2019年高中物理 第2章 第1、2節(jié) 電子的發(fā)現(xiàn)與湯姆孫模型 原子的核式結(jié)構(gòu)模型學(xué)案 魯科版選修3-5

《2019年高中物理 第2章 第1、2節(jié) 電子的發(fā)現(xiàn)與湯姆孫模型 原子的核式結(jié)構(gòu)模型學(xué)案 魯科版選修3-5》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2019年高中物理 第2章 第1、2節(jié) 電子的發(fā)現(xiàn)與湯姆孫模型 原子的核式結(jié)構(gòu)模型學(xué)案 魯科版選修3-5（10頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、電子的發(fā)現(xiàn)與湯姆孫模型 原子的核式結(jié)構(gòu)模型　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1.英國科學(xué)家湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子，并測出其比荷。 2．α粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果：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(jìn)，但有少數(shù)α粒子 發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，有極少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)角超過了 90°，有的甚至被原路彈回。 3．盧瑟福原子模型(核式結(jié)構(gòu)模型)：在原子的中心 有一個(gè)很小的核叫原子核，原子的所有正電荷和幾 乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核 外空間里繞核旋轉(zhuǎn)。 1．物質(zhì)結(jié)構(gòu)的早期探究和電子的發(fā)現(xiàn) (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

2、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。 (4)陰極射線的發(fā)現(xiàn)：研究稀薄氣體放電時(shí)，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。 (5)湯姆孫的研究：1897年，英國科學(xué)家湯姆孫設(shè)計(jì)了一個(gè)巧妙實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中通過靜電偏轉(zhuǎn)力和磁場偏轉(zhuǎn)力相抵消等方法，確定了陰極射線粒子的速度，測量出了射線粒子的比荷，證明陰極射線的電荷與氫離子的電荷大小基本相同，計(jì)算出陰極射線的質(zhì)量是氫離子質(zhì)量的。湯姆孫將這種帶電粒子稱為電子。 (6

3、)湯姆孫原子模型：原子帶正電的部分充斥整個(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。 2．α粒子散射實(shí)驗(yàn) 裝置 現(xiàn)象 絕大多數(shù)α粒子不改變方向 少數(shù)α粒子發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn) 極少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)角超過90°，有的甚至被原路彈回 原因 靠近原子核的α粒子受庫侖力作用使其發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn) 結(jié)論 原子中存在體積很小的帶正電的部分 1．自主思考——判一判 (1)19世紀(jì)初期形成的原子論觀點(diǎn)認(rèn)為原子是構(gòu)成物質(zhì)的最小顆粒是不可分的。(√) (2)電子的發(fā)現(xiàn)，說明原子具有一定的結(jié)構(gòu)。(√) (3)α粒子散射實(shí)驗(yàn)主要實(shí)驗(yàn)

4、器材有：放射源、金箔、熒光屏、顯微鏡。(√) (4)金箔的厚薄對實(shí)驗(yàn)無影響。(×) (5)α粒子大角度的偏轉(zhuǎn)是電子造成的。(×) (6)原子內(nèi)部正電荷是均勻分布的。(×) (7)原子的幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核內(nèi)。(√) 2．合作探究——議一議 (1)為什么湯姆孫要通過電場和磁場研究陰極射線？ 提示：當(dāng)時(shí)對陰極射線本質(zhì)的認(rèn)識存在兩種認(rèn)識：一是認(rèn)為是帶電粒子，二是認(rèn)為是以太波。而湯姆孫認(rèn)為陰極射線是帶電粒子，而帶電粒子可受電場力和磁場力。 (2)盧瑟福的原子模型是如何解釋α粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果的？ 提示：α粒子穿過原子時(shí)，如果離核較遠(yuǎn)，受到的庫侖斥力很小，運(yùn)動(dòng)方向也改變很小。只有當(dāng)

5、α粒子十分接近核時(shí)，才受到很大的庫侖斥力，發(fā)生大角度的偏轉(zhuǎn)。由于核很小，α粒子十分接近的機(jī)會很小，所以絕大多數(shù)α粒子基本上仍沿原方向前進(jìn)，只有極少數(shù)發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。 陰極射線的研究 1．陰極射線 (1)氣體的電離和導(dǎo)電：通常情況下，氣體是不導(dǎo)電的，但在強(qiáng)電場中， 氣體能夠被電離而導(dǎo)電。 (2)輝光放電現(xiàn)象：在研究氣體放電時(shí)一般都用稀薄氣體，稀薄氣體導(dǎo)電時(shí)玻璃管中可以看到輝光放電現(xiàn)象，這是由于玻璃受到陰極射線的撞擊而引發(fā)熒光。 2．電子的發(fā)現(xiàn) (1)湯姆孫在研究陰極射線時(shí)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示： (2)實(shí)驗(yàn)過程和方法： ①從高壓電場的陰極發(fā)出的陰極射線，穿過C1C

