（浙江專(zhuān)版）2018年高中物理 第十八章 原子結(jié)構(gòu) 第1節(jié) 電子的發(fā)現(xiàn)學(xué)案 新人教版選修3-5

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1、 第1節(jié) 電子的發(fā)現(xiàn) [目標(biāo)早知道] 浙江選考·學(xué)習(xí)要求 知識(shí)內(nèi)容 考試要求 1.電子的發(fā)現(xiàn) 加試a 2.原子的核式結(jié)構(gòu)模型 加試b 3.氫原子光譜 加試b 4.玻爾的原子模型 加試c 陰極射線 [探新知·基礎(chǔ)練] 1．演示實(shí)驗(yàn) 如圖所示，真空玻璃管中K是金屬板制成的陰極，接感應(yīng)圈的負(fù)極，A是金屬環(huán)制成的陽(yáng)極，接感應(yīng)圈的正極，接電源后，線圈會(huì)產(chǎn)生近萬(wàn)伏的高電壓加在兩極間。可觀察到玻璃壁上淡淡的熒光及管中物體在玻璃壁上的影子。 2．陰極射線 熒光的實(shí)質(zhì)是由于玻璃受到陰極發(fā)出的某種射線的撞擊而引起的，這種射線被命名為陰極射線。 [辨是非](對(duì)

2、的劃“√”，錯(cuò)的劃“×”) 1．陰極射線就是電子流。(√) 2．湯姆孫通過(guò)對(duì)陰極射線的研究發(fā)現(xiàn)了電子。(√) [釋疑難·對(duì)點(diǎn)練] 1．對(duì)陰極射線本質(zhì)的認(rèn)識(shí)——兩種觀點(diǎn) (1)電磁波說(shuō)，代表人物——赫茲，他認(rèn)為這種射線是一種電磁輻射。 (2)粒子說(shuō)，代表人物——湯姆孫，他認(rèn)為這種射線是一種帶電粒子流。 2．陰極射線帶電性質(zhì)的判斷方法 (1)方法一：在陰極射線所經(jīng)區(qū)域加上電場(chǎng)，通過(guò)打在熒光屏上的亮點(diǎn)的變化和電場(chǎng)的情況確定其帶電的性質(zhì)。 (2)方法二：在陰極射線所經(jīng)區(qū)域加一磁場(chǎng)，根據(jù)亮點(diǎn)位置的變化和左手定則確定其帶電的性質(zhì)。 3．實(shí)驗(yàn)結(jié)果 根據(jù)陰極射線在電場(chǎng)中和磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)情況

3、，判斷出陰極射線是粒子流，并且?guī)ж?fù)電。 [試身手] 1.陰極射線從陰極射線管中的陰極發(fā)出，在其間的高電壓下加速飛向陽(yáng)極，如圖所示。若要使射線向上偏轉(zhuǎn)，所加磁場(chǎng)的方向應(yīng)為(　　) A．平行于紙面向左　　　 B．平行于紙面向上 C．垂直于紙面向外 D．垂直于紙面向里 解析：選C　由于陰極射線的本質(zhì)是電子流，陰極射線方向向右，說(shuō)明電子的運(yùn)動(dòng)方向向右，相當(dāng)于存在向左的電流，利用左手定則，為使電子所受洛倫茲力方向平行于紙面向上，可知磁場(chǎng)方向應(yīng)為垂直于紙面向外，故C正確。 電子的發(fā)現(xiàn) [探新知·基礎(chǔ)練] 1．湯姆孫的探究方法及結(jié)論 (1)根據(jù)陰極射線在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)情況斷定，它

4、的本質(zhì)是帶負(fù)電的粒子流，并求出了這種粒子的比荷。 (2)換用不同材料的陰極做實(shí)驗(yàn)，所得比荷的數(shù)值都相同，是氫離子比荷的近兩千倍。 (3)結(jié)論：陰極射線粒子帶負(fù)電，其電荷量的大小與氫離子大致相同，而質(zhì)量比氫離子小得多，后來(lái)組成陰極射線的粒子被稱為電子。 2．湯姆孫的進(jìn)一步研究 湯姆孫又進(jìn)一步研究了許多新現(xiàn)象，證明了電子是原子的組成部分，是比原子更基本的物質(zhì)單元。 3．電子的電荷量及電荷量子化 (1)電子電荷量：1910年前后由密立根通過(guò)著名的油滴實(shí)驗(yàn)得出，電子電荷的現(xiàn)代值為e＝1.602×10－19_C。 (2)電荷是量子化的，即任何帶電體的電荷只能是e的整數(shù)倍。 (3)電子的質(zhì)

