2018版高中物理第2章原子结构第1节电子的发现与汤姆孙模型教师用书鲁科版选修3_5

第1节电子的发现与汤姆孙模型物质结构的早期探究[先填空]1．古人对物质的认识(1)我国西周的“五行说”认为万物是由金、木、水、火、土5种基本“元素”组成的．(2)古希腊的亚里士多德认为万物的本质是土、水、火、空气四种“元素”，天体则由第五种“元素”——“以太”构成．(3)古希腊哲学家德谟克利特等人建立了早期的原子论，认为宇宙间存在一种或多种微小的实体，叫做“原子”．2．通过实验了解物质的结构(1)1661年，玻意耳以化学实验为基础建立了科学的元素论．(2)19世纪初，道尔顿提出了原子论，认为原子是元素的最小单位．(3)1811年，意大利化学家阿伏伽德罗提出了分子假说，指出分子可以由多个相同的原子组成．3．19世纪初期形成的分子——原子论认为，在物质的结构中存在着分子、原子这样的层次，宏观物质的化学性质决定于分子，而分子则由原子组成．原子是构成物质的不可再分割的最小颗粒，它既不能创生，也不能消灭．[再判断]1．玻意耳认为万物的本质是土、水、火、空气四种元素的元素论．(×)2．阿伏伽德罗提出分子可以由多个原子组成．(√)3．19世纪初期形成的原子论观点认为原子是构成物质的最小颗粒是不可分的．(√) [后思考]试简述道尔顿提出原子论的依据．【提示】18世纪一系列重要的实验结果，如化学反应遵从质量守恒定律，元素形成化合物时遵从定比定律、倍比定律等，启示人们推想物质是由一些不可毁灭的微粒构成的，而且各种不同的元素微粒按照一定的比例形成化合物，在此基础上，19世纪初，道尔顿提出了原子论，认为原子是元素的最小单元．电子的发现及汤姆孙模型[先填空]1．阴极射线：科学家在研究稀薄气体放电时发现，当玻璃管内的气体足够稀薄时，阴极发出一种射线，这种射线能使玻璃管壁发出荧光，这种射线称为阴极射线．2．汤姆孙对阴极射线本质的探究(1)通过实验：巧妙利用静电偏转力和磁场偏转力相抵消等方法，确定了阴极射线粒子的速度，并测量出了粒子的比荷．(2)换用不同材料的阴极和不同的气体，所得粒子的比荷相同，这说明不同物质都能发射这种带电粒子，它是各种物质中共有的成分．3．结论(1)阴极射线是带电粒子流．(2)不同物质都能发射这种带电粒子，它是各种物质中共有的成分，比最轻的氢原子的质量还要小得多，汤姆孙将这种带电粒子称为电子．(3)电子的发现说明原子具有一定的结构，即原子是由电子和其他物质组成的．4．电子发现的意义：电子的发现揭开了认识原子结构的序幕．5．19世纪末微观世界三大发现(1)1895年伦琴发现了X射线；(2)X射线发现后不久，贝克勒尔发现了放射性；(3)1897年汤姆孙发现了电子．6．汤姆孙的原子模型原子带正电的部分充斥整个原子，很小很轻的电子镶嵌在球体的某些固定位置，正像葡萄干嵌在面包中那样．[再判断]1．电子的发现，说明原子具有一定的结构．(√)2．电子是第一种被人类发现的微观粒子．(√)3．电子的发现，是19世纪末的三大著名发现之一．(√)[后思考]为什么汤姆孙要通过电场和磁场研究阴极射线？【提示】当时对阴极射线本质的认识存在两种认识：一是认为是带电粒子，二是认为是以太波．而汤姆孙认为阴极射线是带电粒子，而带电粒子可受电场力和磁场力．[核心点击]1．对阴极射线的认识(1)现象：真空玻璃管两极加上高电压，玻璃管壁上发出荧光及管中物体在玻璃壁上的影．(2)命名：德国物理学家戈德斯坦将阴极发出的射线命名为阴极射线．(3)猜想①阴极射线是一种电磁辐射．②阴极射线是带电微粒．(4)验证：英国物理学家汤姆孙让阴极射线在电场和磁场中偏转，发现阴极射线带负电并测出了粒子的比荷进而发现电子．(5)实验：密立根通过“油滴实验”精确测定了电子的电荷量和电子的质量．2．