粵教版選修35 第三章 第一節(jié)　敲開(kāi)原子的大門(mén) 學(xué)案.docVIP

電子的發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明原子內(nèi)含有電子，而光譜的發(fā)射似乎與電子的行為有密切關(guān)系。在這以前，人們對(duì)原子的內(nèi)部狀態(tài)一無(wú)所知，只能把原子看成是一個(gè)不可分的整體，而在發(fā)現(xiàn)電子、確證原子可分之后，才有可能真正建立原子結(jié)構(gòu)的模型，探索原子結(jié)構(gòu)的理論，從而對(duì)光譜的發(fā)射和其他原子現(xiàn)象作出正確的解釋。物理學(xué)家們根據(jù)自己的實(shí)踐和見(jiàn)解從不同的角度提出各種不同的模型。本章我們將追尋科學(xué)家的足跡，探索微觀世界的奧妙。第一節(jié)敲開(kāi)原子的大門(mén)11858年，德國(guó)物理學(xué)家普呂克爾發(fā)現(xiàn)了陰極射線，在一個(gè)抽成真空的玻璃管兩端加上高電壓，這時(shí)陰極會(huì)發(fā)出一種射線，使正對(duì)陰極的玻璃管壁上出現(xiàn)綠色熒光。2湯姆生的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，陰極射線本質(zhì)上是由帶負(fù)電的微粒組成。3湯姆生測(cè)定陰極射線中帶電粒子比荷的基本思想是，一個(gè)質(zhì)量為m、電荷為e的帶電粒子以速率v垂直進(jìn)入磁場(chǎng)b中，如果粒子僅受磁場(chǎng)力作用，將做圓周運(yùn)動(dòng)，向心力即為洛倫茲力：mevb，只要確定了粒子運(yùn)動(dòng)的速率及半徑，就可以測(cè)出比荷。4美國(guó)科學(xué)家密立根精確測(cè)定了電子的電量e1.60221019 c。陰極射線的探究1.什么是陰極射線在一個(gè)抽成真空的玻璃管兩端加上高電壓，這時(shí)陰極會(huì)發(fā)出一種射線，使正對(duì)陰極的玻璃管壁上出現(xiàn)綠色熒光，這種奇妙的射線被稱(chēng)為陰極射線。2陰極射線帶電性質(zhì)的判斷(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帶電的性質(zhì)。3陰極射線荷質(zhì)比的測(cè)定(1)讓某一速率的電子垂直進(jìn)入某一電場(chǎng)中，在熒光屏上亮點(diǎn)位置發(fā)生變化。(2)在電場(chǎng)區(qū)域加一與其垂直的大小合適的磁場(chǎng)，抵消陰極射線的偏轉(zhuǎn)。由此可知qeqvb0。則v。(3)去掉電場(chǎng)，只保留磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向與射線運(yùn)動(dòng)方向垂直，陰極射線在有磁場(chǎng)的區(qū)域?qū)?huì)形成一個(gè)半徑為r的圓弧，根據(jù)磁場(chǎng)情況和軌跡偏轉(zhuǎn)情況，由幾何知識(shí)求出其半徑r，則由qvb得。4陰極射線的本質(zhì)湯姆生根據(jù)陰極射線在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)斷定，陰極射線的本質(zhì)是帶負(fù)電的粒子流并求出了這種粒子的比荷。后來(lái)，組成陰極射線的粒子被稱(chēng)為電子。圖3111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311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：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。使電子所受洛倫茲力方向平行于紙面向上，由此可知磁場(chǎng)方向應(yīng)為垂直于紙面向外，故c正確。答案：c電子的發(fā)現(xiàn)1.電子的大小電子是構(gòu)成各種物體的共同成分，它的質(zhì)量比任何一種分子和原子的質(zhì)量都小得多，它的電荷與氫原子的電荷大小基本相同。電子所帶電量為e1.60221019 c。2電子電量的測(cè)定密立根油滴實(shí)驗(yàn)(1)如圖312所示，兩塊平行放置的水平金屬板a、b與電源相連接，使a板帶正電，b板帶負(fù)電。