5、量：me＝9.109 389 7×10－31 kg，質(zhì)子質(zhì)量與電子質(zhì)量的比值為＝1_836。 [辨是非](對(duì)的劃“√”，錯(cuò)的劃“×”) 1．陰極射線就是X射線。(×) 2．湯姆孫用電磁場(chǎng)知識(shí)測(cè)定了陰極射線的比荷，認(rèn)定陰極射線為電子。(√) [釋疑難·對(duì)點(diǎn)練] 帶電粒子比荷的測(cè)定方法 (1)讓粒子通過(guò)正交的電磁場(chǎng)(如圖所示)，讓其做直線運(yùn)動(dòng)，根據(jù)二力平衡，即F洛＝F電(Bqv＝qE)，得到粒子的運(yùn)動(dòng)速度v＝。 (2)在其他條件不變的情況下，撤去電場(chǎng)(如圖所示)，保留磁場(chǎng)讓粒子單純地在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，由洛倫茲力提供向心力即Bqv＝，根據(jù)軌跡偏轉(zhuǎn)情況，由幾何知識(shí)求出其半徑r。 (3)由以

6、上兩式確定粒子的比荷表達(dá)式：＝，最后經(jīng)定量計(jì)算湯姆孫認(rèn)定組成陰極射線的粒子為電子。 [試身手] 2．關(guān)于電荷的電荷量下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(　　) A．電子的電量是由密立根油滴實(shí)驗(yàn)測(cè)得的 B．物體所帶電荷量可以是任意值 C．物體所帶電荷量最小值為1.6×10－19 C D．物體所帶的電荷量都是元電荷的整數(shù)倍 解析：選B　密立根的油滴實(shí)驗(yàn)測(cè)出了電子的電量為1.6×10－19 C，并提出了電荷量子化的觀點(diǎn)，因而A對(duì)，B錯(cuò)，C對(duì)；任何物體的電荷量都是元電荷的整數(shù)倍，故D對(duì)。 對(duì)陰極射線的認(rèn)識(shí) [典例1]　(多選)如圖所示，一只陰極射線管左側(cè)不斷有電子射出，若在管的正下方放

7、一通電直導(dǎo)線AB時(shí)，發(fā)現(xiàn)射線的軌跡往下偏，則(　　) A．導(dǎo)線中的電流由A流向B B．導(dǎo)線中的電流由B流向A C．若要使電子束的軌跡往上偏，可以通過(guò)改變AB中的電流方向來(lái)實(shí)現(xiàn) D．電子束的軌跡與AB中電流方向無(wú)關(guān) [思路點(diǎn)撥]　根據(jù)陰極射線的性質(zhì)和左手定則進(jìn)行判斷。 [解析]選BC　陰極射線是高速電子流，由左手定則判斷可知，管內(nèi)磁場(chǎng)垂直紙面向里，由安培定則可知，AB中的電流由B流向A，且改變AB中的電流方向時(shí)可以使電子束的軌跡往上偏。故選項(xiàng)B、C正確。 (1)陰極射線不能誤認(rèn)為是X射線。 (2)當(dāng)陰極射線穿過(guò)電場(chǎng)或磁場(chǎng)區(qū)域時(shí)，其重力遠(yuǎn)小于電場(chǎng)力或洛倫茲力，因此一般不考慮。

8、 帶電粒子比荷的測(cè)定 [典例2]　如圖所示為湯姆孫用來(lái)測(cè)定電子比荷的裝置。當(dāng)極板P和P′間不加偏轉(zhuǎn)電壓時(shí)，電子束打在熒光屏的中心O點(diǎn)處，形成一個(gè)亮點(diǎn)；加上偏轉(zhuǎn)電壓U后，亮點(diǎn)偏離到O′點(diǎn)，O′點(diǎn)到O點(diǎn)的豎直距離為d，水平距離可忽略不計(jì)；此時(shí)在P與P′之間的區(qū)域里再加上一個(gè)方向垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，調(diào)節(jié)磁感應(yīng)強(qiáng)度，當(dāng)其大小為B時(shí)，亮點(diǎn)重新回到O點(diǎn)。已知極板水平方向長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，極板間距為b，極板右端到熒光屏的距離為L(zhǎng)2。 (1)求打在熒光屏O點(diǎn)的電子速度的大小。 (2)推導(dǎo)出電子比荷的表達(dá)式。 [思路點(diǎn)撥]　解答本題應(yīng)注意以下兩點(diǎn)： (1)利用電子在正交的電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的受力平衡

