2017-2018学年高中物理 第3章 原子世界探秘 3.1 电子的发现及其重大意义 3.2 原子模型的提出学案 沪科版选修3-5

31电子的发现及其重大意义32原子模型的提出学习目标 1.知道阴极射线的组成，电子是原子的组成部分.2.了解汤姆生发现电子的研究方法及蕴含的科学思想.3.了解粒子散射实验的实验器材、实验原理和实验现象.4.知道卢瑟福的原子核式结构模型的主要内容.5.知道原子和原子核大小的数量级，原子的组成及带电情况一、阴极射线电子的发现导学探究1.在图1所示的实验中，将阴极射线管的阴极和阳极接上高压电源后，用真空泵逐渐抽去管中的空气，会产生什么现象？当气压降得很低时，又有什么现象发生？图1答案接上高压电源后，管内会产生气体放电现象，当气压降得很低时，管内不再发光，但由阴极发射出的射线，能使荧光物质发光2人们对阴极射线的本质的认识有两种观点，一种观点认为是一种电磁波，另一种观点认为是带电微粒，你认为应如何判断哪种观点正确？答案可以让阴极射线通过电场(磁场)，若射线垂直于电场(磁场)方向射入之后发生了偏转，则该射线是由带电微粒组成的知识梳理1阴极射线的特点(1)在真空中沿直线传播；(2)碰到物体可使物体发出荧光2汤姆生对阴极射线本质的探究结论：汤姆生通过实验得出，阴极射线是一种带负电的质量很小的粒子，物理学中称为电子，电子是原子的组成部分即学即用判断下列说法的正误(1)阴极射线在真空中沿直线传播()(2)英国物理学家汤姆生认为阴极射线是一种电磁辐射()(3)组成阴极射线的粒子是电子()(4)电子是原子的组成部分，电子电荷量可以取任意数值()二、粒子散射实验导学探究如图2所示为1909年英籍物理学家卢瑟福指导他的学生盖革和马斯顿进行粒子散射实验的实验装置，阅读课本，回答以下问题：图21什么是粒子？答案粒子(He)是从放射性物质中发射出来的快速运动的粒子，实质是失去两个电子的氦原子核，带有两个单位的正电荷，质量为氢原子质量的4倍、电子质量的7 300倍2实验装置中各部件的作用是什么？实验过程是怎样的？答案粒子源：把放射性元素钋放在带小孔的铅盒中，放射出高能的粒子带荧光屏的放大镜：观察粒子打在荧光屏上发出的微弱闪光实验过程：粒子经过一条细通道，形成一束射线，打在很薄的金箔上，由于金原子中的带电粒子对粒子有库仑力的作用，一些粒子会改变原来的运动方向带有放大镜的荧光屏可以沿图中虚线转动，以统计向不同方向散射的粒子的数目3实验现象如何？答案绝大多数的粒子穿过金箔后沿原来的方向前进，少数粒子发生了大角度的偏转，有的粒子偏转角超过90，极少数粒子甚至被反弹回来4少数粒子发生大角度散射的原因是什么？答案粒子带正电，粒子受原子中带正电的部分的排斥力发生了大角度散射知识梳理1粒子散射实验装置由粒子源、金箔、带有荧光屏的放大镜等几部分组成，实验时从粒子源到荧光屏这段路程应处于真空中2实验现象(1)绝大多数的粒子穿过金箔后沿原来的方向前进；(2)少数粒子发生了大角度的偏转；(3)有的粒子偏转角超过90，有极少数粒子甚至被反弹回来3粒子散射实验的结果用汤姆生的“枣糕模型”无法解释即学即用判断下列说法的正误(1)粒子散射实验证明了汤姆生的原子模型是符合事实的()(2)粒子散射实验中大多数粒子发生了大角度偏转或反弹()(3)粒子大角度的偏转是电子造成的()(4)粒子带有两个单位的正电荷，质量为氢原子质量的2倍()三、原子的核式结构模型原子核的电荷与尺度导学探究1.原子中的原子核所带电荷量有何特点？答案原子核带正电，所带电荷量与核外电子所带的电荷量相等2核式结构模型是如何解释粒子散射实验结果的？