人教版高中物理選修3-5學案第十八章學案12

1電子的發(fā)現(xiàn)2原子的核式結構模型[學習目標]1.知道陰極射線是由電子組成的，電子是原子的組成部分，知道電子的電荷量和比荷.2.了解湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子的研究方法及蘊含的科學思想，領會電子的發(fā)現(xiàn)對揭示原子結構的重大意義.3.知道α粒子散射實驗的實驗器材、實驗原理和實驗現(xiàn)象.4.知道盧瑟福的原子核式結構模型的主要內容，能說出原子核的數(shù)量級．一、陰極射線電子的發(fā)現(xiàn)[導學探究](1)在圖1所示的演示實驗中，K是金屬板制成的陰極，A是金屬環(huán)制成的陽極．K和A之間加上近萬伏的高電壓后，玻璃管壁上觀察到什么現(xiàn)象？該現(xiàn)象說明了什么問題？圖1答案玻璃管壁上觀察到淡淡的熒光及管中物體在玻璃管壁上的影，這說明陰極能夠發(fā)出某種射線，并且撞擊玻璃引起熒光．(2)人們對陰極射線的本質的認識有兩種觀點，一種觀點認為是電磁輻射，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或磁場，若射線垂直于磁場方向通過磁場后發(fā)生了偏轉，則該射線是由帶電微粒組成的．[知識梳理]陰極射線及電子的發(fā)現(xiàn)(1)陰極射線科學家用真空度很高的真空管做放電實驗時，發(fā)現(xiàn)真空管陰極發(fā)射出的一種射線，叫做陰極射線．(2)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．(3)電子的發(fā)現(xiàn)：湯姆孫讓陰極射線分別通過電場或磁場，根據偏轉情況，證明了它的本質是帶負電的粒子流并求出了其比荷．(4)密立根通過著名的“油滴實驗”精確地測出了電子電荷．電子電荷量一般取e＝1.6×10－19_C，電子質量me＝9.1×10－31_kg.[即學即用]關于陰極射線的本質，下列說法正確的是()A．陰極射線本質是氫原子B．陰極射線本質是電磁波C．陰極射線本質是電子D．陰極射線本質是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．二、α粒子散射實驗[導學探究](1)什么是α粒子？(2)α粒子散射實驗裝置由幾部分組成？實驗過程是怎樣的？(3)α粒子散射實驗的實驗現(xiàn)象是怎樣的？(4)少數(shù)α粒子發(fā)生大角度散射的原因是什么？答案(1)α粒子(eq\o\al(4,2)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)實驗裝置：①α粒子源：釙放在帶小孔的鉛盒中，放射出高能α粒子，帶兩個單位的正電荷，質量為氫原子質量的4倍．②金箔：特點是金原子的質量大，且易延展成很薄的箔．③放大鏡：能繞金箔在水平面內轉動．④熒光屏：熒光屏裝在放大鏡上．⑤整個實驗過程在真空中進行．金箔很薄，α粒子很容易穿過．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(shù)目．(3)α粒子散射實驗的實驗現(xiàn)象：絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后，基本上仍沿原來的方向前進，但有少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉，偏轉的角度甚至大于90°.(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、放大鏡、熒光屏等幾部分組成，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(xiàn)象：絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后，基本上仍沿原來的方向前進，但有少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉，偏轉的角度甚至大于90°.(3)α粒子散射實驗的結果用湯姆孫的“棗糕模型”無法解釋．[即學即用](多選)關于α粒子的散射實驗，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E．α粒子穿過原子時，由于α粒子的質量比電子大得多，電子不可能使α粒子的運動方向發(fā)生明顯的改變答案ABCE解析對于D項，考慮到有少數(shù)的α粒子因為靠近金原子核，受到斥力而改變了運動方向，故D錯誤；電子的質量很小，當和α粒子作用時，對α粒子運動的影響極其微小，E正確．三、原子的核式結構模型原子核的電荷與尺寸[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，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①由于原子核很小，大多數(shù)α粒子穿過金箔時都離核很遠，受到的斥力很小，它們的運動幾乎不受影響，幾乎沿直線傳播，不發(fā)生偏轉．