2019年高中物理 第十八章 原子結構 第1節(jié) 第2節(jié) 原子的核式結構模型 電子的發(fā)現學案 新人教版選修3-5

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1、第1節(jié)　電子的發(fā)現 第2節(jié)　原子的核式結構模型 　1.知道陰極射線是由電子組成的以及電荷量是量子化的．　2.了解α粒子散射實驗的原理和現象以及盧瑟福原子核式結構模型的主要內容．　3.知道原子和原子核的大小數量級，原子核的電荷數． 一、陰極射線 1．實驗裝置：真空玻璃管、陰極、陽極和感應圈． 2．實驗現象：感應圈產生的高電壓加在兩極之間，玻璃管壁上發(fā)出熒光．　 3．陰極射線：熒光是由于玻璃受到陰極發(fā)出的某種射線的撞擊而引起的，這種射線命名為陰極射線． 二、電子的發(fā)現 1．湯姆孫根據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，并求出其比荷．

2、2．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. 三、α粒子散射實驗 1．湯姆孫原子模型：湯姆孫于1898年提出了原子模型，他認為原子是一個球體，正電荷彌漫性地均勻分布在整個球體內，電子鑲嵌其中． 2．α粒子散射實驗 (1)α粒子 從放射性物質(如鈾和鐳)中發(fā)射出來的快速運動的粒子，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7 300倍． (2)實驗現象 絕大多數α粒子穿過金箔后，基本上仍沿原方向前進，但有少數α粒子發(fā)生了大角度偏轉，極少數α粒子偏轉角度甚至大于90°.

3、3．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． 四、原子核的電荷與尺度 判一判　(1)英國物理學家湯姆孫認為陰極射線是一種電磁輻射．(　　) (2)組成陰極射線的粒子是電子．(　　) (3)電子是原子的組成部分，電子電荷量可以取任意數值．　(　　) (4)α粒子散射實驗證明了湯姆孫的原子模型是符合事實的．(　　) (5)α粒子散射實驗中大多數α粒子發(fā)生了大角度偏轉或反彈．(　　) (6)α粒子大角度的偏轉是電子造成的．(　　) 提示：(1)×　(2)√　(3)×　(4)×

4、　(5)×　(6)× 做一做　關于原子結構，湯姆孫提出“葡萄干蛋糕模型”、盧瑟福提出“行星模型”，如圖甲和乙所示，都采用了類比推理的方法．下列事實中，主要采用類比推理的是(　　) A．人們?yōu)楸阌谘芯课矬w的運動而建立質點模型 B．伽利略從教堂吊燈的擺動中發(fā)現擺的等時性規(guī)律 C．庫侖根據牛頓的萬有引力定律提出庫侖定律 D．托馬斯·楊通過雙縫干涉實驗證實光是一種波 提示：選C．模型可以幫助我們理解一些無法直接觀察的事物，類比有助于我們更好地認識事物的本質．質點模型是一種理想化的物理模型，是為研究物體的運動而建立的；伽利略的擺的等時性是通過自然現象發(fā)現的；托馬斯·楊是通過實驗證明光是

5、一種波，是建立在事實的基礎上的．故正確選項為C． 　電子的發(fā)現 1.→ 2．德國物理學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．英國物理學家湯姆孫讓陰極射線在電場和磁場中偏轉． 5．密立根通過“油滴實驗”精確測定了電子的電荷量和電子的質量． 　如圖所示，在陰極射線管正上方平行放一通有強電流的長直導線，則陰極射線將(　　) A．向紙內偏轉　　　　　 B．向紙外偏轉 C．向下偏轉 D．向上偏轉 [思路點撥] 由安培定則判定直導線在陰極射線處的磁場方向，再由左手定則判定受力方向． [解

6、析]　由題目條件不難判斷陰極射線所在處磁場垂直紙面向外，電子從負極射出，由左手定則可判定陰極射線(電子)向上偏轉．故正確選項為D． [答案]　D 陰極射線(電子)從電源的負極射出，用左手定則判斷其受力方向時四指的指向和射線的運動方向相反．　 　1.(多選)湯姆孫對陰極射線的探究，最終發(fā)現了電子，由此被稱為“電子之父”，關于電子的說法正確的是(　　) A．電子是原子核的組成部分 B．電子電荷的精確測定最早是由密立根通過著名的“油滴實驗”實現的 C．電子電荷量的數值約為1.602×10－19 C D．電子質量與電荷量的比值稱為電子的比荷 解析：選BC．電子是原子的組成部分，電

