2018-2019版高中物理 第3章 原子世界探秘 3.1 電子的發(fā)現及其重大意義 3.2 原子模型的提出學案 滬科版選修3-5.docx

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3.1　電子的發(fā)現及其重大意義 3.2　原子模型的提出 [學習目標]1.知道陰極射線的組成，電子是原子的組成部分.2.了解湯姆生發(fā)現電子的研究方法及蘊含的科學思想.3.了解α粒子散射實驗的實驗器材、實驗原理和實驗現象.4.知道盧瑟福的原子核式結構模型的主要內容.5.知道原子和原子核大小的數量級，原子的組成及帶電情況． 一、陰極射線　電子的發(fā)現 [導學探究]　1.在圖1所示的實驗中，將陰極射線管的陰極和陽極接上高壓電源后，用真空泵逐漸抽去管中的空氣，會產生什么現象？當氣壓降得很低時，又有什么現象發(fā)生？ 圖1 答案　接上高壓電源后，管內會產生氣體放電現象，當氣壓降得很低時，管內不再發(fā)光，但由陰極發(fā)射出的射線，能使熒光物質發(fā)光． 2．人們對陰極射線的本質的認識有兩種觀點，一種觀點認為是一種電磁波，另一種觀點認為是帶電微粒，你認為應如何判斷哪種觀點正確？ 答案　可以讓陰極射線通過電場(磁場)，若射線垂直于電場(磁場)方向射入之后發(fā)生了偏轉，則該射線是由帶電微粒組成的． [知識梳理] 1．陰極射線的特點 (1)在真空中沿直線傳播； (2)碰到物體可使物體發(fā)出熒光． 2．湯姆生對陰極射線本質的探究 結論：湯姆生通過實驗得出，陰極射線是一種帶負電的質量很小的粒子，物理學中稱為電子，電子是原子的組成部分． [即學即用]　判斷下列說法的正誤． (1)陰極射線在真空中沿直線傳播．(　√　) (2)英國物理學家湯姆生認為陰極射線是一種電磁輻射．(　　) (3)組成陰極射線的粒子是電子．(　√　) (4)電子是原子的組成部分，電子電荷量可以取任意數值．(　　) 二、α粒子散射實驗 [導學探究]　如圖2所示為1909年英籍物理學家盧瑟福指導他的學生蓋革和馬斯頓進行α粒子散射實驗的實驗裝置，閱讀課本，回答以下問題： 圖2 (1)什么是α粒子？ (2)實驗裝置中各部件的作用是什么？實驗過程是怎樣的？ (3)實驗現象如何？ (4)少數α粒子發(fā)生大角度散射的原因是什么？ 答案　(1)α粒子(He)是從放射性物質中發(fā)射出來的快速運動的粒子，實質是失去兩個電子的氦原子核，帶有兩個單位的正電荷，質量為氫原子質量的4倍、電子質量的7300倍． (2)①α粒子源：把放射性元素釙放在帶小孔的鉛盒中，放射出高能的α粒子． ②帶熒光屏的放大鏡：觀察α粒子打在熒光屏上發(fā)出的微弱閃光． 實驗過程： α粒子經過一條細通道，形成一束射線，打在很薄的金箔上，由于金原子中的帶電粒子對α粒子有庫侖力的作用，一些α粒子會改變原來的運動方向．帶有放大鏡的熒光屏可以沿圖中虛線轉動，以統(tǒng)計向不同方向散射的α粒子的數目． (3)絕大多數的α粒子穿過金箔后沿原來的方向前進，少數α粒子發(fā)生了大角度的偏轉，有的α粒子偏轉角超過90，極少數α粒子甚至被反彈回來． (4)α粒子帶正電，α粒子受原子中帶正電的部分的排斥力發(fā)生了大角度散射． [知識梳理] 1．α粒子散射實驗裝置由α粒子源、金箔、帶有熒光屏的放大鏡等幾部分組成，實驗時從α粒子源到熒光屏這段路程應處于真空中． 2．實驗現象 (1)絕大多數的α粒子穿過金箔后沿原來的方向前進； (2)少數α粒子發(fā)生了大角度的偏轉； (3)有的α粒子偏轉角超過90，有極少數α粒子甚至被反彈回來． 