9、可求電子的速度。 (2)只有電場(chǎng)時(shí)用運(yùn)動(dòng)的合成與分解的觀點(diǎn)求解，確定出電子的比荷。 [解析]　(1)電子在正交的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速直線運(yùn)動(dòng)，有Bev＝Ee＝e，得v＝ 即打到熒光屏O點(diǎn)的電子速度的大小為。 (2)當(dāng)極板間僅有偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)時(shí)，電子以速度v進(jìn)入后，豎直方向做勻加速運(yùn)動(dòng)，加速度為a＝ 電子在水平方向做勻速運(yùn)動(dòng)，在電場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t1＝ 電子在電場(chǎng)中，豎直向上偏轉(zhuǎn)的距離為 d1＝at12＝××＝ 離開(kāi)電場(chǎng)時(shí)，豎直向上的分速度為v1＝at1＝ 電子離開(kāi)電場(chǎng)后做勻速直線運(yùn)動(dòng)，經(jīng)t2時(shí)間到達(dá)熒光屏，t2＝ t2時(shí)間內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)的距離為d2＝v1t2＝ 電子向上的總偏

10、轉(zhuǎn)距離為d＝d1＋d2＝(2L2＋L1) 解得＝。 [答案]　(1)　(2)＝ [課堂對(duì)點(diǎn)鞏固] 1．如圖所示，一玻璃管中有從左向右的可能是電磁波或某種粒子流形成的射線，若在其下方放一通電直導(dǎo)線AB，射線發(fā)生如圖所示的偏轉(zhuǎn)，AB中的電流方向由B到A，則該射線的本質(zhì)為(　　) A．電磁波 B．帶正電的高速粒子流 C．帶負(fù)電的高速粒子流 D．不帶電的高速中性粒子流 解析：選C　射線在電流形成的磁場(chǎng)中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即可確定該射線是由帶電粒子構(gòu)成的粒子流。根據(jù)安培定則可知，玻璃管中的磁場(chǎng)是垂直于紙面向里的。粒子向下偏轉(zhuǎn)，洛倫茲力方向向下，由左手定則可知射線所形成的電流方向向左，與

11、粒子的運(yùn)動(dòng)方向相反，故粒子帶負(fù)電。C正確。 2．(多選)關(guān)于陰極射線的性質(zhì)，判斷正確的是(　　) A．陰極射線帶負(fù)電 B．陰極射線帶正電 C．陰極射線的比荷比氫原子比荷大 D．陰極射線的比荷比氫原子比荷小 解析：選AC　通過(guò)讓陰極射線在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)的研究發(fā)現(xiàn)陰極射線帶負(fù)電，而且比荷比氫原子的比荷大得多，故A、C正確，B、D錯(cuò)誤。 3.如圖所示，電子以初速度v0從O點(diǎn)進(jìn)入長(zhǎng)為l、板間距離為d、電勢(shì)差為U的平行板電容器中，出電場(chǎng)時(shí)打在屏上P點(diǎn)，經(jīng)測(cè)量O′P距離為Y0。求電子的比荷。 解析：由于電子在電場(chǎng)中做類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng)，沿電場(chǎng)線方向做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，滿足 Y0＝

12、at2 ＝·2＝， 則＝。 答案： [課堂小結(jié)]- - - - - - - - - - - - - - - [課時(shí)跟蹤檢測(cè)九] 一、單項(xiàng)選擇題 1．關(guān)于陰極射線的本質(zhì)，下列說(shuō)法正確的是(　　) A．陰極射線本質(zhì)是氫原子　 B．陰極射線本質(zhì)是電磁波 C．陰極射線本質(zhì)是電子 D．陰極射線本質(zhì)是X射線 解析：選C　陰極射線是原子受到激發(fā)而射出的電子流。關(guān)于陰極射線是電磁波、X射線等都是研究陰極射線過(guò)程中的一些猜想，后來(lái)經(jīng)證明都是錯(cuò)的。C正確。 2．如圖是電子射線管示意圖，接通電源后，電子射線由陰極沿x軸正方向射出，在熒光屏上會(huì)看到一條亮線。要使熒光屏上的亮線向