7、子的發(fā)現說明原子是可以再分的．電子的電荷量與質量的比值稱為電子的比荷，也叫荷質比． 　電子比荷的測定 1910年美國物理學家密立根通過著名的“油滴實驗”，簡練而又精確地測定了電子的電荷量．更重要的是密立根實驗發(fā)現電荷是量子化的，即任何電荷的電荷量只能是元電荷e的整數倍，并求得了元電荷即電子所帶的電荷量e. 密立根實驗的原理 (1)如圖所示，兩塊平行放置的水平金屬板A、B與電源相連接，使A板帶正電，B板帶負電，從噴霧器噴嘴噴出的小油滴經上面金屬板中間的小孔，落到兩板之間的勻強電場中． (2)小油滴由于摩擦而帶負電，調節(jié)A、B兩板間的電壓，可以使小油滴靜止在兩板之間，此時電場力和重力

8、平衡，即mg＝Eq，則電荷的電荷量q＝.實驗發(fā)現，q一定是某個最小電荷量的整數倍，這個最小的電荷量就是電子的電荷量． 　湯姆孫用來測定電子的比荷(電子的電荷量與質量之比)的實驗裝置如圖所示．真空管內的陰極K發(fā)出的電子(不計初速度、重力和電子間的相互作用)經加速電壓加速后，穿過A′中心的小孔沿中心軸O1O的方向進入到兩塊水平正對放置的平行極板P和P′間的區(qū)域內．當極板間不加偏轉電壓時，電子束打在熒光屏的中心O點處，形成了一個亮點；加上偏轉電壓U后，亮點偏離到O′點(O′點與O點的豎直間距為d，水平間距可忽略不計)．此時，在P和P′間的區(qū)域內，再加上一個方向垂直于紙面向里的勻強磁場．調節(jié)磁場的強

9、弱，當磁感應強度的大小為B時，亮點重新回到O點．已知極板水平方向的長度為L1，極板間距為b，極板右端到熒光屏的距離為L2(如圖所示)． (1)求打在熒光屏O點的電子速度的大?。? (2)推導出電子的比荷的表達式． [思路點撥] 此題中電子在電場中做類平拋運動，在電磁場中做勻速直線運動，受到的電場力和洛倫茲力平衡，仔細分析其物理過程，不難求出結果． [解析]　(1)當電子受到的電場力與洛倫茲力平衡時，電子做勻速直線運動，亮點重新回到中心O點，設電子的速度為v， 則evB＝eE， 得v＝，即v＝. (2)當極板間僅有偏轉電場時，電子以速度v進入后，在豎直方向做勻加速運動，加速度a＝

10、 電子在水平方向做勻速運動，在電場內的運動時間t1＝ 這樣，電子在電場中，豎直向上偏轉的距離d1＝at＝ 離開電場時豎直向上的分速度v⊥＝at1＝ 電子離開電場后做勻速直線運動，經t2時間到達熒光屏幕t2＝ t2時間內向上運動的距離d2＝v⊥t2＝ 這樣，電子向上的總偏轉距離 d＝d1＋d2＝L1 可解得＝. [答案]　(1)　(2) 　2.密立根用噴霧的方法獲得了帶電液滴，然后把這些帶有不同電荷量和質量的液滴置于電場中，通過電場力和重力平衡的方法最終測得了帶電液滴的電荷量，某次測量中，他得到了如下數據 液滴編號 電荷量/C 液滴編號 電荷量/C 1 6.41×

11、10－19 2 9.70×10－19 3 1.6×10－19 4 4.82×10－19 … … … … 則可得出結論： ________________________________________________________________________. 解析：根據表格中的數據與電子電荷量的比值關系： ＝＝4；＝＝6； ＝＝1；＝＝3； 得出結論：電荷量是量子化的，電荷的電荷量都是元電荷e的整數倍． 答案：電荷量是量子化的，電荷的電荷量都是元電荷e的整數倍 　對α粒子散射實驗的理解 1．裝置：放射源、金箔、熒光屏等，如圖所示． 2．現象

12、 (1)絕大多數的α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進． (2)少數α粒子發(fā)生較大的偏轉． (3)極少數α粒子偏轉角度超過90°，有的幾乎達到180°. 3．注意事項 (1)整個實驗過程在真空中進行． (2)α粒子是氦原子核，體積很小，金箔需要做得很薄，α粒子才能穿過． 4．湯姆孫的原子模型不能解釋α粒子大角度散射的實驗結果． 　如果α粒子以速度v與電子發(fā)生彈性正碰(假定電子原來是靜止的)，求碰撞后，α粒子的速度變化了多少？并由此說明：為什么原子中的電子不能使α粒子發(fā)生明顯的偏轉？ [思路點撥] 分析求解本題，需要運用彈性碰撞知識．α粒子與電子發(fā)生彈性正碰時，遵循機械能守恒和動量