3．實驗意義：盧瑟福通過α粒子散射實驗，否定了湯姆孫的原子模型，建立了核式結構模型． [即學即用]　判斷下列說法的正誤． (1)α粒子散射實驗證明了湯姆生的原子模型是符合事實的．(　　) (2)α粒子散射實驗中大多數α粒子發(fā)生了大角度偏轉或反彈．(　　) (3)α粒子大角度的偏轉是電子造成的．(　　) (4)α粒子帶有兩個單位的正電荷，質量為氫原子質量的2倍．(　　) 三、原子的核式結構模型　原子核的電荷與尺度 [導學探究]　1.原子中的原子核所帶電荷量有何特點？ 答案　原子核帶正電，原子是電中性的，原子核所帶電荷量與核外電子所帶的電荷量相等． 2．核式結構模型是如何解釋α粒子散射實驗結果的？ 答案?、儆捎谠雍撕苄?，大多數α粒子穿過金箔時都離核很遠，受到的斥力很小，它們的運動方向幾乎不改變． ②只有極少數α粒子有機會與原子核接近，受到原子核較大的斥力而發(fā)生明顯的偏轉． [知識梳理] 1．核式結構模型：1911年由盧瑟福提出．在原子中心有一個很小的核，叫原子核．它集中了原子的全部正電荷和幾乎全部的質量，電子在核外空間繞核旋轉． 2．原子核的電荷與尺度 [即學即用]　判斷下列說法的正誤． (1)盧瑟福的核式結構模型認為原子中帶正電的部分體積很小，電子在正電體外面運動． (　√　) (2)對于一般的原子，由于原子核很小，所以內部十分空曠．(　√　) 一、對陰極射線的認識 例1　(多選)下面對陰極射線的認識正確的是(　　) A．陰極射線是由陰極發(fā)出的粒子撞擊玻璃管壁上的熒光粉而產生的 B．只要陰陽兩極間加有電壓，就會有陰極射線產生 C．陰極射線是真空玻璃管內由陰極發(fā)出的射線 D．陰陽兩極間加有高壓時，電場很強，陰極中的電子受到很強的庫侖力作用而脫離陰極 答案　CD 解析　陰極射線是真空玻璃管內由陰極直接發(fā)出的射線，故A錯誤，C正確；只有當兩極間有高壓且陰極接電源負極時，陰極中的電子才會受到足夠大的庫侖力作用而脫離陰極成為陰極射線，故B錯誤，D正確． 二、帶電粒子比荷的測定 1．利用磁偏轉測量 (1)讓帶電粒子通過相互垂直的電場和磁場(如圖3)，讓其做勻速直線運動，根據二力平衡，即F洛＝F電(Bqv＝qE)，得到粒子的運動速度v＝. 圖3 (2)撤去電場(如圖4)，保留磁場，讓粒子單純地在磁場中運動，由洛倫茲力提供向心力，即Bqv＝m，根據軌跡偏轉情況，由幾何知識求出其半徑r. 圖4 (3)由以上兩式確定粒子的比荷表達式：＝. 2．利用電偏轉測量 帶電粒子在勻強電場中運動，偏轉量y＝at2＝()2，故＝，所以在偏轉電場中，U、d、L已知時，只需測量v和y即可． 例2　在再現湯姆生測陰極射線比荷的實驗中，采用了如圖5所示的陰極射線管，從C出來的陰極射線經過A、B間的電場加速后，水平射入長度為L的D、G平行板間，接著在熒光屏F中心出現熒光斑．若在D、G間加上方向向上、場強為E的勻強電場，陰極射線將向下偏轉；如果再利用通電線圈在D、G電場區(qū)加上一垂直紙面的磁感應強度為B的勻強磁場(圖中未畫)，熒光斑恰好回到熒光屏中心，接著再去掉電場，陰極射線向上偏轉，偏轉角為θ，試解決下列問題： 圖5 (1)說明陰極射線的電性． (2)說明圖中磁場沿什么方向． (3)根據L、E、B和θ，求出陰極射線的比荷． 答案　(1)負電　(2)垂直紙面向外 (3) 解析　(1)由于陰極射線在電場中向下偏轉，因此陰極射線受電場力方向向下，又由于勻強電場方向向上，則電場力的方向與電場方向相反，所以陰極射線帶負電． (2)由于所加磁場使陰極射線受到向上的洛倫茲力，而與電場力平衡，由左手定則得磁場的方向垂直紙面向外． (3)設此射線帶電量為q，質量為m，當射線在D、G間做勻速直線運動時，有qE＝Bqv.