粤教版物理选修3-5新素养学案第三章第一节敲开原子的大门Word版含答案

第一节敲开原子的大门1.知道阴极射线是由电子组成的，电子是原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元．2.体会电子的发现过程中蕴涵的科学方法．3.知道电荷是量子化的，即任何电荷只能是e的整数倍．4.领会电子的发现对揭示原子结构的重大意义．一、探索阴极射线1．1858年，德国科学家普吕克尔在一个被抽成真空的玻璃管两端加上高电压，阴极会发出一种射线，使正对阴极的玻璃管壁上出现绿色荧光，这种射线被称为阴极射线．2．汤姆生设计了阴极射线管来测定阴极射线的电荷，阴极射线在磁场或电场中的偏转实验，表明阴极射线是由带负电的微粒组成的粒子流．汤姆生计算出的荷质比大约比当时已知的质量最小的氢离子的荷质比大2000倍．1．(1)阴极射线是由真空玻璃管中的感应圈发出的．()(2)实验中看到的荧光就是电子流．()(3)阴极射线是一种电磁辐射．()提示：(1)×(2)×(3)×二、电子的发现1．汤姆生发现对于不同的放电气体，或者用不同的金属作电极，测得的荷质比相同．随后又发现在气体电离和光电效应等现象中，可从不同物体中逸出这种带电粒子，这表明它是构成各种物体的共同成分．随后，汤姆生直接测量出粒子的电荷，该粒子的电荷与氢离子的电荷大小基本相同，质量比任何一种分子和原子的质量都小得多，至此，汤姆生完全确认了电子的存在．2．美国科学家密立根精确地测定了电子的电量：e＝1.6022×10－19C，根据荷质比，可以精确地计算出电子的质量为：m＝9.1094×10－31kg．3．电子发现的意义：电子的发现打破了传统的“原子不可分”的观念，使人类对自然界的认识又向前迈进了一步．2．(1)英国物理学家汤姆生认为阴极射线是一种电磁辐射．()(2)组成阴极射线的粒子是电子．()(3)电子是原子的组成部分，电子电荷量可以取任意数值．()提示：(1)×(2)√(3)×对“阴极射线”的研究1．阴极射线的含义顾名思义，阴极射线是阴极放射出来的射线．经验证它实际上就是电子流．当金属阴极受热温度变得很高时，电子热运动加剧，电子热运动能量足够大时可以在金属表面逸出，形成电子流．2．阴极射线带电性质的判断方法(1)粒子在电场中运动如图甲所示．带电粒子在电场中运动，受电场力作用运动方向发生改变(粒子质量忽略不计)．带电粒子在不受其他力作用时，若沿电场线方向偏转，则粒子带正电；若逆着电场线方向偏转，则粒子带负电．(2)粒子在磁场中运动，如图乙所示．粒子将受到洛伦兹力作用F＝qvB，速度方向始终与洛伦兹力方向垂直，利用左手定则即可判断粒子的电性．不考虑其他力的作用，如果粒子按图示方向进入磁场，且做顺时针的圆周运动，则粒子带正电；若做逆时针的圆周运动，则粒子带负电．(1)阴极射线不能误认为是X射线．(2)当阴极射线穿过电场或磁场区域时，其重力远小于电场力或洛伦兹力，因此一般不考虑其重力．(多选)汤姆生对阴极射线的探究，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．电子是原子核的组成部分B．电子电荷的精确测定最早是由密立根通过著名的“油滴实验”实现的C．电子电荷量的数值约为1.602×10－19CD．电子质量与电荷量的比值称为电子的比荷[解析]电子是原子的组成部分，电子的发现说明原子是可以再分的．电子的电荷量与质量的比值称为电子的比荷，也叫荷质比．[答案]BC关于阴极射线的本质，下列说法正确的是()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：选C.阴极射线是原子受激发射出的电子，关于阴极射线是电磁波、X射线都是在研究阴极射线过程中的一些假设，是错误的.带电粒子比荷的测定1．让粒子通过正交的电磁场(如图甲)，让其做直线运动，根据二力平衡，即F洛＝F电(Bqv＝qE)得到粒子的运动速度v＝eq\f(E,B).2．在其他条件不变的情况下，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＝eq\f(mv2,r)，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：eq\f(q,m)＝eq\f(E,B2r)，最后经定量计算，汤姆生认定组成阴极射线的粒子为电子．如图所示为汤姆生用来测定电子比荷的装置．当极板P和P′间不加偏转电压时，电子束打在荧光屏的中心O点处，形成一个亮点；加上偏转电压U后，亮点偏离到O′点，O′点到O点的竖直距离为d，水平距离可忽略不计；此时在P与P′之间的区域里再加上一个方向垂直于纸面向里的匀强磁场，调节磁感应强度，当其大小为B时，亮点重新回到O点．已知极板水平方向长度为L1，极板间距为b，极板右端到荧光屏的距离为L2.(1)求打在荧光屏O点的电子速度的大小；(2)推导出电子比荷的表达式．[解析](1)当电子受到的电场力与洛伦兹力平衡时，电子做匀速直线运动，亮点重新回到中心O点，设电子的速度为v，则evB＝eE，得v＝eq\f(E,B)，即v＝eq\f(U,Bb).