2017-2018學(xué)年高二物理魯科版選修3-5教師用書：第2章 第1節(jié) 電子的發(fā)現(xiàn)與湯姆孫模型 Word版含解析

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1、 第1節(jié)　電子的發(fā)現(xiàn)與湯姆孫模型 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識(shí) 脈 絡(luò) 1.了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)早期探究的基本歷程． 2．知道陰極射線的產(chǎn)生及其本質(zhì)，理解湯姆孫對(duì)陰極射線研究的方法及電子發(fā)現(xiàn)的意義．(重點(diǎn)、難點(diǎn)) 3．了解湯姆孫原子模型．(重點(diǎn)) 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)我國西周的“五行說”認(rèn)為萬物是由金、木、水、火、土5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)為宇宙間存在一種或多種

2、微小的實(shí)體，叫做“原子”． 2．通過實(shí)驗(yàn)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． 3．19世紀(jì)初期形成的分子——原子論認(rèn)為，在物質(zhì)的結(jié)構(gòu)中存在著分子、原子這樣的層次，宏觀物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)決定于分子，而分子則由原子組成．原子是構(gòu)成物質(zhì)的不可再分割的最小顆粒，它既不能創(chuàng)生，也不能消滅． 1．玻意耳認(rèn)為萬物的本質(zhì)是土、水、火、空氣四種元素的元素論．(×) 2．阿伏伽德羅提出分子可以由多個(gè)原子

3、組成．(√) 3．19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．(√) 試簡述道爾頓提出原子論的依據(jù)． 【提示】　18世紀(jì)一系列重要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如化學(xué)反應(yīng)遵從質(zhì)量守恒定律，元素形成化合物時(shí)遵從定比定律、倍比定律等，啟示人們推想物質(zhì)是由一些不可毀滅的微粒構(gòu)成的，而且各種不同的元素微粒按照一定的比例形成化合物，在此基礎(chǔ)上，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元． 電 子 的 發(fā) 現(xiàn) 及 湯 姆 孫 模 型 1．陰極射線：科學(xué)家在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

4、線稱為陰極射線． 2．湯姆孫對(duì)陰極射線本質(zhì)的探究 (1)通過實(shí)驗(yàn)：巧妙利用靜電偏轉(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，并測量出了粒子的比荷． (2)換用不同材料的陰極和不同的氣體，所得粒子的比荷相同，這說明不同物質(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． 3．結(jié)論 (1)陰極射線是帶電粒子流． (2)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，比最輕的氫原子的質(zhì)量還要小得多，湯姆孫將這種帶電粒子稱為電子． (3)電子的發(fā)現(xiàn)說明原子具有一定的結(jié)構(gòu)，即原子是由電子和其他物質(zhì)組成的． 4．電子發(fā)現(xiàn)的意義：電子的發(fā)現(xiàn)揭開了認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)的序幕． 5

5、．19世紀(jì)末微觀世界三大發(fā)現(xiàn) (1)1895年倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線；(2)X射線發(fā)現(xiàn)后不久，貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了放射性；(3)1897年湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子． 6．湯姆孫的原子模型 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． 1．電子的發(fā)現(xiàn)，說明原子具有一定的結(jié)構(gòu)．(√) 2．電子是第一種被人類發(fā)現(xiàn)的微觀粒子．(√) 3．電子的發(fā)現(xiàn)，是19世紀(jì)末的三大著名發(fā)現(xiàn)之一．(√) 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(duì)陰極射線本質(zhì)的認(rèn)識(shí)存在兩種認(rèn)識(shí)：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

6、，而帶電粒子可受電場力和磁場力． 1．對(duì)陰極射線的認(rèn)識(shí) (1)現(xiàn)象：真空玻璃管兩極加上高電壓，玻璃管壁上發(fā)出熒光及管中物體在玻璃壁上的影． (2)命名：德國物理學(xué)家戈德斯坦將陰極發(fā)出的射線命名為陰極射線． (3)猜想 ①陰極射線是一種電磁輻射． ②陰極射線是帶電微粒． (4)驗(yàn)證：英國物理學(xué)家湯姆孫讓陰極射線在電場和磁場中偏轉(zhuǎn)，發(fā)現(xiàn)陰極射線帶負(fù)電并測出了粒子的比荷進(jìn)而發(fā)現(xiàn)電子． (5)實(shí)驗(yàn)：密立根通過“油滴實(shí)驗(yàn)”精確測定了電子的電荷量和電子的質(zhì)量． 2．電子比荷的測定方法 (1)讓帶電粒子通過相互垂直的電場和磁場(如圖2-1-1甲)，讓其做勻速直線運(yùn)動(dòng)，根據(jù)二力平衡