13、下(z軸負(fù)方向)偏轉(zhuǎn)，在下列措施中可采用的是(　　) A．加一磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向沿z軸負(fù)方向 B．加一磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向沿y軸正方向 C．加一電場(chǎng)，電場(chǎng)方向沿z軸負(fù)方向 D．加一電場(chǎng)，電場(chǎng)方向沿y軸正方向 解析：選B　由于電子沿x軸正方向運(yùn)動(dòng)，使電子射線向下偏轉(zhuǎn)，則所受洛倫茲力向下，由左手定則可知磁場(chǎng)方向應(yīng)沿y軸正方向；若加電場(chǎng)使電子射線向下偏轉(zhuǎn)，所受電場(chǎng)力方向向下，則所加電場(chǎng)方向應(yīng)沿z軸正方向，由此可知B正確。 3．向熒光屏上看去，電子向我們飛來(lái)，在偏轉(zhuǎn)線圈中通以如圖所示的電流，電子的偏轉(zhuǎn)方向?yàn)?　　) 　　　　　　　　　　　　　　　　 A．向上 B．向下

14、 C．向左 D．向右 解析：選A　根據(jù)安培定則，偏轉(zhuǎn)線圈右側(cè)為N極、左側(cè)為S極，在環(huán)內(nèi)產(chǎn)生水平向左的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，利用左手定則可知，電子向上偏轉(zhuǎn)，選項(xiàng)A正確。 4．關(guān)于密立根“油滴實(shí)驗(yàn)”的科學(xué)意義，下列說(shuō)法不正確的是(　　) A．測(cè)得了電子的電荷量 B．首先測(cè)得了電子的比荷 C．為電子質(zhì)量的最終獲得做出了突出貢獻(xiàn) D．為人類(lèi)進(jìn)一步研究原子的結(jié)構(gòu)提供了一定的理論依據(jù) 解析：選B　密立根通過(guò)油滴實(shí)驗(yàn)測(cè)定了電子電荷量并發(fā)現(xiàn)電荷是量子化的，結(jié)合比荷，進(jìn)一步可以確定電子質(zhì)量；電子的比荷是由湯姆孫首先測(cè)出的。只有B不正確。 二、多項(xiàng)選擇題 5．關(guān)于空氣導(dǎo)電性能，下列說(shuō)法正確的是(　　

15、) A．空氣導(dǎo)電，是因?yàn)榭諝夥肿又杏械膸д?，有的帶?fù)電，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下向相反方向運(yùn)動(dòng)的結(jié)果 B．空氣能夠?qū)щ?，是因?yàn)榭諝夥肿釉谏渚€或強(qiáng)電場(chǎng)作用下電離的結(jié)果 C．空氣密度越大，導(dǎo)電性能越好 D．空氣密度變得越稀薄，越容易發(fā)出輝光 解析：選BD　空氣是由多種氣體組成的混合氣體，在正常情況下，氣體分子不帶電(顯中性)，是較好的絕緣體。但在射線、受熱及強(qiáng)電場(chǎng)作用下，空氣分子被電離，才具有導(dǎo)電功能，且空氣密度較大時(shí)，電離的自由電荷很容易與其他空氣分子碰撞，正、負(fù)電荷重新復(fù)合，難以形成穩(wěn)定的放電電流，而電離后的自由電荷在稀薄氣體環(huán)境中導(dǎo)電性能更好，綜上所述，B、D正確。 6．下列是某實(shí)驗(yàn)小組