电子比荷的测定方法(1)让带电粒子通过相互垂直的电场和磁场(如图2­1­1甲)，让其做匀速直线运动，根据二力平衡，即F 洛＝F 电(Bqv ＝qE )，得到粒子的运动速度v ＝E B .甲 乙图2­1­1 (2)撤去电场(如图乙)，保留磁场，让粒子单纯地在磁场中运动，由洛伦兹力提供向心力，即Bqv ＝m v 2r，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径r . (3)由以上两式确定粒子的比荷表达式：q m ＝E B 2r .1．(多选)如图2­1­2所示，一只阴极射线管，左侧不断有电子射出，若在管的正下方放一通电直导线AB 时，发现射线径迹向下偏转，则( ) 【导学号：64772023】图2­1­2A ．导线中的电流由A 流向BB ．若要使电子束的径迹往上偏转，可以通过改变AB 中的电流方向来实现C ．电子束的径迹与AB 中的电流方向无关D ．若将直导线AB 放在管的正上方，电流方向不变，则电子束的径迹将向上偏【解析】 阴极射线是高速电子流，由左手定则判断可知，磁场垂直纸面向里，由安培定则可知，导线AB 中的电流由B 流向A ，且改变AB 中的电流方向时可以使电子束的轨迹往上偏．若电流方向不变，将导线AB 放在管的上方，由左手定则可以判断，电子束的轨迹将向上偏．故B 、D 均正确．【答案】 BD2．带电粒子的比荷q m是一个重要的物理量．某中学物理兴趣小组设计了一个实验，探究电场和磁场对电子运动轨迹的影响，以求得电子的比荷，实验装置如图2­1­3所示．其中两正对极板M 1、M 2之间的距离为d ，极板长度为L .图2­1­3他们的主要实验步骤如下：A ．首先在两极板M 1、M 2之间不加任何电场、磁场，开启阴极射线管电源，发射的电子束从两极板中央通过，在荧光屏的正中心处观察到一个亮点；B ．在M 1、M 2两极板间加合适的电场：加极性如图所示的电压，并逐步调节增大，使荧光屏上的亮点逐渐向荧光屏下方偏移，直到荧光屏上恰好看不见亮点为止，记下此时外加电压为U .请问本步骤的目的是什么？C ．保持步骤B 中的电压U 不变，对M 1、M 2区域加一个大小、方向合适的磁场B ，使荧光屏正中心处重现亮点．试问外加磁场的方向如何？【解析】 步骤B 中电子在M 1、M 2两极板间做类平抛运动，当增大两极板间电压时，电子在两极板间的偏转位移增大．当在荧光屏上看不到亮点时，电子刚好打在下极板M 2靠近荧光屏端的边缘，则d 2＝Uq 2dm ⎝ ⎛⎭⎪⎫L v 2，q m ＝d 2v 2UL 2. 由此可以看出这一步的目的是使粒子在电场中的偏转位移成为已知量，就可以表示出比荷．步骤C 加上磁场后电子不偏转，电场力等于洛伦兹力，且洛伦兹力方向向上，由左手定则可知磁场方向垂直于纸面向外．【答案】 见解析测量带电粒子比荷常用的两种方法方法一：利用磁偏转测比荷，由qvB ＝m v 2R 得q m ＝v BR，只需知道磁感应强度B 、带电粒子的初速度v 和偏转半径R 即可．方法二：利用电偏转测比荷，偏转量y ＝12at 2＝12·qU md ⎝ ⎛⎭⎪⎫L v 2，故q m ＝2ydv 2UL 2.所以在偏转电场U 、d 、L 已知时，只需测量v 和y 即可．学业分层测评(四)(建议用时：45分钟)[学业达标]1．(多选)下列说法正确的是( )A ．汤姆孙研究阴极射线，用测定粒子比荷的方法发现了电子B ．电子的发现证明了原子是可分的C ．汤姆孙认为原子里面带正电荷的物质应充斥整个原子，而带负电的电子，则镶嵌在球体的某些固定位置D ．汤姆孙认为原子里面带正电荷的物质都集中在原子中心一个很小的范围内【解析】 通过物理学史可得，选项A 正确；根据电子发现的重要意义可得，选项B 正确；选项C 描述的是汤姆孙原子模型，选项C 正确，D 错误．