7、，即F洛＝F電(Bqv＝qE)，得到粒子的運(yùn)動(dòng)速度v＝. 　 甲　　　　　　　　乙 圖2-1-1 (2)撤去電場(如圖乙)，保留磁場，讓粒子單純地在磁場中運(yùn)動(dòng)，由洛倫茲力提供向心力，即Bqv＝m，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：＝. 1．(多選)如圖2-1-2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(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：64772023】 圖2-1-2 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

8、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】　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． 【答案】　BD 2．帶電粒子的比荷是一個(gè)重要的物理量．某中學(xué)物理興趣小組設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，探究電場和磁場對(duì)電子運(yùn)動(dòng)軌跡的影響，以求得電子的比荷，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2-1-3所示．其中兩正對(duì)極板M1、M2之間的距離為d，極板長度為L.

9、 圖2-1-3 他們的主要實(shí)驗(yàn)步驟如下： A．首先在兩極板M1、M2之間不加任何電場、磁場，開啟陰極射線管電源，發(fā)射的電子束從兩極板中央通過，在熒光屏的正中心處觀察到一個(gè)亮點(diǎn)； B．在M1、M2兩極板間加合適的電場：加極性如圖所示的電壓，并逐步調(diào)節(jié)增大，使熒光屏上的亮點(diǎn)逐漸向熒光屏下方偏移，直到熒光屏上恰好看不見亮點(diǎn)為止，記下此時(shí)外加電壓為U.請(qǐng)問本步驟的目的是什么？ C．保持步驟B中的電壓U不變，對(duì)M1、M2區(qū)域加一個(gè)大小、方向合適的磁場B，使熒光屏正中心處重現(xiàn)亮點(diǎn)．試問外加磁場的方向如何？ 【解析】　步驟B中電子在M1、M2兩極板間做類平拋運(yùn)動(dòng)，當(dāng)增大兩極板間電壓時(shí)，電子在兩

10、極板間的偏轉(zhuǎn)位移增大． 當(dāng)在熒光屏上看不到亮點(diǎn)時(shí)，電子剛好打在下極板M2靠近熒光屏端的邊緣，則＝2， ＝. 由此可以看出這一步的目的是使粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)位移成為已知量，就可以表示出比荷． 步驟C加上磁場后電子不偏轉(zhuǎn)，電場力等于洛倫茲力，且洛倫茲力方向向上，由左手定則可知磁場方向垂直于紙面向外． 【答案】　見解析 測量帶電粒子比荷常用的兩種方法 方法一：利用磁偏轉(zhuǎn)測比荷，由qvB＝m得＝，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． 方法二：利用電偏轉(zhuǎn)測比荷，偏轉(zhuǎn)量y＝at2＝·2，故＝.所以在偏轉(zhuǎn)電場U、d、L已知時(shí)，只需測量v和y即可． 學(xué)業(yè)分層測評(píng)

11、(四) (建議用時(shí)：45分鐘) 學(xué)業(yè)達(dá)標(biāo)] 1．(多選)下列說法正確的是(　　) A．湯姆孫研究陰極射線，用測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．湯姆孫認(rèn)為原子里面帶正電荷的物質(zhì)都集中在原子中心一個(gè)很小的范圍內(nèi) 【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，D錯(cuò)誤． 【答案】　ABC 2．人們對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)有一個(gè)不斷深化的過程，下列先后順序中符合史實(shí)的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：

12、64772091】 ①道爾頓提出的原子論　②德謨克利特的古典原子論?、蹨穼O提出的葡萄干面包原子模型 A．①②③　　　　　　　 B．②①③ C．③②① D．③①② 【解析】　對(duì)于探索構(gòu)成物質(zhì)的最小微粒，古希臘哲學(xué)家德謨克利特建立了早期的原子論，19世紀(jì)初，道爾頓提出了原子論，湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子后，提出了葡萄干面包模型，故選項(xiàng)B正確． 【答案】　B 3．(多選)湯姆孫對(duì)陰極射線的探究，最終發(fā)現(xiàn)了電子，由此被稱為“電子之父”．關(guān)于電子的說法正確的是(　　) A．任何物質(zhì)中均有電子 B．不同的物質(zhì)中具有不同的電子 C．電子的質(zhì)量比最輕的氫原子的質(zhì)量小得多 D．電子是一種粒子，是構(gòu)成