當射線在D、G間的磁場中偏轉時，有Bqv＝.同時又有L＝rsinθ，如圖所示，解得＝. 針對訓練1　如圖6所示，電子以初速度v0從O點進入長為l、板間距離為d、電勢差為U的平行板電容器中，出電場時打在屏上P點，經測量O′P距離為Y0，求電子的比荷． 圖6 答案　 解析　由于電子在電場中做類平拋運動，沿電場力方向做初速度為零的勻加速直線運動，滿足 Y0＝at2＝()2＝， 則＝. 運用電磁場測定電子比荷的解題技巧 1．當電子在復合場中做勻速直線運動時，eE＝evB，可以測出電子速度大?。? 2．當電子在勻強磁場中偏轉時，evB＝m，測出圓周運動半徑，即可確定比荷． 3．當電子在勻強電場中偏轉時，y＝at2＝，測出電子在電場中的偏轉量也可以確定比荷． 三、對α粒子散射實驗的理解 例3　如圖7所示為盧瑟福α粒子散射實驗裝置的示意圖，圖中的顯微鏡可在圓周軌道上轉動，通過顯微鏡前相連的熒光屏可觀察α粒子在各個角度的散射情況．下列說法中正確的是(　　) 圖7 A．在圖中的A、B兩位置分別進行觀察，相同時間內觀察到屏上的閃光次數一樣多 B．在圖中的B位置進行觀察，屏上觀察不到任何閃光 C．盧瑟福選用不同金屬箔片作為α粒子散射的靶，觀察到的實驗結果基本相似 D．α粒子發(fā)生散射的主要原因是α粒子撞擊到金箔原子后產生的反彈 答案　C 解析　α粒子散射實驗現象：絕大多數α粒子沿原方向前進，少數α粒子有大角度散射．所以A處觀察到的粒子數多，B處觀察到的粒子數少，所以選項A、B錯誤．α粒子發(fā)生散射的主要原因是受到原子核庫侖斥力的作用，所以選項D錯誤，C正確． 針對訓練2　盧瑟福利用α粒子轟擊金箔的實驗研究原子結構，正確反映實驗結果的示意圖是(　　) 答案　D 解析　α粒子轟擊金箔后偏轉，越靠近金原子核，偏轉的角度越大，所以A、B、C錯誤，D正確． 解決這類問題的關鍵是理解并熟記以下兩點： (1)明確實驗裝置的組成及各部分的作用． (2)弄清實驗現象，知道“絕大多數”、“少數”和“極少數”α粒子的運動情況及原因． 四、原子的核式結構分析 1．原子內的電荷關系：原子核的電荷數與核外的電子數相等，非常接近原子序數． 2．原子的核式結構模型對α粒子散射實驗結果的解釋： (1)當α粒子穿過原子時，如果離核較遠，受到原子核的斥力很小，α粒子就像穿過“一片空地”一樣，無遮無擋，運動方向改變很小．因為原子核很小，所以絕大多數α粒子不發(fā)生偏轉． (2)只有當α粒子十分接近原子核穿過時，才受到很大的庫侖力作用，發(fā)生大角度偏轉，而這種機會很少，所以有少數粒子發(fā)生了大角度偏轉． (3)如果α粒子正對著原子核射來，偏轉角幾乎達到180，這種機會極少，如圖8所示，所以極少數粒子的偏轉角度甚至大于90. 圖8 1．(對陰極射線的認識)(多選)英國物理學家湯姆生通過對陰極射線的實驗研究發(fā)現(　　) A．陰極射線在電場中偏向正極板一側 B．陰極射線在磁場中受力情況跟正電荷受力情況相同 C．不同材料所產生的陰極射線的比荷不同 D．湯姆生并未精確得出陰極射線粒子的電荷量 答案　AD 解析　陰極射線實質上就是高速電子流，所以在電場中偏向正極板一側，A正確．由于電子帶負電，所以其在磁場中受力情況與正電荷不同，B錯誤．不同材料所產生的陰極射線都是電子流，所以它們的比荷是相同的，C錯誤．最早精確測出電子電荷量的是美國物理學家密立根，D正確． 2．