質(zhì)。若以彗星的活動(dòng)范圍來(lái)計(jì)算，太陽(yáng)系的半徑可達(dá)14光年。
31.2.2 一次能源和二次能源
能源可以分成一次能源和二次能源。一次能源指自然界中以天然形式存在的能量資源， 如太陽(yáng)能、化石燃料(煤、石油、天然氣）、水能、風(fēng)能、海洋能、地?zé)崮堋⒑四堋⒊毕艿取６文茉粗赣梢淮文茉粗苯踊蜷g接轉(zhuǎn)化而來(lái)的能源，如電能、氫氣、酒精、火藥等。
能源又可以分為不可再生能源和可再生能源。像化石能源、核能等會(huì)越用越少，不可能在短期內(nèi)從自然界得到補(bǔ)充，所以它們屬于不可再生能源，而水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物能，可以在自然界里源源不斷地得到，所以它們屬于可再生能源。

31.3 例題解析
31.3.1 原子模型的提出和建立
例1 依據(jù)盧瑟福的原子行星模型理論，在原子中繞核高速旋轉(zhuǎn)的是（ ）
A、核子 B、電子 C、質(zhì)子 D、中子
【點(diǎn)撥】根據(jù)原子的核式結(jié)構(gòu)理論判斷:原子是由原子核和核外電子組成。盧瑟福在實(shí) 驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)原子中全部正電荷和絕大部分質(zhì)量都集中在原子內(nèi)一個(gè)極小的空間區(qū)域，稱(chēng)為原子 核。他設(shè)想電子像行星環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)一樣在核外繞核旋轉(zhuǎn).所以提出了“行星模型”。
【答案】B
【反思】原子是由原子核和核外繞核高速旋轉(zhuǎn)的帶負(fù)電的電子組成，原子核是由帶正電 的質(zhì)子和不帶電的中子組成，原子核帶電的數(shù)量與核外電子帶電的總數(shù)量是相等的。所以原 子不帶電。
31.3.2 關(guān)于太陽(yáng)系
例2 表31-1是太陽(yáng)系中八大行星的部分?jǐn)?shù)據(jù)。由表31-1中的數(shù)據(jù)可以看出，太陽(yáng)系中被稱(chēng)為類(lèi)地行星的四顆星，離日距離由遠(yuǎn)及近的排列是 （ ）
表31-1
水星 金星 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星
直徑約（km） 5000 12000 12750 7000 140000 120000 52000 5000
與太陽(yáng)平均距離約（106km） 60 108 150 230 780 1400 2900 4500

A、水星，金星，地球，火星 B、火星，地球，金星，水星
C、地球，火星，金星，水星 D、金星，水星，地球，火星
【點(diǎn)撥】了解太陽(yáng)系八大行星的分類(lèi)，哪些行星為“類(lèi)地行星”，哪些行星為“巨行星”，哪 些行星為“遠(yuǎn)日行星”。太陽(yáng)系八大行星可分成三類(lèi)：類(lèi)地行星四顆(水星、金星、地球和火星）；巨行星兩顆(木星、土星）；遠(yuǎn)日行星兩顆(天王星、海王星）。從表31-1中的數(shù)據(jù)可以看出，四顆類(lèi)地行星離日距離由遠(yuǎn)及近的排列是：火星、地球、金星和水星。
【答案】B。
【反思】冥王星為什么不再被視為行星，而將其列人“矮行星”，行星指的是圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)、呈圓球狀、能夠清除其軌道附近其他物體的天體。冥王星由于不符合新的行星定義，因此 被降級(jí)為“矮行星”。
例3 請(qǐng)認(rèn)真閱讀表31-2的關(guān)于八大行星運(yùn)動(dòng)特征和結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)表中的資料，寫(xiě)出你所發(fā)現(xiàn)的一條規(guī)律，并再提出一個(gè)問(wèn)題。
表31-2
赤道半徑（km） 與太陽(yáng)間平均距離約（106km） 平均溫度約（℃） 繞日周期約（年） 自轉(zhuǎn)周
期約 表面狀況 大氣（主要成分）
水星 2440 60 -170~430 0.24 58.6天 環(huán)形坑、巖土 沒(méi)有空氣
金星 6050 108 480 0.62 243天 巖土、云 二氧化碳
地球 6378 150 22 1 23小時(shí)56分 巖土、云、水 氮、氧
火星 3395 230 -23 1.88 24.6小時(shí) 環(huán)形坑、巖土 二氧化碳、氪、氬
木星 71400 780 -150 11.86 9.9小時(shí) 氣態(tài) 氫、氦、甲烷、氨
土星 60000 1400 -180 29.5 10.4小時(shí) 氣態(tài) 氫、氦、甲烷、氨
天王星 25900 2900 -210 84 10.4小時(shí) 氣態(tài) 氫、氦、氨
海王星 24750 4500 -220 164.9 16小時(shí) 氣態(tài) 氫、氦、氨