13、物質(zhì)的基本單元 【解析】　湯姆孫對(duì)不同材料的陰極發(fā)出的射線進(jìn)行研究，均為相同的粒子——電子，所以選項(xiàng)A正確，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；電子是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元，其質(zhì)量是氫原子質(zhì)量的故選項(xiàng)C、D均正確． 【答案】　ACD 4．關(guān)于陰極射線的本質(zhì)，下列說法正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：64772092】 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 【解析】　湯姆孫經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，證明陰極射線是帶電的粒子流，并稱組成粒子流的粒子為電子，故選C. 【答案】　C 5．對(duì)于電子的發(fā)現(xiàn)，以下說法中正確的是(　　) A．湯姆孫通過對(duì)陰極射線的研究

14、，發(fā)現(xiàn)了原子 B．湯姆孫通過實(shí)驗(yàn)測定了陰極射線的比荷值 C．密立根通過油滴實(shí)驗(yàn)測定了陰極射線的比荷值 D．原子的葡萄干面包模型是道爾頓提出的 【解析】　1897年湯姆孫通過對(duì)陰極射線的研究，發(fā)現(xiàn)了電子，并測出了電子的比荷，提出了葡萄干面包模型，故選B. 【答案】　B 6．(多選)關(guān)于空氣的導(dǎo)電性能，下列說法正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：64772093】 A．空氣導(dǎo)電，是因?yàn)榭諝夥肿又杏械膸д?，有的帶?fù)電，空氣分子在強(qiáng)電場作用下向相反方向運(yùn)動(dòng) B．空氣能夠?qū)щ?，是因?yàn)榭諝夥肿釉谏渚€或強(qiáng)電場作用下電離 C．空氣密度越大，導(dǎo)電性能越好 D．空氣越稀薄，越容易發(fā)出輝光 【解析】

15、　空氣是由多種氣體組成的混合氣體，在正常情況下，氣體分子不帶電(顯中性)，是較好的絕緣體．但在射線、受熱及強(qiáng)電場作用下，空氣分子被電離，才具有導(dǎo)電性能，且空氣密度較大時(shí)，電離的自由電荷很容易與其他空氣分子碰撞，正、負(fù)電荷重新復(fù)合，難以形成穩(wěn)定的放電電流，因而電離后的自由電荷在稀薄氣體環(huán)境中導(dǎo)電性能更好，綜上所述，答案為B、D. 【答案】　BD 7．如圖2-1-4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)，可以加一磁場，磁場的方向沿________軸正方向，也可以加一電場，電場的方向沿________軸正

16、方向. 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：64772024】 圖2-1-4 【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方向應(yīng)沿y軸正方向；若所加電場使電子射線向下偏轉(zhuǎn)，所受電場力方向向下，則所加電場方向應(yīng)沿z軸正方向． 【答案】　y　z 8．如圖2-1-5所示，有一混合正離子束先后通過正交電磁場區(qū)域Ⅰ和勻強(qiáng)磁場區(qū)域Ⅱ，如果這束正離子束在區(qū)域Ⅰ中不偏轉(zhuǎn)，進(jìn)入?yún)^(qū)域Ⅱ后偏轉(zhuǎn)半徑R相同，則它們一定具有相同的________和________． 圖2-1-5 【解析】　正交電磁場區(qū)域Ⅰ實(shí)際上是一個(gè)速度選擇器，這束正離子在區(qū)域Ⅰ中均不偏轉(zhuǎn)，說明它們具有相同的