從噴霧器噴嘴噴出的小油滴經(jīng)上面的金屬板中間的小孔，落到兩板之間的勻強(qiáng)電場(chǎng)中。圖312(2)小油滴由于摩擦而帶負(fù)電，調(diào)節(jié)a、b兩板間的電壓，可以使小油滴靜止在兩板之間，此時(shí)電場(chǎng)力和重力平衡即mgeq，則電荷的電量q。3電子發(fā)現(xiàn)的物理意義電子是人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)比原子小的粒子。電子的發(fā)現(xiàn)，打破了原子不可再分的傳統(tǒng)觀念，使人們認(rèn)識(shí)到原子不是組成物質(zhì)的最小微粒，原子本身也有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。從此，原子物理學(xué)迅速發(fā)展，人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代。2關(guān)于電子的下列說(shuō)法中不正確的是()a發(fā)現(xiàn)電子是從研究陰極射線開(kāi)始的b任何物質(zhì)中均有電子，它是原子的組成部分c電子發(fā)現(xiàn)的意義是：使人們認(rèn)識(shí)到原子不是組成物質(zhì)的最小微粒，原子本身也具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)d電子是帶正電的，它在電場(chǎng)中受到的電場(chǎng)力方向與電場(chǎng)線的切線方向相同解析：由物理學(xué)史知識(shí)可知，人們從研究陰極射線開(kāi)始，發(fā)現(xiàn)了電子，認(rèn)識(shí)到它是原子的組成部分，原子本身也是可以再分的。故選項(xiàng)a、b、c對(duì)，d錯(cuò)。答案：d利用電(或磁)偏轉(zhuǎn)測(cè)帶電粒子比荷例1湯姆生用來(lái)測(cè)定電子的比荷(電子的電荷量與質(zhì)量之比)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖313所示。真空管內(nèi)的陰極k發(fā)出的電子(不計(jì)初速度、重力和電子間的相互作用)經(jīng)加速電壓加速后，穿過(guò)a中心的小孔沿中心軸o1o的方向進(jìn)入到兩塊水平正對(duì)放置的平行極板p和p間的區(qū)域。當(dāng)極板間不加偏轉(zhuǎn)電壓時(shí)，電子束打在熒光屏的中心o點(diǎn)處，形成了一個(gè)亮點(diǎn)；加上偏轉(zhuǎn)電壓u后，亮點(diǎn)偏離到o點(diǎn)，o與o的豎直間距為d，水平間距可忽略不計(jì)。此時(shí)，在p和p間的區(qū)域，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)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為b時(shí)，亮點(diǎn)重新回到o點(diǎn)。已知極板水平方向的長(zhǎng)度為l1，極板間距為b，極板右端到熒光屏的距離為l2。圖313(1)求打在熒光屏o點(diǎn)的電子速度的大小。(2)推導(dǎo)出電子的比荷的表達(dá)式。解析(1)當(dāng)電子受到的電場(chǎng)力與洛倫茲力平衡時(shí)，電子做勻速直線運(yùn)動(dòng)，亮點(diǎn)重新回到中心o點(diǎn)。設(shè)電子的速度為v，則：evbee，可得v，即v。(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。這樣，電子在電場(chǎng)中，豎直向上偏轉(zhuǎn)的距離為d1at，離開(kāi)電場(chǎng)時(shí)豎直向上的分速度vat1，電子離開(kāi)電場(chǎng)后做勻速直線運(yùn)動(dòng)，到達(dá)熒光屏的時(shí)間t2，t2時(shí)間內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)的距離d2vt2，這樣，電子向上的總偏轉(zhuǎn)量為dd1d2l1(l2)，可解得。