物理選修3-5全套講義第二章原子結(jié)構(gòu)2-1

第1節(jié)電子的發(fā)現(xiàn)與湯姆孫模型[目標(biāo)定位]1.知道陰極射線是由電子組成的，電子是原子的組成部分.2.了解湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子的研究方法及蘊(yùn)含的科學(xué)思想.3.領(lǐng)會(huì)電子的發(fā)現(xiàn)對(duì)揭示原子結(jié)構(gòu)的重大意義.4.了解湯姆孫的原子模型．一、物質(zhì)結(jié)構(gòu)的早期探究1．古人對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)(1)我國(guó)西周的“五行說”認(rèn)為萬物是由金、木、水、火、土五種基本“元素”組成的．(2)古希臘的亞里士多德認(rèn)為萬物的本質(zhì)是土、水、火、空氣四種“元素”，天體則由第五種“元素”——“以太”構(gòu)成．(3)古希臘哲學(xué)家德謨克利特等人建立了早期的原子論，認(rèn)為宇宙間存在著一種或多種微小的實(shí)體，叫做“原子”．2．大約在17世紀(jì)中葉，人們開始通過實(shí)驗(yàn)來了解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)．(1)1661年，玻意耳以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)建立了科學(xué)的元素論．(2)19世紀(jì)初，道爾頓提出了原子論，認(rèn)為原子是元素的最小單位．(3)1811年，意大利化學(xué)家阿伏伽德羅提出了分子假說，指出分子可以由多個(gè)相同的原子組成．二、電子的發(fā)現(xiàn)1．陰極射線：科學(xué)家研究稀薄氣體放電時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)玻璃管內(nèi)的氣體足夠稀薄時(shí)，陰極發(fā)出一種射線，這種射線能使玻璃管壁發(fā)出熒光，這種射線稱為陰極射線．2．湯姆孫對(duì)陰極射線本質(zhì)的探究(1)實(shí)驗(yàn)中通過靜電偏轉(zhuǎn)力和磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)力相抵消等方法，確定了陰極射線粒子的速度，并測(cè)量出了這些粒子的比荷：eq\f(q,m)＝eq\f(E,RB2).(2)陰極射線是帶電粒子流，帶負(fù)電．(3)不同物質(zhì)都能發(fā)射這種帶電粒子，它是各種物質(zhì)中共有的成分，其質(zhì)量是氫離子質(zhì)量的eq\f(1,1800)，湯姆孫將這種帶電粒子稱為電子．想一想湯姆孫怎樣通過實(shí)驗(yàn)確定陰極射線是帶負(fù)電的粒子？答案他根據(jù)陰極射線在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)情況判斷其是帶負(fù)電的電子流．三、湯姆孫原子模型湯姆孫認(rèn)為，原子帶正電的部分應(yīng)充斥整個(gè)原子，很小很輕的電子鑲嵌在球體的某些固定位置，正像葡萄干嵌在面包中那樣，這就是原子的葡萄干面包模型．一、陰極射線的性質(zhì)及特點(diǎn)1．陰極射線實(shí)質(zhì)是電子束．2．陰極射線的產(chǎn)生：玻璃管內(nèi)的氣體足夠稀薄時(shí)，射線由陰極發(fā)出，它可使玻璃管壁發(fā)出熒光．3．陰極射線帶電性質(zhì)的判斷方法(1)陰極射線的本質(zhì)是電子，在電場(chǎng)(或磁場(chǎng))中所受電場(chǎng)力(或洛倫茲力)遠(yuǎn)大于所受重力，故研究電場(chǎng)力(或洛倫茲力)對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的影響時(shí)，一般不考慮重力的影響．圖1(2)帶電性質(zhì)的判斷方法①粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)如圖1所示．帶電粒子受電場(chǎng)力作用運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變(粒子質(zhì)量忽略不計(jì))．帶電粒子在不受其他力的作用時(shí)，若沿電場(chǎng)線方向偏轉(zhuǎn)，則粒子帶正電；若逆著電場(chǎng)線方向偏轉(zhuǎn)，則粒子帶負(fù)電．圖2②粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，如圖2所示．粒子將受到洛倫茲力作用F＝qvB，洛倫茲力方向始終與速度方向垂直，利用左手定則即可判斷粒子的電性．