②只有極少數(shù)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]對原子核式結構及原子核的認識(1)盧瑟福的核式結構模型：1911年由盧瑟福提出，在原子中心有一個很小的核，叫原子核．它集中了全部的正電荷和幾乎全部的質量，電子在核外空間運動．(2)原子核的電荷與尺度[即學即用](多選)關于原子核式結構理論，下列說法正確的是()A．是通過天然放射性現(xiàn)象得出來的B．原子的中心有個核，叫做原子核C．原子的正電荷均勻分布在整個原子中D．原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外旋轉答案BD解析原子的核式結構理論是在α粒子散射實驗的基礎上提出的，A錯；原子所帶的正電荷都集中在一個很小的核里面，不是均勻分布在原子中，C錯，所以選B、D.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解析陰極射線是由陰極直接發(fā)出的，故A錯誤；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；陰極射線是真空玻璃管內由陰極發(fā)出的射線，C正確．答案CD歸納總結陰極射線的實質是帶負電的電子流，電子在電場(或磁場)中運動時所受的電場力(或洛倫茲力)遠大于其自身的重力，故研究陰極射線在電磁場中的運動時，除題目特別說明外，一般不考慮重力的影響．二、帶電粒子比荷的測定例2電子的比荷最早由美國科學家密立根通過油滴實驗測出，如圖2所示，兩塊水平放置的平行金屬板上、下極板與電源正負極相接，上、下極板分別帶正、負電荷，油滴從噴霧器噴出后，由于摩擦而起電，油滴進入上極板中央小孔后落到勻強電場中，通過顯微鏡可以觀察到油滴的運動，兩金屬板間距為d，不計空氣阻力和浮力．圖2(1)調節(jié)兩板的電勢差u，當u＝U0時，使得某個質量為m1的油滴恰好做勻速直線運動，求油滴所帶的電荷量q為多少？(2)若油滴進入電場時的速度可以忽略，當兩金屬板間的電勢差u＝U時，觀察到某個質量為m2的油滴進入電場后做勻加速運動時，經過時間t運動到下極板，求此油滴的電荷量Q.解析(1)油滴勻速下落過程受到的電場力和重力平衡，由平衡條件得：qeq\f(U0,d)＝m1g，得q＝m1geq\f(d,U0).(2)油滴加速下落，其所帶電荷量為Q，因油滴帶負電，則油滴所受的電場力方向向上，設此時的加速度的大小為a，由牛頓第二定律和運動學公式得：m2g－Qeq\f(U,d)＝m2a，d＝eq\f(1,2)at2，解得Q＝eq\f(m2d,U)(g－eq\f(2d,t2))．答案(1)eq\f(m1gd,U0)(2)eq\f(m2d,U)(g－eq\f(2d,t2))歸納總結解決帶電粒子在電場中運動的三個步驟(1)確定研究對象，并根據題意判斷是否可以忽略帶電粒子的重力．在本題中，油滴是個實物粒子，受重力較大，且題目中強調其在電場中能做勻速直線運動，不能忽略其重力；(2)對研究對象進行受力分析，必要時要畫出力的示意圖；(3)選用恰當?shù)奈锢硪?guī)律列方程求解．三、對α粒子散射實驗的理解例3如圖3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3A．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(shù)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解析α粒子散射實驗現(xiàn)象：絕大多數(shù)α粒子沿原方向前進，少數(shù)α粒子有大角度散射．所以A處觀察到的粒子數(shù)多，B處觀察到的粒子數(shù)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．答案C規(guī)律總結解決這類問題的關鍵是理解并熟記以下兩點：(1)明確實驗裝置中各部分的組成及作用．(2)弄清實驗現(xiàn)象，知道“絕大多數(shù)”、“少數(shù)”和“極少數(shù)”α粒子的運動情況及原因．針對訓練盧瑟福利用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．四、原子的核式結構分析例4(多選)下列對原子結構的認識中，正確的是()A．原子中絕大部分是空的，原子核很小B．電子在核外運動，庫侖力提供向心力C．原子的全部正電荷都集中在原子核里D．原子核的直徑大約為10－10m解析盧瑟福α粒子散射實驗的結果否定了關于原子結構的湯姆孫模型，提出了關于原子的核式結構學說，并估算出原子核直徑的數(shù)量級為10－15m，原子直徑的數(shù)量級為10－10m，原子直徑是原子核直徑的十萬倍，所以原子內部是十分“空曠”的，核外帶負電的電子由于受到帶正電的原子核的吸引而繞核旋轉，所以A、B、C正確，D錯誤．答案ABC歸納總結1．原子核在原子中體積非常?。又睆降臄?shù)量級是10－10m，原子核直徑的數(shù)量級是10－15m.2．掌握原子核的組成及特點.1．(多選)英國物理學家湯姆孫通過對陰極射線的實驗研究發(fā)現(xiàn)()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．湯姆孫并未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．