答案(1)(2)解決帶電粒子在電磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的問(wèn)題時(shí)，要切記以下幾點(diǎn)：(1)所加電場(chǎng)、磁場(chǎng)為勻強(qiáng)電場(chǎng)、磁場(chǎng)。(2)帶電粒子只在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)時(shí)做類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng)，可利用運(yùn)動(dòng)的分解、直線運(yùn)動(dòng)公式、牛頓運(yùn)動(dòng)定律列出相應(yīng)的關(guān)系。(3)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，要注意通過(guò)畫(huà)軌跡示意圖確定圓心位置，利用幾何知識(shí)求出其半徑。(4)帶電粒子若通過(guò)相互垂直的電、磁場(chǎng)時(shí)，一般使其不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由此可求出帶電粒子的速度。圖314 如圖314所示，讓一束均勻的陰極射線垂直穿過(guò)正交的電磁場(chǎng)，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：因?yàn)閹щ娏Ｗ硬黄D(zhuǎn)，所以受到的電場(chǎng)力與洛倫茲力平衡，即qeqbv，所以v。粒子進(jìn)入磁場(chǎng)后做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，由洛倫茲力提供向心力qvb，所以，其半徑為r，所以。答案：電子電荷量的測(cè)定圖315例2電子所帶電荷量最早是由美國(guó)科學(xué)家密立根通過(guò)油滴實(shí)驗(yàn)測(cè)出的。油滴實(shí)驗(yàn)的原理如圖315所示，兩塊水平放置的平行金屬板與電源連接，上、下板分別帶正、負(fù)電荷。油滴從噴霧器噴出后，由于摩擦而帶電，油滴進(jìn)入上板中央小孔后落到勻強(qiáng)電場(chǎng)中，通過(guò)顯微鏡可以觀察到油滴的運(yùn)動(dòng)情況。兩金屬板間的距離為d，忽略空氣對(duì)油滴的浮力和阻力。(1)調(diào)節(jié)兩金屬板間的電勢(shì)差u，當(dāng)uu0時(shí)，使得某個(gè)質(zhì)量為m1的油滴恰好做勻速運(yùn)動(dòng)。該油滴所帶電荷量q為多少？(2)若油滴進(jìn)入電場(chǎng)時(shí)的速度可以忽略，當(dāng)兩金屬板間的電勢(shì)差uu時(shí)，觀察到某個(gè)質(zhì)量為m2的油滴進(jìn)入電場(chǎng)后做勻加速運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)時(shí)間t運(yùn)動(dòng)到下極板，求此油滴所帶電荷量q。解析(1)油滴勻速下落過(guò)程中受到的電場(chǎng)力和重力平衡，可見(jiàn)所帶電荷為負(fù)電荷，即qm1g，得qm1g。(2)油滴加速下落，電荷量為q，因油滴帶負(fù)電，則油滴所受到的電場(chǎng)力方向向上，設(shè)此時(shí)的加速度大小為a，由牛頓第二定律得m2gqm2a，dat2，得q(g)。答案(1)m1g(2)(g)密立根的“油滴實(shí)驗(yàn)”中易忽視帶電油滴的重力，從而使問(wèn)題無(wú)從下手，像油滴、塵埃、小顆粒、小球等宏觀物體除特別說(shuō)明外都要考慮重力。1(雙選)有關(guān)物理學(xué)史下列說(shuō)法正確的是()a赫茲最先發(fā)現(xiàn)了陰極射線b湯姆生精確測(cè)出了電子的電荷量e1.61019cc湯姆生最先測(cè)出了陰極射線的比荷d電子電荷的精確值是由密立根通過(guò)“油滴實(shí)驗(yàn)”測(cè)出的解析：最早發(fā)現(xiàn)陰極射線的是德國(guó)科學(xué)家普里克，a錯(cuò)。湯姆生最先測(cè)出了陰極射線的比荷，但并沒(méi)有測(cè)定出電子的電荷量，電子電荷量的精確值是密立根通過(guò)“油滴實(shí)驗(yàn)”測(cè)出的，故b錯(cuò)，c、d對(duì)。