(1) 你發(fā)現(xiàn)的規(guī)律是 。
(2) 你提出的問(wèn)題是 。
【點(diǎn)撥】要仔細(xì)閱讀表31-2中提供的數(shù)據(jù)及信息，對(duì)提供的數(shù)據(jù)、信息進(jìn)行歸納總結(jié)并找出規(guī)律。太陽(yáng)系中的太陽(yáng)是恒星，在它內(nèi)部時(shí)時(shí)刻刻發(fā)生氫核聚變，產(chǎn)生巨大的能量,太陽(yáng)能是地球上最基本、最重要的能量來(lái)源。要找到表31-3中數(shù)據(jù)存在的規(guī)律，一定要仔細(xì)分析，找到數(shù)據(jù)中反映八大行星的共性問(wèn)題。
【答案】（1）①行星離太陽(yáng)越遠(yuǎn)（近），繞日周期越長(zhǎng)（短），表面溫度越低（高）；②體積較小的五顆行星表面狀態(tài)是巖土，體積較大的四顆行星表面狀態(tài)是氣態(tài)；③木星自轉(zhuǎn)最快，金星自轉(zhuǎn)最慢，金星的“年”比“日”短；④水星表面溫差較大，所以要標(biāo)兩個(gè)表面溫度。（2）問(wèn)題：①冥王星為什么被“開(kāi)除”出行星的行列？②為什么行星離太陽(yáng)越遠(yuǎn)，繞日周期越長(zhǎng)? ③類(lèi)地行星表面狀況與巨行星、遠(yuǎn)日行星有什么不同？④為什么水星表面溫差較大？
【反思】對(duì)提供的數(shù)據(jù)、信息能夠進(jìn)行歸納總結(jié)、找出規(guī)律并提出問(wèn)題，能夠進(jìn)一步提高思維能力。
31.3.3合理利用與節(jié)約能源
例4 關(guān)于能源的利用和節(jié)能，下面說(shuō)法中正確的是（ ）
A、節(jié)約能源只要提高節(jié)能意識(shí)就行，與科技進(jìn)步無(wú)關(guān)
B、由于能量既不會(huì)消滅，也不會(huì)創(chuàng)生，所以節(jié)約能源的意義不大
C、根據(jù)能量守恒定律，能源的利用率應(yīng)該是100%
D、在能源的利用中，總會(huì)有一部分能源未被利用而損失了
【點(diǎn)撥】了解“綠色能源”的開(kāi)發(fā)離不開(kāi)科技發(fā)展，以及節(jié)約能源的偉大意義；了解能的轉(zhuǎn) 換和能量守恒定律。節(jié)約能源離不開(kāi)科技的進(jìn)步，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；自然界中能量是守恒的，但能為人類(lèi)提供能量的物質(zhì)資源是有限的，且能源利用率不高，故應(yīng)節(jié)約能源，選項(xiàng)B、C錯(cuò)誤。
【答案】D。
【反思】長(zhǎng)期和大規(guī)模的開(kāi)采和使用化石燃料會(huì)面臨資源枯竭，而且大量使用化石燃料會(huì)破壞壞境和生態(tài)。我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中煤炭占66%，比例偏大，是環(huán)境污染的主要根源。我國(guó)能源平均利用效率為32%，比發(fā)達(dá)國(guó)家低近10%，主要產(chǎn)品單位能耗比世界平均水平高30%。所以降低能耗和污染，加速新能源和可再生能源的開(kāi)發(fā)利用是我國(guó)當(dāng)前急需解決的問(wèn)題。
31.4 強(qiáng)化訓(xùn)練
A卷
1、19世紀(jì)末,英國(guó)物理學(xué)家湯姆生在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的基本粒子是 ，它的發(fā)現(xiàn)打破了原子不可再分的觀念。