在湯姆孫實驗證實陰極射線就是帶負電的電子流時并未得出電子的電荷量，最早測出電子電荷量的是美國物理學家密立根，D正確．2．(多選)1897年英國物理學家湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子被稱為“電子之父”，下列關于電子的說法正確的是()A．湯姆孫通過陰極射線在電場和磁場中的運動得出了陰極射線是帶負電的粒子的結論，并求出了陰極射線的比荷B．湯姆孫通過對光電效應的研究，發(fā)現(xiàn)了電子C．電子的電荷量是由密立根油滴實驗測得的D．物體所帶電荷量最小值為1.6×10－19C答案ACD3．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．一、選擇題(1～9為單選題，10為多選題)1．歷史上第一個發(fā)現(xiàn)電子的科學家是()A．貝可勒爾 B．道爾頓C．倫琴 D．湯姆孫答案D解析貝可勒爾發(fā)現(xiàn)了天然放射現(xiàn)象，道爾頓提出了原子論，倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子．2．關于陰極射線，下列說法正確的是()A．陰極射線就是很微弱的熒光B．陰極射線是在真空管內由正極放出的電子流C．陰極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C解析陰極射線是真空管中由陰極發(fā)出的電子流，故A、B錯；陰極射線本質是電子流，故其比荷比氫原子比荷大得多，故C正確，D錯誤．3．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極，如圖1所示．若要使射線向上偏轉，所加磁場的方向應為()圖1A．平行于紙面向左 B．平行于紙面向上C．垂直于紙面向外 D．垂直于紙面向里答案C解析由于陰極射線的本質是電子流，陰極射線方向向右，說明電子的運動方向向右，相當于存在向左的電流，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，磁場方向應為垂直于紙面向外，故選項C正確．4．陰極射線管中的高電壓的作用是()A．使管內氣體電離B．使管內產生陰極射線C．使管內障礙物的電勢升高D．使電子加速答案D5．α粒子散射實驗中，使α粒子散射的原因是()A．α粒子與原子核外電子碰撞B．α粒子與原子核發(fā)生接觸碰撞C．α粒子發(fā)生明顯衍射D．α粒子與原子核的庫侖斥力的作用答案D解析α粒子與原子核外的電子的作用是很微弱的，A錯誤．由于原子核的質量和電荷量很大，α粒子與原子核很近時，庫侖斥力很強，足以使α粒子發(fā)生大角度偏轉甚至反向彈回，使α粒子散射的原因是庫侖斥力的作用，B、C錯誤，D正確．6．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；電子質量只有α粒子的eq\f(1,7300)，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．7．盧瑟福提出原子的核式結構模型的依據是用α粒子轟擊金箔，實驗中發(fā)現(xiàn)α粒子()A．全部穿過或發(fā)生很小偏轉B．絕大多數(shù)穿過，只有少數(shù)發(fā)生較大偏轉，有的甚至被彈回C．絕大多數(shù)發(fā)生很大偏轉，甚至被彈回，只有少數(shù)穿過D．全部發(fā)生很大偏轉答案B解析盧瑟福的α粒子散射實驗結果是絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進，故選項A錯誤．α粒子被散射時只有少數(shù)發(fā)生了較大角度偏轉，并且有極少數(shù)α粒子偏轉角超過了90°，有的甚至被彈回，故選項B正確，C、D錯誤．8．如圖所示為盧瑟福α粒子散射實驗的原子核和兩個α粒子的軌跡，其中可能正確的是()答案A解析在α粒子散射實驗中，α粒子十分接近原子核穿過時，受到很大的庫侖力作用，偏轉角度很大，可知只有A項正確．9．盧瑟福和他的助手做α粒子轟擊金箔實驗，獲得了重大發(fā)現(xiàn)．關于α粒子散射實驗的結果，下列說法正確的是()A．證明了質子的存在B．證明了原子核是由質子和中子組成的C．證明了原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在一個很小的核里D．證明了原子中的電子只能在某些軌道上運動答案C解析α粒子散射實驗發(fā)現(xiàn)了原子內存在一個集中了全部正電荷和幾乎全部質量的核，數(shù)年后盧瑟福發(fā)現(xiàn)核內有質子并預測核內存在中子，所以C正確，A、B錯誤．玻爾發(fā)現(xiàn)了電子軌道量子化，D錯誤．10．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)×10－19CB．電子電荷量的精確值是密立根通過“油滴實驗”測出的C．湯姆孫油滴實驗更重要的發(fā)現(xiàn)是：電荷量是量子化的，即任何電荷量只能是e的整數(shù)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解析電子的電荷量是密立根通過“油滴實驗”測出的，A、C錯誤，B正確；測出比荷的值eq\f(e,m)和電子電荷