答案：cd2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：陰極射線是原子受激發(fā)射出的電子，故選項(xiàng)c對(duì)。答案：c圖13如圖1所示，在陰極射線管正上方平行放一通有強(qiáng)電流的長(zhǎng)直導(dǎo)線，則陰極射線將()a向紙內(nèi)偏轉(zhuǎn)b向紙外偏轉(zhuǎn)c向下偏轉(zhuǎn)d向上偏轉(zhuǎn)解析：長(zhǎng)直導(dǎo)線電流方向向左，由安培定則可判定直導(dǎo)線下方所處磁場(chǎng)垂直紙面向外，由于電子從負(fù)極端射出，根據(jù)左手定則可判定電子向上偏轉(zhuǎn)，即陰極射線將向上偏轉(zhuǎn)。答案：d4關(guān)于密立根“油滴實(shí)驗(yàn)”，下列說(shuō)法正確的是()a密立根利用電場(chǎng)力和重力平衡的方法，測(cè)得了帶電體的最小質(zhì)量b密立根利用電場(chǎng)力和重力平衡的方法，測(cè)出了帶電體的最小帶電荷量c密立根利用磁偏轉(zhuǎn)的知識(shí)推測(cè)出了電子的電荷量d密立根“油滴實(shí)驗(yàn)”直接驗(yàn)證了電子的質(zhì)量不足氫離子的千分之一圖2解析：密立根“油滴實(shí)驗(yàn)”是利用噴霧的方法，在已知小液滴質(zhì)量的前提下利用電場(chǎng)力和小液滴的重力平衡，測(cè)出每個(gè)小液滴帶電荷量都是1.61019c的整數(shù)倍；帶電體的帶電荷量不是連續(xù)的，而是量子化的；并且電子的帶電荷量也為1.61019 c，帶負(fù)電。故b對(duì)。答案：b5如圖2所示為示波管中電子槍的原理示意圖。示波管內(nèi)被抽成真空，a為發(fā)射熱電子的陰極，k為接在高電勢(shì)點(diǎn)的加速陽(yáng)極，a，k間電壓為u。電子離開(kāi)陰極時(shí)的速度可以忽略，電子經(jīng)加速后從k的小孔中射出時(shí)的速度大小為v，下面的說(shuō)法中正確的是()a如果a，k間距離減半而電壓仍為u不變，則電子離開(kāi)k時(shí)的速度變?yōu)?vb如果a，k間距離減半而電壓仍為u不變，則電子離開(kāi)k時(shí)的速度變?yōu)閏如果a，k間距離保持不變而電壓減半，則電子離開(kāi)k時(shí)的速度變?yōu)閐如果a，k間距離保持不變而電壓減半，則電子離開(kāi)k時(shí)的速度變?yōu)関解析：由uqmv2可得v，可見(jiàn)電子經(jīng)加速電場(chǎng)加速后的速度僅與電壓有關(guān)，當(dāng)電壓減半時(shí)，速度變?yōu)樵瓉?lái)的，選項(xiàng)d對(duì)。答案：d6下列說(shuō)法正確的是()a陰極射線在電場(chǎng)中一定會(huì)受到電場(chǎng)力的作用b陰極射線在磁場(chǎng)中一定會(huì)受到磁場(chǎng)力的作用c陰極射線所受電場(chǎng)力的方向與電場(chǎng)的方向是相同的d陰極射線所受磁場(chǎng)力的方向與磁場(chǎng)的方向是相同的解析：陰極射線是高速運(yùn)動(dòng)的電子流，在電場(chǎng)中一定要受到電場(chǎng)力的作用，所受電場(chǎng)力方向與電場(chǎng)方向相反，故a對(duì)c錯(cuò)。在磁場(chǎng)中如果電子運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)平行則電子不受磁場(chǎng)力，當(dāng)受磁場(chǎng)力時(shí)，由左手定則可知磁場(chǎng)力方向與磁場(chǎng)方向垂直，故b、d錯(cuò)。答案：a7(雙選)湯姆生對(duì)陰極射線的探究，最終發(fā)現(xiàn)了電子，由此被稱(chēng)為“電子之父”，關(guān)于電子的說(shuō)法正確的是()a任何物質(zhì)中均有電子b不同的物質(zhì)中具有不同的電子c電子質(zhì)量是質(zhì)子質(zhì)量的1 836倍d電子是一種粒子，是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元解析：湯姆生對(duì)不同材料的陰極發(fā)出的射線進(jìn)行研究均為同一種相同的粒子即電子，故選項(xiàng)a、d對(duì)，b錯(cuò)，電子質(zhì)量比質(zhì)子質(zhì)量小很多，故c錯(cuò)。