2、大量物質(zhì)是由分子構(gòu)成，分子又是由原子組成，原子是由帶正電的原子核和帶負(fù)電的 組成，而原子核又是由帶正電的 和不帶電的 組成。

3、大部分原子的直徑約為10 -10 m，相當(dāng)于 nm。

4、釋放核能的兩種方式是 和 。

5、太陽(yáng)系中的小天體一般指的是 和 。

6、最常用的人造衛(wèi)星有 、 、 這幾種。

7、兩種常用的衛(wèi)星軌道是 和 。

8、世界上第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射升空時(shí)間是 年。

9、說(shuō)出下列裝置能量的轉(zhuǎn)化：（1）電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化成 能；（2）電熱毯將電能轉(zhuǎn)化成
能；（3）蓄電池將電能轉(zhuǎn)化成 能。

10、在理想狀態(tài)下，有一只乒乓球從某一高度自由落下地面，然后彈回原高度，在下落過(guò)程中是
能轉(zhuǎn)化成 能；與地面接觸之后乒兵球要發(fā)生形變，這一過(guò)程是能轉(zhuǎn)化成
能；然后乒乓球開(kāi)始恢復(fù)原狀，這一過(guò)程又是 能轉(zhuǎn)化成 能；最后上升過(guò)程中是 能轉(zhuǎn)化成 能。

11、古代和近代的哲學(xué)家、科學(xué)家和思想家中，認(rèn)為物質(zhì)是無(wú)限可分的是 （ ）
A、德謨克利特(希臘） B、莊子（中國(guó)）
C、湯姆生（英國(guó)） D、道爾頓(英國(guó)）

12、依據(jù)盧瑟福的原子“行星模型”理論，在原子中不帶電的是 （ ）
A、中子 B、質(zhì)子 C、電子 D、原子核
13、按人類(lèi)發(fā)現(xiàn)原子結(jié)構(gòu)的歷史順序，對(duì)圖31-3中四種原子模型進(jìn)行排序，正確的是（ ）

（a）不可再分的顆粒 （b）“葡萄干蛋糕模型” （c）“電子云模型” （d）“行星模型”
A、（a）（b）（c）（d） B、（c）（d）（b）（a） C、（a）（b）（d）（c） D、（c）（b）（a）（d）

14、在下列各星球中，屬于衛(wèi)星的是 （ ）
A、地球 B、月球 C、水星 D、太陽(yáng)

15、依據(jù)盧瑟福原子“行星模型”理論，在原子中繞核髙速旋轉(zhuǎn)的是 （ ）
A、核子 B、電子 C、質(zhì)子 D、中子

16、關(guān)于原子核，以下敘述正確的是 （ ）
A、原子核位于原子的中央，帶負(fù)電 B、原子核外的電子帶負(fù)電，并固定在某一位置
C、原子核帶正電，電子帶負(fù)電 D、原子核內(nèi)帶正電的質(zhì)子和帶負(fù)電的中子

17、關(guān)于原子，下列說(shuō)法不正確的是 （ ）
A、原子是由原子核和帶負(fù)電的電子組成
B、原子核雖小，但卻幾乎集中了原子的全部質(zhì)量和所有正電荷
C、原子核是由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子組成
D、原子是由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子組成

18、太陽(yáng)釋放著大量的能量，這些能量來(lái)自 （ ）
A、太陽(yáng)內(nèi)部可燃性物質(zhì)的燃燒過(guò)程 B、太陽(yáng)內(nèi)部大規(guī)模的核裂變過(guò)程
C、太陽(yáng)內(nèi)部大規(guī)模的核聚變過(guò)程 D、太陽(yáng)內(nèi)部電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能過(guò)程

19、下列交通工具使用二次能源的是 （ ）
A、蒸汽機(jī)車(chē) B、帆船 C、電力機(jī)車(chē) D、太陽(yáng)能機(jī)車(chē)

20、19世紀(jì)末和20世紀(jì)初，有哪些科學(xué)家在人類(lèi)打開(kāi)原子結(jié)構(gòu)大門(mén)的科學(xué)研究中做出過(guò)杰出的貢獻(xiàn)？他們的具體貢獻(xiàn)是什么？