(α粒子散射實驗的認識及解釋)(多選)關于α粒子散射實驗，下列說法正確的是(　　) A．在實驗中，觀察到的現象是：絕大多數α粒子穿過金箔后，仍沿原來的方向前進，極少數發(fā)生了較大角度的偏轉 B．使α粒子發(fā)生明顯偏轉的力來自帶正電的核和核外電子，當α粒子接近核時，是核的斥力使α粒子發(fā)生明顯偏轉；當α粒子接近電子時，是電子的吸引力使之發(fā)生明顯偏轉 C．實驗表明：原子中心有一個極小的核，它占有原子體積極小的一部分 D．實驗表明：原子中心的核帶有原子的全部正電荷和原子的全部質量 答案　AC 3．(α粒子散射實驗的認識)X表示金原子核，α粒子射向金核被散射，若它們入射時的動能相同，其偏轉軌道可能是下圖中的(　　) 答案　D 解析　α粒子離金核越遠其所受斥力越小，軌道彎曲程度就越小，故選項D正確． 4．(原子的核式結構模型)(多選)盧瑟福原子核式結構理論的主要內容有(　　) A．原子的中心有個核，叫原子核 B．原子的正電荷均勻分布在整個原子中 C．原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原子核里 D．帶負電的電子在核外繞著核旋轉 答案　ACD 一、選擇題 考點一　對陰極射線及電子電荷的理解 1．關于陰極射線的實質，下列說法正確的是(　　) A．陰極射線實質是氫原子 B．陰極射線實質是電磁波 C．陰極射線實質是電子 D．陰極射線實質是X射線 答案　C 解析　陰極射線是原子受激發(fā)射出的電子．關于陰極射線是電磁波、X射線都是在研究陰極射線過程中的一些假設，是錯誤的． 2．下列說法中正確的是(　　) A．湯姆孫精確地測出了電子電荷量e＝1.60210－19C B．電子電荷量的精確值是盧瑟福測出的 C．物體所帶電荷量可以是任意值 D．物體所帶的電荷量都是元電荷的整數倍 答案　D 解析　密立根通過油滴實驗精確測得了電子的電荷量并提出了電荷量是量子化的，A、B錯誤；物體所帶電荷量的最小值是e，所帶電荷量只能是元電荷的整數倍，C錯誤，D正確． 3．(多選)關于電子的發(fā)現，下列說法正確的是(　　) A．電子的發(fā)現，說明原子是由電子和原子核組成 B．電子的發(fā)現，說明原子具有一定的結構 C．在電子被人類發(fā)現前，人們認為原子是組成物質的最小微粒 D．電子帶負電，使人們意識到原子內應該還有帶正電的部分 答案　BCD 解析　發(fā)現電子時，人們對原子的結構仍然不清楚，但它使人們意識到電子應該是原子的組成部分，故A錯誤，B正確；在電子被人類發(fā)現前，人們認為原子是組成物質的最小微粒，C正確；原子對外顯電中性，而電子帶負電，使人們意識到，原子中應該還有其他帶正電的部分，D正確． 4．(多選)如圖1所示是湯姆孫的氣體放電管的示意圖，下列說法中正確的是(　　) 圖1 A．若在D1、D2之間不加電場和磁場，則陰極射線應打到最右端的P1點 B．若在D1、D2之間加上豎直向下的電場，則陰極射線應向下偏轉 C．若在D1、D2之間加上豎直向下的電場，則陰極射線應向上偏轉 D．若在D1、D2之間加上垂直紙面向里的磁場，則陰極射線不偏轉 答案　AC 解析　實驗證明，陰極射線是電子，它在電場中偏轉時應偏向帶正電的極板一側，可知選項C正確，選項B錯誤．加上磁場時，電子在磁場中受洛倫茲力作用，要發(fā)生偏轉，因而選項D錯誤．當不加電場和磁場時，電子所受的重力可以忽略不計，因而不發(fā)生偏轉，選項A正確． 5．(多選)下列說法中正確的是(　　) A．湯姆孫精確地測出了電子電荷量e＝1.60217733(49)10－19C B．