17、速度．在區(qū)域Ⅱ中半徑相同，R＝，所以它們應(yīng)具有相同的比荷． 【答案】　速度　比荷 能力提升] 9．(多選)如圖2-1-6所示是陰極射線顯像管及其偏轉(zhuǎn)線圈的示意圖．顯像管中有一個(gè)陰極，工作時(shí)它能發(fā)射陰極射線，熒光屏被陰極射線轟擊就能發(fā)光．安裝在管頸的偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)磁場，可以使陰極射線發(fā)生偏轉(zhuǎn)．下列說法中正確的是(　　) 圖2-1-6 A．如果偏轉(zhuǎn)線圈中沒有電流，則陰極射線應(yīng)該打在熒光屏正中的O點(diǎn) B．如果要使陰極射線在豎直方向偏離中心，打在熒光屏上A點(diǎn)，則偏轉(zhuǎn)磁場的方向應(yīng)該垂直紙面向里 C．如果要使陰極射線在豎直方向偏離中心，打在熒光屏上B點(diǎn)，則偏轉(zhuǎn)磁場的方向應(yīng)該垂直紙面向里

18、 D．如果要使陰極射線在熒光屏上的位置由B點(diǎn)向A點(diǎn)移動(dòng)，則偏轉(zhuǎn)磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)該先由小到大，再由大到小 【解析】　偏轉(zhuǎn)線圈中沒有電流，陰極射線沿直線運(yùn)動(dòng)，打在O點(diǎn)，A正確．由陰極射線的電性及左手定則可知B錯(cuò)誤，C正確．由R＝可知，B越小，R越大，故磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)先由大變小，再由小變大，故D錯(cuò)誤． 【答案】　AC 10．(多選)如圖2-1-7所示是湯姆生的氣體放電管的示意圖，下列說法中正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：64772025】 湯姆生的氣體放電管的示意圖 圖2-1-7 A．若在D1、D2之間不加電場和磁場，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

19、下的電場，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，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，則陰極射線打到右端的P2點(diǎn) 【解析】　實(shí)驗(yàn)證明，陰極射線是電子，它在電場中偏轉(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的說法錯(cuò)誤．加上磁場時(shí)，電子在磁場中受洛倫茲力，要發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因而選項(xiàng)D正確．當(dāng)不加電場和磁場時(shí)，由于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的說法正確． 【答案】　ACD 11．為測定帶電粒子的比荷，讓這個(gè)帶電粒子垂直飛進(jìn)平行金屬板間，已知?jiǎng)驈?qiáng)電場的場強(qiáng)為E，在通過長為L的兩金屬板間后，測得偏離入射方向的距離為

20、d，如果在兩板間加垂直電場方向的勻強(qiáng)磁場，磁場方向垂直粒子的入射方向，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，則離子恰好不偏離原來方向，求比荷的值為多少？ 【解析】　只加電場時(shí)，在垂直電場方向 d＝()()2 加磁場后，粒子做直線運(yùn)動(dòng)，則qv0B＝Eq ，即v0＝. 聯(lián)立解得：＝. 【答案】　 12．如圖2-1-8所示為美國物理學(xué)家密立根測量油滴所帶電荷量裝置的截面圖，兩塊水平放置的金屬板間距為d，油滴從噴霧器的噴嘴噴出時(shí)，由于與噴嘴摩擦而帶負(fù)電，油滴散布在油滴室中，在重力作用下，少數(shù)油滴通過上面金屬板的小孔進(jìn)入平行金屬板間，當(dāng)平行金屬板間不加電壓時(shí)，由于受到氣體阻力的作用，油滴最終以速度v1豎直向下勻速

21、運(yùn)動(dòng)；當(dāng)上板帶正電，下板帶負(fù)電，兩板間的電壓為U時(shí)，帶電油滴恰好能以速度v2豎直向上勻速運(yùn)動(dòng)．已知油滴在極板間運(yùn)動(dòng)時(shí)所受氣體阻力的大小與其速率成正比，油滴密度為ρ，已測量出油滴的直徑為D(油滴可看作球體，球體體積公式V＝πD3)，重力加速度為g. 圖2-1-8 (1)設(shè)油滴受到氣體的阻力f＝kv，其中k為阻力系數(shù)，求k的大??； (2)求油滴所帶電荷量． 【解析】　(1)油滴速度為v1時(shí)所受阻力f1＝kv1，油滴向下勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，重力與阻力平衡，有f1＝mg m＝ρV＝πρD3，則k＝πρD3g. (2)設(shè)油滴所帶電荷量為q，油滴受到的電場力為 F電＝qE＝q 油滴向上勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，阻力向下，油滴受力平衡，則 kv2＋mg＝q 油滴所帶電荷量為 q＝. 【答案】　(1)πρD3g (2)