圖3答案：ad8如圖3所示，勻強(qiáng)電場(chǎng)豎直向上，勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直紙面向外，有一正離子不計(jì)重力，恰能沿直線從左向右水平飛越此區(qū)域，則()a若電子從右向左水平飛入，電子也沿直線運(yùn)動(dòng)b若電子從右向左水平飛入，電子將向上偏c若電子從右向左水平飛入，電子將向下偏d若電子從右向左水平飛入，則無(wú)法判斷電子是否偏轉(zhuǎn)解析：若電子從右向左水平飛入，則所受電場(chǎng)力向下，洛侖茲力也向下，故電子向下偏轉(zhuǎn)，選項(xiàng)a、b、d錯(cuò)，c對(duì)。答案：c9在湯姆生測(cè)陰極射線比荷的實(shí)驗(yàn)中，采用了如圖4所示的陰極射線管，從c出來(lái)的陰極射線經(jīng)過(guò)a、b間的電場(chǎng)加速后，水平射入長(zhǎng)度為l的d、g平行板間，接著在熒光屏f中心出現(xiàn)熒光斑。若在d、g間加上方向向下，場(chǎng)強(qiáng)為e的勻強(qiáng)電場(chǎng)，陰極射線將向上偏轉(zhuǎn)；如果再利用通電線圈在d、g電場(chǎng)區(qū)加上一垂直紙面的磁感應(yīng)強(qiáng)度為b的勻強(qiáng)磁場(chǎng)(圖中未畫(huà))，熒光斑恰好回到熒光屏中心，接著再去掉電場(chǎng)，陰極射線向下偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角為，試解決下列問(wèn)題：圖4(1)說(shuō)明陰極射線的電性；(2)說(shuō)明圖中磁場(chǎng)沿什么方向；(3)根據(jù)l、e、b和，求出陰極射線的比荷。解析：(1)由于陰極射線向上偏轉(zhuǎn)，因此受電場(chǎng)力方向向上，又由于勻強(qiáng)電場(chǎng)方向向下，則電場(chǎng)力的方向與電場(chǎng)方向相反，所以陰極射線帶負(fù)電。(2)由于所加磁場(chǎng)使陰極射線受到向下的洛倫茲力，由左手定則得磁場(chǎng)的方向垂直紙面向里。(3)設(shè)此射線帶電量為q，質(zhì)量為m，當(dāng)射線在dg間做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，有qebqv當(dāng)射線在dg間的磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)時(shí)，有bqv同時(shí)又有l(wèi)rsin解得。答案：(1)負(fù)電(2)垂直紙面向里(3)10電子所帶電荷量最早是由美國(guó)科學(xué)家密立根(18681953)所做的油滴實(shí)驗(yàn)測(cè)出的，密立根實(shí)驗(yàn)的原理如圖5所示：兩塊水平放置的平行金屬板a，b與電源相接，使上面的板帶正電，下面的板帶負(fù)電，油滴從噴霧器噴出后，經(jīng)上面金屬板中間的小孔，落到兩板之間的勻強(qiáng)電場(chǎng)e中。大多數(shù)油滴在經(jīng)過(guò)噴霧器噴嘴時(shí)，因摩擦而帶負(fù)電，油滴在電場(chǎng)力、重力和空氣阻力的作用下下降，觀察者可在強(qiáng)光照射下，借助顯微鏡進(jìn)行觀察。圖5兩板間的電勢(shì)差、兩板的距離都可以直接測(cè)得，從而確定極板間的電場(chǎng)強(qiáng)度e。但是油滴太小，其質(zhì)量m很難直接測(cè)出。密立根通過(guò)測(cè)量油滴在空氣中下落的終極速度測(cè)量油滴的質(zhì)量。未加電場(chǎng)時(shí)，由于空氣的黏性，油滴所受的重力很快就等于油滴與空氣的摩擦力而使油滴勻速下落，可測(cè)得速度v1。再加一足夠強(qiáng)的電場(chǎng)，使油滴做豎直向上的運(yùn)動(dòng)，在油滴以速度v2勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，油滴所受的靜電力與重力、阻力平衡，根據(jù)空氣阻力遵循的規(guī)律，即可求得油滴所帶電荷量。密立根測(cè)定了數(shù)千個(gè)帶電油滴的電荷量，發(fā)現(xiàn)這些電荷量都等于某個(gè)最小電荷的整數(shù)倍，從而證實(shí)了電荷是量子化的，并求得了元電荷即電子或質(zhì)子所帶的電荷量e。