6、2后沿直線打在熒光屏A′上。 ②當(dāng)在平行極板上只加一如圖所示的電場，發(fā)現(xiàn)陰極射線打在熒光屏上的位置向下偏，則可判定，陰極射線帶有負(fù)電荷。 ③為使陰極射線不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，需要在平行極板區(qū)域加一磁場，且磁場方向垂直紙面向外。當(dāng)滿足條件qvB＝qE時(shí)，陰極射線不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，則v＝。 ④使電場強(qiáng)度為0，帶電粒子在磁場區(qū)內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)洛倫茲力提供向心力，即qvB＝m。將v＝代入可得：＝。測量結(jié)果大約是1011 C/kg。 (3)實(shí)驗(yàn)結(jié)論： 用不同材料的陰極和不同的方法做實(shí)驗(yàn)，所得比荷的數(shù)值是相等的。這說明，這種粒子是構(gòu)成各種物質(zhì)的共有成分，并由實(shí)驗(yàn)測得的陰極射線粒子的比荷是氫離子比荷的近兩千倍。湯姆

7、孫把新發(fā)現(xiàn)的這種粒子稱之為電子。 [例1]　在湯姆孫測陰極射線比荷的實(shí)驗(yàn)中，采用了如圖所示的陰極射線管，從C出來的陰極射線經(jīng)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(xiàn)熒光斑。若在D、G間加上方向向下、場強(qiáng)為E的勻強(qiáng)電場，陰極射線將向上偏轉(zhuǎn)；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(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)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，陰極射線向下偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角為θ。試解決下列問題： (1)說明陰極射線的電性； (2)說明圖中磁場的方向； (3)根據(jù)L、E、B和θ，求出陰極射線的比荷。 [思路點(diǎn)撥]　兩板間只加

8、電場時(shí)電子在電場力作用下做類平拋運(yùn)動(dòng)，同時(shí)加上電場和磁場后電場力和洛倫茲力相等，做勻速直線運(yùn)動(dòng)，只加磁場時(shí)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。 [解析]　(1)由于陰極射線向上偏轉(zhuǎn)，因此受電場力方向向上；又由于勻強(qiáng)電場方向向下，則電場力的方向與電場方向相反，所以陰極射線帶負(fù)電。 (2)由于所加磁場使陰極射線受到向下的洛倫茲力，由左手定則得磁場的方向垂直紙面向里。 (3)設(shè)此射線帶電荷量為q，質(zhì)量為m，當(dāng)射線在D、G間做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，由平衡條件得qE＝Bqv 當(dāng)射線在D、G間的磁場中偏轉(zhuǎn)時(shí)，由洛倫茲力提供向心力得Bqv＝ 由幾何關(guān)系得L＝rsin θ 解得＝。 [答案]　(1)負(fù)電　(2)垂直紙面向

9、里　(3) (1)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，要注意確定圓心位置，利用幾何關(guān)系求出半徑。 (2)洛倫茲力提供向心力，列出牛頓第二定律方程求解問題?！　　　? 1．英國物理學(xué)家湯姆孫通過對陰極射線的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)(　　) A．陰極射線在電場中偏向正極板一側(cè) 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(chǎn)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 解析：選A　湯姆孫利用其設(shè)計(jì)的陰極射線管，將不同的氣體充入管內(nèi)，用多種不同的金屬分別制成陰極，結(jié)果證明比荷大體相同，C錯(cuò)；湯姆孫和他的學(xué)生通過測量得知陰極射線粒子的電荷量與氫離子的

10、電荷量大小基本相同，D錯(cuò)；陰極射線帶負(fù)電，A對，B錯(cuò)。 2.[多選]如圖所示，一只陰極射線管，左側(cè)不斷有電子射出，若在管的正下方放一通電直導(dǎo)線AB時(shí)，發(fā)現(xiàn)射線徑跡向下偏轉(zhuǎn)，則(　　) A．導(dǎo)線中的電流由A流向B B．若要使電子束的徑跡往上偏轉(zhuǎn)，可以通過改變AB中的電流方向來實(shí)現(xiàn) C．電子束的徑跡與AB中的電流方向無關(guān) D．若將直導(dǎo)線AB放在管的正上方，電流方向不變，則電子束的徑跡將向上偏 解析：選BD　陰極射線是高速電子流，由左手定則判斷可知，磁場垂直紙面向里，由安培定則可知，導(dǎo)線AB中的電流由B流向A，且改變AB中的電流方向時(shí)可以使電子束的軌跡往上偏。若電流方向不變，將導(dǎo)線AB