不考慮其他力的作用，如果粒子按圖示方向進(jìn)入磁場(chǎng)，且做順時(shí)針的圓周運(yùn)動(dòng)，則粒子帶正電；若做逆時(shí)針的圓周運(yùn)動(dòng)，則粒子帶負(fù)電．【例1】如圖3所示，一玻璃管中有從左向右的陰極射線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()圖3A．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答案C解析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，AB上方的磁場(chǎng)是垂直紙面向里的．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，與粒子的運(yùn)動(dòng)方向相反，故粒子帶負(fù)電．借題發(fā)揮應(yīng)用左手定則時(shí)，要注意負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的方向與它形成的電流方向相反，即應(yīng)用左手定則時(shí)負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的方向應(yīng)與四指所指的方向相反．針對(duì)訓(xùn)練關(guān)于陰極射線的本質(zhì)，下列說法正確的是()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射線答案C解析陰極射線是原子受激發(fā)射出的電子流，關(guān)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(shè)，是錯(cuò)誤的．二、電子比荷的測(cè)定1．湯姆孫在研究陰極射線時(shí)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示：圖42．帶電粒子比荷的測(cè)定方法圖5(1)讓粒子通過正交的電磁場(chǎng)(如圖5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＝eq\f(E,B).(2)在其他條件不變的情況下，圖6撤去電場(chǎng)(如圖6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＝eq\f(mv2,R)，根據(jù)軌跡偏轉(zhuǎn)情況，由幾何知識(shí)求出其半徑R.(3)由以上兩式確定粒子的比荷表達(dá)式：eq\f(q,m)＝eq\f(E,B2R)，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．【例2】如圖7所示為測(cè)定陰極射線粒子比荷的裝置，從陰極K發(fā)出的陰極射線通過一對(duì)平行金屬板D1、D2間的勻強(qiáng)電場(chǎng)，發(fā)生偏轉(zhuǎn)．圖7(1)在D1、D2間加電場(chǎng)后射線偏到P2，則由電場(chǎng)方向知，該射線帶什么電？(2)再在D1、D2間加一磁場(chǎng)(圖中未畫出)，電場(chǎng)與磁場(chǎng)垂直，讓射線恰好不偏轉(zhuǎn)．設(shè)電場(chǎng)強(qiáng)度為E，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，則電子的速度多大？(3)撤去電場(chǎng)，只保留磁場(chǎng)，使射線在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)，若測(cè)出軌道半徑為R，則粒子的荷質(zhì)比eq\f(q,m)是多大？解析(1)負(fù)電(2)粒子受兩個(gè)力作用：電場(chǎng)力和洛倫茲力，兩個(gè)力平衡，即有qE＝qvB，得：v＝eq\f(E,B)(3)根據(jù)洛倫茲力充當(dāng)向心力：qvB＝meq\f(v2,R)，得出：eq\f(q,m)＝eq\f(v,BR).又v＝eq\f(E,B)，則eq\f(q,m)＝eq\f(E,B2R).測(cè)出E、B、R即可求荷質(zhì)比eq\f(q,m).答案(1)負(fù)電(2)eq\f(E,B)(3)eq\f(E,B2R)借題發(fā)揮測(cè)比荷的方法帶電粒子的比荷，常見的測(cè)量方法有兩種：(1)利用磁偏轉(zhuǎn)測(cè)比荷，由qvB＝meq\f(v2,R)得eq\f(q,m)＝eq\f(v,BR)，只需知道磁感應(yīng)強(qiáng)度B、帶電粒子的初速度v和偏轉(zhuǎn)半徑R即可．(2)利用電偏轉(zhuǎn)測(cè)比荷，偏轉(zhuǎn)量y＝eq\f(1,2)at2＝eq\f(1,2)·eq\f(qU,md)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(L,v)))2，故eq\f(q,m)＝eq\f(2ydv2,UL2).