答案由于原子核很小，大多数粒子穿过金箔时都离核很远，受到的斥力很小，它们的运动方向几乎不改变只有极少数粒子有机会与原子核接近，受到原子核较大的斥力而发生明显的偏转知识梳理1核式结构模型：1911年由卢瑟福提出在原子中心有一个很小的核，叫原子核它集中了原子的全部正电荷和几乎全部的质量，电子在核外空间绕核旋转2原子核的电荷与尺度即学即用判断下列说法的正误(1)卢瑟福的核式结构模型认为原子中带正电的部分体积很小，电子在正电体外面运动()(2)对于一般的原子，由于原子核很小，所以内部十分空旷()一、对阴极射线的认识例1(多选)下面对阴极射线的认识正确的是()A阴极射线是由阴极发出的粒子撞击玻璃管壁上的荧光粉而产生的B只要阴阳两极间加有电压，就会有阴极射线产生C阴极射线是真空玻璃管内由阴极发出的射线D阴阳两极间加有高压时，电场很强，阴极中的电子受到很强的库仑力作用而脱离阴极答案CD解析阴极射线是真空玻璃管内由阴极直接发出的射线，故A错误，C正确；只有当两极间有高压且阴极接电源负极时，阴极中的电子才会受到足够大的库仑力作用而脱离阴极成为阴极射线，故B错误，D正确二、带电粒子比荷的测定1利用磁偏转测量图3(1)让带电粒子通过相互垂直的电场和磁场(如图3)，让其做匀速直线运动，根据二力平衡，即F洛F电(BqvqE)，得到粒子的运动速度v.图4(2)撤去电场(如图4)，保留磁场，让粒子单纯地在磁场中运动，由洛伦兹力提供向心力，即Bqvm，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径r.(3)由以上两式确定粒子的比荷表达式：.2利用电偏转测量带电粒子在匀强电场中运动，偏转量yat2()2，故，所以在偏转电场中，U、d、L已知时，只需测量v和y即可例2在再现汤姆生测阴极射线比荷的实验中，采用了如图5所示的阴极射线管，从C出来的阴极射线经过A、B间的电场加速后，水平射入长度为L的D、G平行板间，接着在荧光屏F中心出现荧光斑若在D、G间加上方向向上、场强为E的匀强电场，阴极射线将向下偏转；如果再利用通电线圈在D、G电场区加上一垂直纸面的磁感应强度为B的匀强磁场(图中未画)，荧光斑恰好回到荧光屏中心，接着再去掉电场，阴极射线向上偏转，偏转角为，试解决下列问题：图5(1)说明阴极射线的电性(2)说明图中磁场沿什么方向(3)根据L、E、B和，求出阴极射线的比荷答案(1)负电(2)垂直纸面向外(3)解析(1)由于阴极射线在电场中向下偏转，因此阴极射线受电场力方向向下，又由于匀强电场方向向上，则电场力的方向与电场方向相反，所以阴极射线带负电(2)由于所加磁场使阴极射线受到向上的洛伦兹力，而与电场力平衡，由左手定则得磁场的方向垂直纸面向外(3)设此射线带电量为q，质量为m，当射线在D、G间做匀速直线运动时，有qEBqv.当射线在D、G间的磁场中偏转时，有Bqv.同时又有Lrsin ，如图所示，解得.针对训练1如图6所示，电子以初速度v0从O点进入长为l、板间距离为d、电势差为U的平行板电容器中，出电场时打在屏上P点，经测量OP距离为Y0，求电子的比荷图6答案解析由于电子在电场中做类平抛运动，沿电场力方向做初速度为零的匀加速直线运动，满足Y0at2()2，则.解决带电粒子在电场中运动的三个步骤(1)确定研究对象，并根据题意判断是否可以忽略带电粒子的重力(2)对研究对象进行受力分析，必要时要画出力的示意图；分析判断粒子的运动性质和过程，画出运动轨迹示意图(3)选用恰当的物理规律列方程求解三、对粒子散射实验的理解例3如图7所示为卢瑟福粒子散射实验装置的示意图，图中的显微镜可在圆周轨道上转动，通过显微镜前相连的荧光屏可观察粒子在各个角度的散射情况下列说法中正确的是()图7A在图中的A、B两位置分别进行观察，相同时间内观察到屏上的闪光次数一样多B在图中的B位置进行观察，屏上观察不到任何闪光C卢瑟福选用不同金属箔片作为粒子散射的靶，观察到的实验结果基本相似D粒子发生散射的主要原因是粒子撞击到金箔原子后产生的反弹答案C解析粒子散射实验现象：绝大多数粒子沿原方向前进，少数粒子有大角度散射所以A处观察到的粒子数多，B处观察到的粒子数少，所以选项A、B错误粒子发生散射的主要原因是受到原子核库仑斥力的作用，所以选项D错误，C正确针对训练2卢瑟福利用粒子轰击金箔的实验研究原子结构，正确反映实验结果的示意图是()答案D解析粒子轰击金箔后偏转，越靠近金原子核，偏转的角度越大，所以A、B、C错误，D正确解决这类问题的关键是理解并熟记以下两点：(1)明确实验装置中各部分的组成及作用(2)弄清实验现象，知道“绝大多数”、“少数”和“极少数”粒子的运动情况及原因四、原子的核式结构分析1原子内的电荷关系：原子核的电荷数与核外的电子数相等，非常接近原子序数2原子的核式结构模型对粒子散射实验结果的解释：(1)当粒子穿过原子时，如果离核较远，受到原子核的斥力很小，粒子就像穿过“一片空地”一样，无遮无挡，运动方向改变很小因为原子核很小，所以绝大多数粒子不发生偏转(2)只有当粒子十分接近原子核穿过时，才受到很大的库仑力作用，发生大角度偏转，而这种机会很少，所以有少数粒子发生了大角度偏转(3)如果粒子正对着原子核射来，偏转角几乎达到180，这种机会极少，如图8所示，所以极少数粒子的偏转角度甚至大于90.