電子電荷量的精確值是密立根通過“油滴實驗”測出的 C．油滴實驗更重要的發(fā)現是：電荷是量子化的，即任何電荷量只能是e的整數倍 D．通過實驗測出電子的比荷和電子電荷量e的值，就可以確定電子的質量 答案　BD 解析　電子電荷量的精確值是密立根通過“油滴實驗”測出的，電荷是量子化的也是密立根發(fā)現的，A、C錯誤，B正確；測出電子比荷的值和電子電荷量e的值，可以確定電子的質量，故D正確． 考點二　α粒子散射實驗 6．(多選)關于α粒子散射實驗，下列說法正確的是(　　) A．該實驗在真空環(huán)境中進行 B．帶有熒光屏的顯微鏡可以在水平面內的不同方向上移動 C．熒光屏上的閃光是散射的α粒子打在熒光屏上形成的 D．熒光屏只有正對α粒子源發(fā)出的射線方向上才有閃光 答案　ABC 7．(多選)如圖2為α粒子散射實驗裝置的示意圖，熒光屏和顯微鏡一起分別放在圖中的A、B、C、D四個位置時，下述說法中正確的是(　　) 圖2 A．相同時間內放在位置A時觀察到屏上的閃光次數最多 B．相同時間內放在位置B時觀察到屏上的閃光次數比放在A時稍少些 C．放在D位置時屏上仍能觀察到一些閃光，但次數極少 D．放在C、D位置時屏上觀察不到閃光 答案　AC 解析　在α粒子散射實驗中，α粒子穿過金箔后，絕大多數α粒子仍沿原來的方向前進，故A對；少數α粒子發(fā)生大角度偏轉，極少數α粒子偏轉角度大于90，極個別α粒子反彈回來，所以在B位置只能觀察到少數的閃光，在C、D兩位置能觀察到的閃光次數極少，故B、D錯，C對． 8．(多選)關于α粒子的散射實驗，下列說法中正確的是(　　) A．該實驗說明原子中正電荷是均勻分布的 B．α粒子發(fā)生大角度散射的主要原因是原子中原子核的作用 C．只有少數α粒子發(fā)生大角度散射的原因是原子的全部正電荷和幾乎全部質量集中在一個很小的核上 D．盧瑟福根據α粒子散射實驗提出了原子核式結構理論 答案　BCD 解析　α粒子散射實驗中，有少數α粒子發(fā)生大角度偏轉說明三點：一是原子內有一質量很大的物質存在；二是這一物質帶有較大的正電荷；三是這一物質的體積很小，但不能說明原子中正電荷是均勻分布的，故A錯誤，B、C正確；盧瑟福依據α粒子散射實驗的現象提出了原子的核式結構理論，D正確． 9．α粒子散射實驗中，不考慮電子和α粒子的碰撞影響，是因為(　　) A．α粒子與電子根本無相互作用 B．α粒子受電子作用的合力為零，電子是均勻分布的 C．α粒子和電子碰撞損失的能量極少，可忽略不計 D．電子很小，α粒子碰撞不到電子 答案　C 解析　在α粒子散射實驗中，電子與α粒子存在相互作用，A錯誤；電子質量只有α粒子的，電子與α粒子碰撞后，電子對α粒子的影響就像灰塵對槍彈的影響，完全可忽略不計，C正確，B、D錯誤． 二、非選擇題 10．(α粒子散射實驗的估算)在α粒子散射實驗中，根據α粒子與原子核發(fā)生對心碰撞時所能達到的最小距離可以估算原子核的大?。F有一個α粒子以2.0107m/s的速度去轟擊金箔．若金原子的核電荷數為79，求該α粒子與金原子核間的最近距離．(已知帶電粒子在點電荷電場中的電勢能表達式為Ep＝k，式中k為靜電力常量k＝9.0109Nm2/C2，α粒子的質量為6.6410－27kg) 答案　2.710－14m 解析　當α粒子靠近原子核運動時，α粒子的動能轉化為 電勢能，達到最近距離時，動能全部轉化為電勢能，所以α粒子與原子核發(fā)生對心碰撞時所能達到的最小距離d為mv2＝k 所以d＝ ＝m ≈2.710－14m. 所以α粒子與金原子核間的最近距離為2.710－14m.