所以在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)U、d、L已知時(shí)，只需測(cè)量v和y即可．三、湯姆孫的原子模型圖81．湯姆孫原子模型：湯姆孫認(rèn)為原子是一個(gè)直徑約為10－10m的球體，正電荷均勻分布在整個(gè)球體中，帶負(fù)電的電子嵌在其中，2．湯姆孫原子模型的示意圖：(如圖8所示)【例3】關(guān)于湯姆孫原子模型的說法正確的是()A．湯姆孫原子模型的提出是以嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的B．湯姆孫認(rèn)為原子是實(shí)心的C．湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子后猜想出原子內(nèi)的正電荷集中在原子的中心D．湯姆孫通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子答案B解析湯姆孫原子模型是在一定的實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)上假想出來的，不是以嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的，A錯(cuò)誤；湯姆孫認(rèn)為，原子是球體，原子帶正電的部分應(yīng)充斥整個(gè)原子，很小很輕的電子鑲嵌在球體的某些固定位置，正像葡萄干嵌在面包中那樣，所以B正確，C錯(cuò)誤；湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子，并沒有發(fā)現(xiàn)質(zhì)子，D錯(cuò)誤.陰極射線1．如圖9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()圖9A．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)答案D解析由安培定則判斷陰極射線所在處磁場(chǎng)垂直紙面向外，電子從負(fù)極端射出，由左手定則，可判定陰極射線(電子)向上偏轉(zhuǎn)，故D對(duì)．2.如圖10所示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下(z軸負(fù)方向)偏轉(zhuǎn)，在下列措施中可采用的是()圖10A．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軸正方向答案B解析由于電子沿x軸正方向運(yùn)動(dòng)，若所受洛倫茲力向下，使電子射線向下偏轉(zhuǎn)，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．湯姆孫原子模型3．(多選)下列說法正確的是()A．湯姆孫研究陰極射線，用測(cè)定粒子比荷的方法發(fā)現(xiàn)了電子B．電子的發(fā)現(xiàn)證明了原子是可分的C．湯姆孫認(rèn)為原子里面帶正電荷的物質(zhì)應(yīng)充斥整個(gè)原子，而帶負(fù)電的電子，則鑲嵌在球體的某些固定位置D．湯姆孫原子模型是正確的答案ABC解析通過物理學(xué)史可得，選項(xiàng)A正確；根據(jù)電子發(fā)現(xiàn)的重要意義可得，選項(xiàng)B正確；選項(xiàng)C描述的是湯姆孫原子模型，選項(xiàng)C正確；湯姆孫原子模型本身是錯(cuò)的，選項(xiàng)D錯(cuò)誤．電子比荷的測(cè)定4.如圖11所示，讓一束均勻的陰極射線從兩極板正中間垂直穿過正交的電磁場(chǎng)，選擇合適的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和兩極之間的電壓U，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)，并垂直打到極板上，兩極板之間的距離為d，求陰極射線中帶電粒子的比荷．圖11答案eq\f(2U,B2d2)解析設(shè)陰極射線粒子的電荷量為q，質(zhì)量為m，則在電磁場(chǎng)中由平衡條件得：qeq\f(U,d)＝qvB①撤去電場(chǎng)后，由牛頓第二定律得qvB＝eq\f(mv2,R)②R＝eq\f(d,2)③解①②③得：eq\f(q,m)＝eq\f(2U,B2d2).(時(shí)間：60分鐘)題組一對(duì)陰極射線的理解1．(多選)關(guān)于陰極射線，下列說法正確的是()A．陰極射線帶負(fù)電B．陰級(jí)射線帶正電C．陰級(jí)射線的比荷比氫原子的比荷大D．陰極射線的比荷比氫原子的比荷小答案AC解析由陰極射線在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)方向可判斷其帶負(fù)電，A對(duì)；湯姆孫用實(shí)驗(yàn)測(cè)定，陰極射線比荷是氫原子比荷的近兩千倍，C對(duì)．