11、放在管的上方，由左手定則可以判斷，電子束的軌跡將向上偏。故B、D均正確。 對α粒子散射實(shí)驗(yàn)的理解 1．α粒子的散射實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識 (1)α粒子在穿過原子時(shí)，所受周圍的正、負(fù)電荷作用的庫侖力是平衡的，α粒子不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 (2)α粒子正對著電子射來，質(zhì)量遠(yuǎn)小于α粒子的電子不可能使α粒子發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，更不可能使它反彈。 (3)熟練記憶α粒子散射實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，重點(diǎn)把握幾個(gè)關(guān)鍵詞：“絕大多數(shù)”“少數(shù)”“甚至”等。 (4)α粒子散射實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象和結(jié)果，只能推測出原子的結(jié)構(gòu)，不能證明原子及原子核的組成。 2．原子的核式結(jié)構(gòu)模型對α粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋 (1)當(dāng)α粒子穿過原子時(shí)，如

12、果離核較遠(yuǎn)，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(yùn)動(dòng)方向改變很小。因?yàn)樵雍撕苄?，所以絕大多數(shù)α粒子不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 (2)只有當(dāng)α粒子十分接近原子核穿過時(shí)，才受到很大的庫侖力作用，發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，而這種機(jī)會很少，所以有少數(shù)粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)。 (3)如果α粒子正對著原子核射來，偏轉(zhuǎn)角幾乎達(dá)到180°，這種機(jī)會極少，如圖所示，所以極少數(shù)粒子的偏轉(zhuǎn)角度甚至大于90°。 [例2]　[多選]關(guān)于α粒子散射實(shí)驗(yàn)的下述說法中正確的是(　　) A．在實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象是絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后，仍沿原來方向前進(jìn)，少數(shù)發(fā)生了較大偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)偏轉(zhuǎn)角超過90°，有的甚至被彈

13、回 B．使α粒子發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)的力是來自帶負(fù)電的核外電子；當(dāng)α粒子接近電子時(shí)，是電子的吸引力使之發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn) C．實(shí)驗(yàn)表明原子中心有一個(gè)極小的核，它占有原子體積的極小部分 D．實(shí)驗(yàn)表明原子中心的核帶有原子的全部正電荷及全部質(zhì)量 [思路點(diǎn)撥]　正確理解α粒子散射實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象、結(jié)論和原子核式結(jié)構(gòu)模型的理論基礎(chǔ)。 [解析]　關(guān)于盧瑟福α粒子散射實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象主要是理解性地記住結(jié)論，此實(shí)驗(yàn)分析推理路線如下： 故A、C正確。 [答案]　AC (1)α粒子散射實(shí)驗(yàn)中，絕大部分α粒子不偏轉(zhuǎn)，說明原子內(nèi)部絕大部分是空的。 (2)有少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，這一定不是電子作用的結(jié)果，而是原子中

14、質(zhì)量大的部分作用的結(jié)果。 (3)大角度偏轉(zhuǎn)的α粒子數(shù)很少，說明原子中質(zhì)量大的部分體積很小，只有少數(shù)α粒子接近這部分時(shí)，才發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)?！　　　? 1．[多選]盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)理論的主要內(nèi)容有(　　) A．原子的中心有個(gè)核，叫原子核 B．原子的正電荷均勻分布在整個(gè)原子中 C．原子的全部正電荷和幾乎全部的質(zhì)量都集中在原子核里 D．帶負(fù)電的電子在核外繞核旋轉(zhuǎn) 解析：選ACD　由盧瑟福依據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)建立的原子的核式結(jié)構(gòu)模型可知，A、C、D正確。 2．在α粒子散射實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)具有相同能量的α粒子由不同的角度散射出去，如果只考慮原子核的散射情況，散射角度大的那個(gè)α粒子將

15、(　　) A．更接近原子核 B．更遠(yuǎn)離原子核 C．可能更接近也可能更遠(yuǎn)離原子核 D．無法判斷 解析：選A　動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電勢能的部分越多，則該α粒子離核越近，庫侖力對α粒子的沖量越大，動(dòng)量變化量越大，散射角度越大。選項(xiàng)A正確。 對原子核式結(jié)構(gòu)模型的分析 湯姆孫的原子結(jié)構(gòu)模型與盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型對比 湯姆孫的 葡萄干面包模型 盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型 分布 情況 正電荷和質(zhì)量均勻分布，負(fù)電荷鑲嵌在其中 正電荷和幾乎全部質(zhì)量集中在原子中心的一個(gè)極小核內(nèi)，電子質(zhì)量很小，分布在很大空間內(nèi) 受力 情況 α粒子在原子內(nèi)部時(shí)，受到的庫侖斥力相互抵消，幾