图8例4(多选)下列对原子结构的认识中，正确的是()A原子中绝大部分是空的，原子核很小B电子在核外运动，库仑力提供向心力C原子的全部正电荷都集中在原子核里D原子核的直径大约为1010 m答案ABC解析卢瑟福粒子散射实验的结果否定了关于原子结构的汤姆孙模型，提出了关于原子的核式结构学说，并估算出原子核直径的数量级为1015 m，原子直径的数量级为1010 m，原子直径是原子核直径的十万倍，所以原子内部是十分“空旷”的，核外带负电的电子由于受到带正电的原子核的吸引而绕核旋转，所以A、B、C正确，D错误1(多选)英国物理学家汤姆生通过对阴极射线的实验研究发现()A阴极射线在电场中偏向正极板一侧B阴极射线在磁场中受力情况跟正电荷受力情况相同C不同材料所产生的阴极射线的比荷不同D汤姆生并未精确得出阴极射线粒子的电荷量答案AD解析阴极射线实质上就是高速电子流，所以在电场中偏向正极板一侧，A正确由于电子带负电，所以其在磁场中受力情况与正电荷不同，B错误不同材料所产生的阴极射线都是电子流，所以它们的比荷是相同的，C错误最早精确测出电子电荷量的是美国物理学家密立根，D正确2(多选)关于粒子散射实验，下列说法正确的是()A在实验中，观察到的现象是：绝大多数粒子穿过金箔后，仍沿原来的方向前进，极少数发生了较大角度的偏转B使粒子发生明显偏转的力来自带正电的核和核外电子，当粒子接近核时，是核的斥力使粒子发生明显偏转；当粒子接近电子时，是电子的吸引力使之发生明显偏转C实验表明：原子中心有一个极小的核，它占有原子体积极小的一部分D实验表明：原子中心的核带有原子的全部正电荷和原子的全部质量答案AC3X表示金原子核，粒子射向金核被散射，若它们入射时的动能相同，其偏转轨道可能是下图中的()答案D解析粒子离金核越远其所受斥力越小，轨道弯曲程度就越小，故选项D正确4(多选)卢瑟福原子核式结构理论的主要内容有()A原子的中心有个核，叫原子核B原子的正电荷均匀分布在整个原子中C原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里D带负电的电子在核外绕着核旋转答案ACD一、选择题(16题为单选题，78题为多选题)1关于阴极射线的本质，下列说法正确的是()A阴极射线本质是氢原子B阴极射线本质是电磁波C阴极射线本质是电子D阴极射线本质是X射线答案C2卢瑟福提出原子的核式结构模型的依据是用粒子轰击金箔，实验中发现粒子()A全部穿过或发生很小偏转B绝大多数穿过，只有少数发生较大偏转，有的甚至被弹回C绝大多数发生很大偏转，甚至被弹回，只有少数穿过D全部发生很大偏转答案B3粒子散射实验中，使粒子散射的原因是()A粒子与原子核外电子碰撞B粒子与原子核发生接触碰撞C粒子发生明显衍射D粒子与原子核的库仑斥力的作用答案D解析粒子与原子核外的电子的作用是很微弱的，A错误粒子与原子核很近时，库仑斥力很强，足以使粒子发生大角度偏转甚至反向弹回，使粒子散射的原因是库仑斥力的作用，B、C错误，D正确4.