【答案】 ABC2．人们对原子结构的认识有一个不断深化的过程，下列先后顺序中符合史实的是( )【导学号：64772091】①道尔顿提出的原子论 ②德谟克利特的古典原子论 ③汤姆孙提出的葡萄干面包原子模型A ．①②③B ．②①③C ．③②①D ．③①②【解析】 对于探索构成物质的最小微粒，古希腊哲学家德谟克利特建立了早期的原子论，19世纪初，道尔顿提出了原子论，汤姆孙发现电子后，提出了葡萄干面包模型，故选项B 正确．【答案】 B3．(多选)汤姆孙对阴极射线的探究，最终发现了电子，由此被称为“电子之父”．关于电子的说法正确的是( )A ．任何物质中均有电子B．不同的物质中具有不同的电子C．电子的质量比最轻的氢原子的质量小得多D．电子是一种粒子，是构成物质的基本单元【解析】汤姆孙对不同材料的阴极发出的射线进行研究，均为相同的粒子——电子，所以选项A正确，选项B错误；电子是构成物质的基本单元，其质量是氢原子质量的11 800故选项C、D均正确．【答案】ACD4．关于阴极射线的本质，下列说法正确的是( ) 【导学号：64772092】A．阴极射线本质是氢原子B．阴极射线本质是电磁波C．阴极射线本质是电子D．阴极射线本质是X射线【解析】汤姆孙经过大量的实验，证明阴极射线是带电的粒子流，并称组成粒子流的粒子为电子，故选C.【答案】 C5．对于电子的发现，以下说法中正确的是( )A．汤姆孙通过对阴极射线的研究，发现了原子B．汤姆孙通过实验测定了阴极射线的比荷值C．密立根通过油滴实验测定了阴极射线的比荷值D．原子的葡萄干面包模型是道尔顿提出的【解析】1897年汤姆孙通过对阴极射线的研究，发现了电子，并测出了电子的比荷，提出了葡萄干面包模型，故选B.【答案】 B6．(多选)关于空气的导电性能，下列说法正确的是( ) 【导学号：64772093】A．空气导电，是因为空气分子中有的带正电，有的带负电，空气分子在强电场作用下向相反方向运动B．空气能够导电，是因为空气分子在射线或强电场作用下电离C．空气密度越大，导电性能越好D．空气越稀薄，越容易发出辉光【解析】空气是由多种气体组成的混合气体，在正常情况下，气体分子不带电(显中性)，是较好的绝缘体．但在射线、受热及强电场作用下，空气分子被电离，才具有导电性能，且空气密度较大时，电离的自由电荷很容易与其他空气分子碰撞，正、负电荷重新复合，难以形成稳定的放电电流，因而电离后的自由电荷在稀薄气体环境中导电性能更好，综上所述，答案为B 、D.【答案】 BD7．如图2­1­4是电子射线管示意图，接通电源后，电子射线由阴极沿x 轴正方向射出，在荧光屏上会看到一条亮线．要使荧光屏上的亮线向下(z 轴负方向)偏转，可以加一磁场，磁场的方向沿________轴正方向，也可以加一电场，电场的方向沿________轴正方向.【导学号：64772024】图2­1­4【解析】 由于电子沿x 轴正方向运动，若所受洛伦兹力向下，使电子射线向下偏转，由左手定则可知磁场方向应沿y 轴正方向；若所加电场使电子射线向下偏转，所受电场力方向向下，则所加电场方向应沿z 轴正方向．【答案】 y z8．如图2­1­5所示，有一混合正离子束先后通过正交电磁场区域Ⅰ和匀强磁场区域Ⅱ，如果这束正离子束在区域Ⅰ中不偏转，进入区域Ⅱ后偏转半径R 相同，则它们一定具有相同的________和________．图2­1­5【解析】 正交电磁场区域Ⅰ实际上是一个速度选择器，这束正离子在区域Ⅰ中均不偏转，说明它们具有相同的速度．在区域Ⅱ中半径相同，R ＝mv qB，所以它们应具有相同的比荷．【答案】 速度 比荷[能力提升]9．(多选)如图2­1­6所示是阴极射线显像管及其偏转线圈的示意图．