16、測(cè)得的一組電荷量，哪些是符合事實(shí)的(　　) A．＋3×10－19 C B．＋4.8×10－19 C C．－3.2×10－26 C D．－4.8×10－19 C 解析：選BD　電荷是量子化的，任何帶電體所帶電荷量只能是元電荷的整數(shù)倍。1.6×10－19 C是目前為止自然界中最小的電荷量，故B、D正確。 7.如圖所示，從正離子源發(fā)射的正離子經(jīng)加速電壓U加速后進(jìn)入相互垂直的勻強(qiáng)電場(chǎng)E和勻強(qiáng)磁場(chǎng)B中，發(fā)現(xiàn)離子向上偏轉(zhuǎn)，要使此離子沿直線穿過(guò)電場(chǎng)，則下列說(shuō)法正確的是(　　) A．增大電場(chǎng)強(qiáng)度E，減小磁感應(yīng)強(qiáng)度B B．減小加速電壓U，增大電場(chǎng)強(qiáng)度E C．適當(dāng)?shù)丶哟蠹铀匐妷篣 D．適當(dāng)

17、地減小電場(chǎng)強(qiáng)度E 解析：選CD　正離子進(jìn)入相互垂直的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域中，受到的電場(chǎng)力F＝qE，方向向上，受到的洛倫茲力F洛＝qvB，方向向下，離子向上偏，說(shuō)明電場(chǎng)力大于洛倫茲力。要使離子沿直線運(yùn)動(dòng)，即qE＝qvB，則只有使洛倫茲力增大或電場(chǎng)力減小，增大洛倫茲力的途徑是增大加速電壓U或增大磁感應(yīng)強(qiáng)度B，減小電場(chǎng)力的途徑是減小電場(chǎng)強(qiáng)度E。選項(xiàng)C、D正確。 三、非選擇題 8．密立根用噴霧的方法獲得了帶電油滴，然后把這些帶不同質(zhì)量和電荷量的油滴置入電場(chǎng)中，通過(guò)電場(chǎng)力和重力平衡的方法最終測(cè)得帶電油滴的電荷量。假設(shè)在某次測(cè)量中，他得到了如下的數(shù)據(jù)，你根據(jù)這些數(shù)據(jù)能得出什么結(jié)論呢？ 液滴 編

18、號(hào) 1 2 3 4 5 … 電荷 量(C) 6.41× 10－19 9.70× 10－19 3.20× 10－19 4.81× 10－19 1.60× 10－19 … 解析：研究這些數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，它們都可認(rèn)為是1.60×10－19的整數(shù)倍，從而得出電荷的最小帶電單位是1.60×10－19 C，即e＝1.60×10－19 C。 答案：見(jiàn)解析 9.如圖所示，讓一束均勻的陰極射線以速率v垂直進(jìn)入正交的電、磁場(chǎng)中，選擇合適的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和電場(chǎng)強(qiáng)度E，帶電粒子將不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，然后撤去電場(chǎng)，粒子將做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，測(cè)得其半徑為R，求陰極射線中帶電粒子的比荷。 解析

19、：因?yàn)閹щ娏Ｗ釉趶?fù)合場(chǎng)中時(shí)不偏轉(zhuǎn)， 所以qE＝qvB，即v＝， 撤去電場(chǎng)后，粒子在洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)， 則qvB＝m。由此可得＝。 答案： 10.電子所帶電量的精確數(shù)值最早是由美國(guó)物理學(xué)家密立根通過(guò)油滴實(shí)驗(yàn)測(cè)得的。他測(cè)定了數(shù)千個(gè)帶電油滴的電量，發(fā)現(xiàn)這些電量都等于某個(gè)最小電量的整數(shù)倍。這個(gè)最小電量就是電子所帶的電量。密立根實(shí)驗(yàn)的原理如圖所示，A、B是兩塊平行放置的水平金屬板，A板帶正電，B板帶負(fù)電。從噴霧器嘴噴出的小油滴，落到A、B兩板之間的電場(chǎng)中。小油滴由于摩擦而帶負(fù)電，調(diào)節(jié)A、B兩板間的電壓，可使小油滴受到的電場(chǎng)力和重力平衡。已知小油滴靜止處的電場(chǎng)強(qiáng)度是1.92×105 N/C，油滴半徑是1.64×10－4 cm，油的密度是0.851 g/cm3，求油滴所帶的電量；這個(gè)電量是電子電量的多少倍？(g取9.8 m/s2) 解析：小油滴質(zhì)量為 m＝ρV＝ρ·πr3 由題意得mg＝Eq 聯(lián)立解得q＝ ≈8.02×10－19 C。 小油滴所帶電量q是電子電量e的倍數(shù)為 n＝＝≈5。 答案：8.02×10－19 C　5 9