图1在卢瑟福的粒子散射实验中，某一粒子经过某一原子核附近时的轨迹如图1所示，图中P、Q两点为轨迹上的点，虚线是过P、Q两点并与轨道相切的直线两虚线和轨迹将平面分成四个区域，不考虑其他原子核对粒子的作用，那么关于该原子核的位置，下列说法正确的是()A可能在区域B可能在区域C可能在区域D可能在区域答案A解析因为粒子与此原子核之间存在着斥力，如果原子核在、或区，粒子均应向区偏折，所以不可能5如图2所示是阴极射线管示意图，接通电源后，阴极射线由阴极沿x轴正方向射出，在荧光屏上会看到一条亮线要使荧光屏上的亮线向下(z轴负方向)偏转，在下列措施中可采用的是()图2A加一磁场，磁场方向沿z轴负方向B加一磁场，磁场方向沿y轴正方向C加一电场，电场方向沿z轴负方向D加一电场，电场方向沿y轴正方向答案B图36如图3所示，根据粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型图中虚线表示原子核所形成的电场的等势线，实线表示一个粒子的运动轨迹在粒子从a运动到b再运动到c的过程中，下列说法中正确的是()A动能先增大后减小B电势能先减小后增大C电场力先做负功后做正功，总功等于零D加速度先减小后增大答案C解析粒子及原子核均带正电，故粒子受到原子核的斥力，粒子从a运动到b，电场力做负功，动能减小，电势能增大，从b运动到c，电场力做正功，动能增大，电势能减小，a、c在同一条等势线上，a、c两点的电势差为零，则粒子从a到c的过程中电场力做的总功等于零，A、B错误，C正确；粒子所受的库仑力F，b点离原子核最近，所以粒子在b点时所受的库仑力最大，加速度最大，故加速度先增大后减小，D错误7下列说法中正确的是()A汤姆孙精确地测出了电子电荷量e1.602 177 33(49)1019 CB电子电荷量的精确值是密立根通过“油滴实验”测出的C汤姆孙油滴实验更重要的发现是：电荷是量子化的，即任何电荷量只能是e的整数倍D通过实验测出电子的比荷和电子电荷量e的值，就可以确定电子的质量答案BD解析电子电荷量的精确值是密立根通过“油滴实验”测出的，电荷是量子化的也是密立根发现的，A、C错误，B正确；测出电子比荷的值和电子电荷量e的值，可以确定电子的质量，故D正确8如图4所示是阴极射线显像管及其偏转线圈的示意图，显像管中有一个阴极，工作时它能发射阴极射线，荧光屏被阴极射线轰击就能发光安装在管颈的偏转线圈产生偏转磁场，可以使阴极射线发生偏转下列说法中正确的是()图4A如果偏转线圈中没有电流，则阴极射线应该打在荧光屏正中的O点B如果要使阴极射线在竖直方向偏离中心，打在荧光屏上的A点，则偏转磁场的磁感应强度的方向应该垂直纸面向里C如果要使阴极射线在竖直方向偏离中心，打在荧光屏上的B点，则偏转磁场的磁感应强度的方向应该垂直纸面向里D如果要使阴极射线在荧光屏上的位置由B点向A点移动，则偏转磁场的磁感应强度应该先由小到大，再由大到小答案AC解析偏转线圈中没有电流，阴极射线沿直线运动，打在O点，A正确由阴极射线的电性及左手定则可知B错误，C正确由R可知，B越小，R越大，故磁感应强度应先由大变小，再由小变大，故D错误二、非选择题9假设粒子以速率v0与静止的电子或金原子核发生弹性正碰，粒子的质量为m，电子的质量mem，金原子核的质量mAu49m.求：(1)粒子与电子碰撞后的速度变化；(2)粒子与金原子核碰撞后的速度变化答案(1)2.7104v0(2)1.96v0解析粒子与静止的粒子发生弹性碰撞，系统的动量和能量均守恒，由动量守恒定律有mv0mv1mv2由能量守恒定律有mvmv12mv22解得v1v0速度变化vv1v0v0(1)若粒子与电子碰撞，将mem代入，得v12.7104v0(2)若粒子与金原子核碰撞，将mAu49m代入，得v21.96v0.10电子的比荷最早由美国科学家密立根通过油滴实验测出，如图5所示，两块水平放置的平行金属板上、下极板与电源正负极相接，上、下极板分别带正、负电荷，油滴从喷雾器喷出后，由于摩擦而带负电，油滴进入上极板中央小孔后落到匀强电场中，通过显微镜可以观察到油滴的运动，两金属板间距为d，不计空气阻力和浮力图5(1)调节两板的电势差u，当uU0时，使得某个质量为m1的油滴恰好做匀速直线运动，求油滴所带的电荷量q为多少？(2)若油滴进入电场时的速度可以忽略，当两金属板间的电势差uU时，观察到某个质量为m2的油滴进入电场后做匀加速运动，经过时间t运动到下极板，求此油滴的电荷量Q.答案(1)(2)(g)解析(1)油滴匀速下落过程受到的电场力和重力平衡，由平衡条件得：qm1g，得qm1g.(2)油滴加速下落，其所带电荷量为Q，因油滴带负电，则油滴所受的电场力方向向上，设此时的加速度大小为a，由牛顿第二定律和运动学公式得：m2gQm2a，dat2，解得Q(g)12