显像管中有一个阴极，工作时它能发射阴极射线，荧光屏被阴极射线轰击就能发光．安装在管颈的偏转线圈产生偏转磁场，可以使阴极射线发生偏转．下列说法中正确的是( )图2­1­6A ．如果偏转线圈中没有电流，则阴极射线应该打在荧光屏正中的O 点B ．如果要使阴极射线在竖直方向偏离中心，打在荧光屏上A 点，则偏转磁场的方向应该垂直纸面向里C ．如果要使阴极射线在竖直方向偏离中心，打在荧光屏上B 点，则偏转磁场的方向应该垂直纸面向里D ．如果要使阴极射线在荧光屏上的位置由B 点向A 点移动，则偏转磁场磁感应强度应该先由小到大，再由大到小【解析】 偏转线圈中没有电流，阴极射线沿直线运动，打在O 点，A 正确．由阴极射线的电性及左手定则可知B 错误，C 正确．由R ＝mv qB可知，B 越小，R 越大，故磁感应强度应先由大变小，再由小变大，故D 错误．【答案】 AC10．(多选)如图2­1­7所示是汤姆生的气体放电管的示意图，下列说法中正确的是( )【导学号：64772025】汤姆生的气体放电管的示意图图2­1­7A ．若在D 1、D 2之间不加电场和磁场，则阴极射线应打到最右端的P 1点B ．若在D 1、D 2之间加上竖直向下的电场，则阴极射线应向下偏转C ．若在D 1、D 2之间加上竖直向下的电场，则阴极射线应向上偏转D ．若在D 1、D 2之间加上垂直纸面向里的磁场，则阴极射线打到右端的P 2点【解析】 实验证明，阴极射线是电子，它在电场中偏转时应偏向带正电的极板一侧，可知选项C 正确，选项B 的说法错误．加上磁场时，电子在磁场中受洛伦兹力，要发生偏转，因而选项D 正确．当不加电场和磁场时，由于电子所受的重力可以忽略不计，因而不发生偏转，选项A 的说法正确．【答案】 ACD11．为测定带电粒子的比荷q m，让这个带电粒子垂直飞进平行金属板间，已知匀强电场的场强为E ，在通过长为L 的两金属板间后，测得偏离入射方向的距离为d ，如果在两板间加垂直电场方向的匀强磁场，磁场方向垂直粒子的入射方向，磁感应强度为B ，则离子恰好不偏离原来方向，求比荷q m 的值为多少？【解析】 只加电场时，在垂直电场方向d ＝12(Eq m )(L v 0)2 加磁场后，粒子做直线运动，则qv 0B ＝Eq ，即v 0＝E B .联立解得：q m ＝2dE B 2L 2. 【答案】 2dE B 2L 212．如图2­1­8所示为美国物理学家密立根测量油滴所带电荷量装置的截面图，两块水平放置的金属板间距为d ，油滴从喷雾器的喷嘴喷出时，由于与喷嘴摩擦而带负电，油滴散布在油滴室中，在重力作用下，少数油滴通过上面金属板的小孔进入平行金属板间，当平行金属板间不加电压时，由于受到气体阻力的作用，油滴最终以速度v 1竖直向下匀速运动；当上板带正电，下板带负电，两板间的电压为U 时，带电油滴恰好能以速度v 2竖直向上匀速运动．已知油滴在极板间运动时所受气体阻力的大小与其速率成正比，油滴密度为ρ，已测量出油滴的直径为D (油滴可看作球体，球体体积公式V ＝16πD 3)，重力加速度为g .图2­1­8(1)设油滴受到气体的阻力f ＝kv ，其中k 为阻力系数，求k 的大小；(2)求油滴所带电荷量．【解析】 (1)油滴速度为v 1时所受阻力f 1＝kv 1，油滴向下匀速运动时，重力与阻力平衡，有f 1＝mgm ＝ρV ＝16πρD 3，则k ＝16v 1πρD 3g . (2)设油滴所带电荷量为q ，油滴受到的电场力为F 电＝qE ＝q U d油滴向上匀速运动时，阻力向下，油滴受力平衡，则kv 2＋mg ＝q U d油滴所带电荷量为 q ＝ρπD 3gd v 1＋v 2 6Uv 1. 【答案】 (1)16v 1πρD 3g (2)ρπD 3gd v 1＋v 2 6Uv 1。