16、乎為零 少數(shù)靠近原子核的α粒子受到的庫侖力大，而大多數(shù)離核較遠(yuǎn)的α粒子受到的庫侖力較小 偏轉(zhuǎn) 情況 不會發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，更不會被彈回 絕大多數(shù)α粒子運(yùn)動(dòng)方向不變，少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)角度超過90°，有的甚至被彈回 分析 結(jié)論 不符合α粒子散射現(xiàn)象 符合α粒子散射現(xiàn)象 [例3]　在α粒子散射實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)α粒子與原子核發(fā)生對心碰撞時(shí)能達(dá)到的最小距離可以估算原子核的大小?，F(xiàn)有一個(gè)α粒子以2.0×107 m/s的速度去轟擊金箔，若金原子的核電荷數(shù)為79。求α粒子與金原子核間的最近距離(已知帶電粒子在點(diǎn)電荷電場中的電勢能表達(dá)式為Ep＝k，r為距點(diǎn)電荷的距

17、離。α粒子質(zhì)量為6.64×10－27 kg)。 [思路點(diǎn)撥]　解答本題應(yīng)把握以下三點(diǎn)： (1)明確α粒子的運(yùn)動(dòng)為沿粒子與原子核連線的直線運(yùn)動(dòng)。 (2)當(dāng)動(dòng)能減為零時(shí)，電勢能最大，離原子核最近。 (3)原子核的大小應(yīng)該比最近距離小一些。 [解析]　當(dāng)α粒子靠近原子核運(yùn)動(dòng)時(shí)，α粒子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電勢能，達(dá)到最近距離時(shí)，動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為電勢能，設(shè)α粒子與原子核發(fā)生對心碰撞時(shí)所能達(dá)到的最小距離為d，則mv2＝k。 d＝＝ m ＝2.7×10－14 m。 [答案]　2.7×10－14 m 估算原子核大小的方法 (1)應(yīng)該選擇與被測原子核發(fā)生對心碰撞的α粒子為研究對象。 (2)根據(jù)能

18、量守恒原理知，當(dāng)α粒子的動(dòng)能減小為零時(shí)，其電勢能最大，此時(shí)α粒子與被測原子核的距離最近，如果已知α粒子的質(zhì)量和速度，即可求得被測原子核的大小。 (3)要注意原子核的實(shí)際大小應(yīng)該比通過這種方法求得的原子核的大小要小?！　　　? 1.如圖所示，根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)，盧瑟福提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型。圖中虛線表示原子核所形成的電場的等勢線，實(shí)線表示一個(gè)α粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。在α粒子從a運(yùn)動(dòng)到b，再運(yùn)動(dòng)到c的過程中，下列說法中正確的是(　　) A．動(dòng)能先增大，后減小 B．電勢能先減小，后增大 C．電場力先做負(fù)功，后做正功，總功等于零 D．加速度先變小，后變大 解析：選C　根據(jù)盧瑟福提出

19、的核式結(jié)構(gòu)模型，原子核集中了原子的全部正電荷，即原子核外的電場分布與正點(diǎn)電荷電場類似。α粒子從a運(yùn)動(dòng)到b，電場力做負(fù)功，動(dòng)能減小，電勢能增大；從b運(yùn)動(dòng)到c，電場力做正功，動(dòng)能增大，電勢能減??；a、c在同一條等勢線上，則電場力做的總功等于零，C正確，A、B錯(cuò)誤；a、b、c三點(diǎn)的場強(qiáng)大小關(guān)系Ea＝Ec＜Eb，故α粒子的加速度先變大，后變小，D錯(cuò)誤。 2．已知電子質(zhì)量為m，電荷量為e。當(dāng)氫原子核外的電子繞核旋轉(zhuǎn)時(shí)的軌道半徑為r時(shí)，求電子繞核運(yùn)行的速度、頻率、動(dòng)能和等效電流強(qiáng)度。 解析：由庫侖力提供向心力F向＝F庫＝＝m， 得速度v＝e ，頻率f＝＝＝ ， 動(dòng)能Ek＝mv2＝， 等效電流強(qiáng)度I＝＝ef＝ 。 答案：見解析 10