2．(多選)關(guān)于陰極射線，下列說法正確的是()A．陰極射線就是稀薄氣體導(dǎo)電的輝光放電現(xiàn)象B．陰極射線是由陰極發(fā)出的電子流C．陰極射線是組成物體的原子D．陰極射線沿直線傳播，但可被電場(chǎng)、磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)答案BD解析陰極射線是由陰極發(fā)出的電子流，B正確，A錯(cuò)誤；電子是原子的組成部分，C錯(cuò)誤；電子可被電場(chǎng)、磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，D正確．3．陰極射線管中加高電壓的作用是()A．使管內(nèi)的氣體電離B．使陰極發(fā)出陰極射線C．使管內(nèi)障礙物的電勢(shì)升高D．使管內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)，電場(chǎng)力做功使電子加速答案D解析在陰極射線管中，陰極射線是由陰極處于熾熱狀態(tài)而發(fā)射出的電子流，B錯(cuò)；發(fā)射出的電子流通過高電壓加速后，獲得較高的能量，與玻璃管壁發(fā)生撞擊而產(chǎn)生熒光，故A、C錯(cuò)，D正確．4．湯姆孫通過測(cè)定組成陰極射線的粒子的比荷發(fā)現(xiàn)了________，從而說明原子內(nèi)部有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)．密立根通過油滴實(shí)驗(yàn)測(cè)定了電子的________．答案電子電荷量題組二電子及電子比荷的測(cè)定5．關(guān)于電荷的電荷量，下列說法錯(cuò)誤的是()A．電子的電荷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1.6×10－19D．物體所帶的電荷量都是元電荷的整數(shù)倍答案B解析密立根的油滴實(shí)驗(yàn)測(cè)出了電子的電荷量為1.6×10－19C，并提出了電荷量子化的觀點(diǎn)，因而A、C對(duì)，B錯(cuò)；任何物體的電荷量都是e的整數(shù)倍，故D對(duì)6．(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1A．若在D1、D2之間不加電場(chǎng)和磁場(chǎng)，則陰極射線應(yīng)打到最右端的P1點(diǎn)B．若在D1、D2之間加上豎直向下的電場(chǎng)，則陰極射線應(yīng)向下偏轉(zhuǎn)C．若在D1、D2之間加上豎直向下的電場(chǎng)，則陰極射線應(yīng)向上偏轉(zhuǎn)D．若在D1、D2之間加上垂直紙面向里的磁場(chǎng)，則陰極射線不偏轉(zhuǎn)答案AC解析實(shí)驗(yàn)證明，陰極射線是電子流，它在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)偏向帶正電的極板一側(cè)，可知選項(xiàng)C正確，選項(xiàng)B錯(cuò)誤．加上垂直紙面向里的磁場(chǎng)時(shí)，電子在磁場(chǎng)中受洛倫茲力，要發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因而選項(xiàng)D錯(cuò)誤．當(dāng)不加電場(chǎng)和磁場(chǎng)時(shí)，電子所受的重力可以忽略不計(jì)，因而不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，選項(xiàng)A正確．7.密立根油滴實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了電子的存在，揭示了電荷的非連續(xù)性．如圖2所示是密立根油滴實(shí)驗(yàn)的原理示意圖，設(shè)小油滴的質(zhì)量為m，調(diào)節(jié)兩極板間的電勢(shì)差U，當(dāng)小油滴懸浮不動(dòng)時(shí)，測(cè)出兩極板間的距離為d.則可求出小油滴的電荷量q＝________.圖2答案eq\f(mgd,U)解析由平衡條件得mg＝qeq\f(U,d)，解得q＝eq\f(mgd,U).8．為了測(cè)定帶電粒子的比荷eq\f(q,m)，讓這個(gè)帶電粒子垂直電場(chǎng)方向飛進(jìn)平行金屬板間，已知?jiǎng)驈?qiáng)電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)為E，在通過長(zhǎng)為L(zhǎng)的兩金屬板間后，測(cè)得偏離入射方向的距離為d，如果在兩板間加垂直于電場(chǎng)方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向垂