13、守恒定律，通過列出兩個守恒方程進行定量計算，從而作出判斷． [解析]　設α粒子初速度為v，質量為M，與電子碰后速度為v1，電子質量為m，與α粒子碰后速度為v2 由動量守恒定律Mv＝Mv1＋mv2① 由能量守恒Mv2＝Mv＋mv② 由①②式得 v1＝v③ α粒子速度變化量 Δv1＝v1－v＝－v④ 把M＝7 300m代入④式得Δv1＝v＝－0.000 3v 可見α粒子的速度變化只有萬分之三，說明原子中的電子不能使α粒子發(fā)生明顯的偏轉． [答案]　見解析 解決α粒子散射實驗問題的技巧 (1)熟記實驗裝置及原理． (2)理解建立核式結構模型的要點． ①核外電子不會使α

14、粒子的速度發(fā)生明顯改變． ②湯姆孫的原子模型不能解釋α粒子的大角度散射． ③少數α粒子發(fā)生了大角度偏轉，甚至反彈回來，表明這些α粒子在原子中的某個地方受到了質量、電荷量均比它本身大得多的物體的作用． ④絕大多數α粒子在穿過厚厚的金原子層時運動方向沒有明顯變化，說明原子中絕大部分是空的，原子的質量、電荷量都集中在體積很小的核內．　 　3.(多選)(2017·孝感高中高二檢測)如圖所示為盧瑟福和他的同事們做α粒子散射實驗的裝置示意圖，熒光屏和顯微鏡一起分別放在圖中A、B、C、D四個位置時觀察到的現象，下述說法中正確的是(　　) A．放在A位置時，相同時間內觀察到屏上的閃光次數最多

15、 B．放在B位置時，相同時間內觀察到屏上的閃光次數只比A位置稍少些 C．放在C、D位置時，屏上觀察不到閃光 D．放在D位置時，屏上仍能觀察到一些閃光，但次數極少 解析：選AD．在盧瑟福α粒子散射實驗中，α粒子穿過金箔后，絕大多數α粒子仍沿原來的方向前進，故A正確；少數α粒子發(fā)生較大偏轉，極少數α粒子偏轉角度超過90°，極個別α粒子被反射回來，故B、C錯誤，D正確． 　對盧瑟福核式結構模型的理解 1．內容：在原子中心有一個很小的核，叫原子核．原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在核內，帶負電的電子在核外空間繞核旋轉． 2．對α粒子散射實驗現象的解釋 (1)當α粒子穿過原子時，如果離

16、核較遠，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，運動方向改變很?。驗樵雍撕苄?，所以絕大多數α粒子不發(fā)生偏轉． (2)只有當α粒子十分接近原子核穿過時，才受到很大的庫侖力作用，發(fā)生大角度偏轉，而這種機會很少，所以有少數粒子發(fā)生了大角度偏轉． (3)如果α粒子正對著原子核射來，偏轉角幾乎達到180°，這種機會極少，如圖所示，所以極少數粒子的偏轉角度甚至大于90°. 3．數量級：原子的半徑數量級為10－10 m，原子核半徑的數量級為10－15 m，原子核的半徑只相當于原子半徑的10－5，體積只相當于原子體積的10－15. 　(多選)(2017·梅州高二檢測)關

17、于原子核式結構理論說法正確的是(　　) A．是通過發(fā)現電子現象得出來的 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 [解析]　原子的核式結構模型是在α粒子的散射實驗結果的基礎上提出的，A錯誤．原子中絕大部分是空的，帶正電的部分集中在原子中心一個很小的范圍，稱為原子核，B正確，C錯誤．原子核集中了原子全部正電荷和幾乎全部質量，帶負電的電子在核外旋轉，D正確． [答案]　BD 應用核式結構模型分析求解問題時，要注意從力的角度及功能關系角度入手． 1．α粒子的受力特點 α粒子

18、與原子核間的作用力是庫侖斥力：F＝. (1)式中Q為原子核的電荷量，q為α粒子所帶電荷量，r為α粒子與原子核間的距離． (2)α粒子離原子核越近，庫侖力越大，運動加速度越大，反之，則越?。? (3)α粒子的受力方向沿原子核與α粒子的連線，由原子核指向α粒子． 2．庫侖力對α粒子的做功情況 (1)當α粒子靠近原子核時，庫侖斥力做負功，電勢能增加． (2)當α粒子遠離原子核時，庫侖斥力做正功，電勢能減小． 3．α粒子的能量轉化 僅有庫侖力做功時，能量只在電勢能和動能之間發(fā)生相互轉化，而總能量保持不變． 　4.1911年盧瑟福依據α粒子散射實驗中α粒子發(fā)生了________(選填“大”或“小”)角度散射現象，提出了原子的核式結構模型．若用動能為1 MeV的α粒子轟擊金箔，其速度約為________m/s.(質子和中子的質量均為1.67×10－27 kg，1 MeV＝106 eV) 解析：設α粒子的速度為v，Ek＝mv2，v＝＝ m/s≈6.9×106 m/s. 答案：大　6.9×106 9