(2)当极板间仅有偏转电场时，电子以速度v进入后，竖直方向做匀加速运动，加速度为a＝eq\f(eU,mb).电子在水平方向做匀速运动，在电场内的运动时间为t1＝eq\f(L1,v).这样，电子在电场中，竖直方向上偏转的距离为d1＝eq\f(1,2)ateq\o\al(2,1)＝eq\f(eLeq\o\al(2,1)U,2mv2b).离开电场时竖直方向上的分速度为v⊥＝at1＝eq\f(eL1U,mvb).电子离开电场做匀速直线运动，经t2时间到达荧光屏，t2＝eq\f(L2,v).t2时间内向上运动的距离为d2＝v⊥t2＝eq\f(eUL1L2,mv2b).这样，电子向上的总偏转距离为d＝d2＋d1＝eq\f(eU,mv2b)L1·eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(L2＋\f(L1,2)))，可解得eq\f(e,m)＝eq\f(Ud,B2bL1\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(L2＋\f(L1,2)))).[答案](1)eq\f(U,Bb)(2)eq\f(Ud,B2bL1\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(L2＋\f(L1,2))))【通关练习】1．密立根用喷雾的方法获得了带电液滴，然后把这些带有不同电荷量和质量的液滴置于电场中，通过电场力和重力平衡的方法最终测得了带电液滴的电荷量，某次测量中，他得到了如下数据液滴编号电荷量/C液滴编号电荷量/C16.41×10－1929.70×10－1931.6×10－1944.82×10－19……则可得出结论：________________________________________________________________________________________________________________________________________________.解析：根据表格中的数据与电子电荷量的比值关系：eq\f(q1,e)＝eq\f(6.41×10－19,1.6×10－19)≈4；eq\f(q2,e)＝eq\f(9.70×10－19,1.6×10－19)≈6；eq\f(q3,e)＝eq\f(1.6×10－19,1.6×10－19)＝1；eq\f(q4,e)＝eq\f(4.82×10－19,1.6×10－19)≈3；得出结论：电荷量是量子化的，电荷的电荷量都是元电荷e的整数倍．答案：电荷量是量子化的，电荷的电荷量都是元电荷e的整数倍2．汤姆生1897年用阴极射线管测量了电子的比荷(电子电荷量与质量之比)，其实验原理如图所示．电子流平行于极板射入，极板P、P′间同时存在匀强电场E和垂直纸面向里的匀强磁场B时，电子流不会发生偏转；极板间只存在垂直纸面向里的匀强磁场B时，电子流穿出平行板电容器时的偏转角θ＝eq\f(1,15)rad.已知极板长L＝3.0×10－2m，电场强度大小为E＝1.5×104V/m，磁感应强度大小为B＝5.0×10－4T．求电子比荷．解析：无偏转时，洛伦兹力和电场力平衡，则eE＝evB只存在磁场时，有evB＝meq\f(v2,r)，由几何关系r＝eq\f(L,sinθ)偏转角很小时，r≈eq\f(L,θ)联立上述各式并代入数据得电子的比荷eq\f(e,m)＝eq\f(Eθ,B2L)≈1.3×1011C/kg.答案：1.3×1011C/kg[随堂检测]1．发现电子的科学家是()A．汤姆生 B．玻尔C．卢瑟福 D．查德威克解析：选A.1897年汤姆生发现电子．2．下面对阴极射线的认识正确的是()A．阴极射线是由阴极发出的粒子撞击玻璃管壁上的荧光而产生的B．只要阴阳两极间加有电压，就会有阴极射线产生C．阴极射线可以穿透薄铝片，这说明它是电磁波D．阴阳两极间加有高压时，电场很强，阴极中的电子受到很强的库仑力作用而脱离阴极解析：选D.阴极射线是由阴极直接发出的，A错误；只有当两极间加有高压且阴极接电源负极时，阴极中的电子才会受到足够大的库仑力作用而脱离阴极成为阴极射线，B错误，D正确；阴极射线可以穿透薄铝片，可能是电磁波，也可能是更小的粒子，C错误．3．(多选)下列是某实验小组测得的一组电荷量，哪些是符合事实的()A．＋3×10－19CB．＋4.8×10－19CC．－3.2×10－26CD．－4.8×10－19C解析：选BD.电荷是量子化的，任何带电体所带电荷量只能是元电荷的整数倍.1.6×10－19C是目前为止自然界中最小的电荷量，故B、D正确．4．(多选)下列说法中正确的是()A．汤姆生精确地测出了电子电荷量e＝1.60217733(49)×10－19CB．电子电荷量的精确值是密立根通过“油滴实验”测出的C．汤姆生油滴实验更重要的发现是：电荷量是量子化的，即任何电荷量只能是e的整数倍D．通过实验测得电子的比荷及电子电荷量e的值，就可以确定电子的质量解析：选BD.电子的电荷量是密立根通过“油滴实验”测出的，A、C错误，B正确．测出比荷的值eq\f(e,m)和电子电荷量e的值，可以确定电子的质量，故D正确．5．阴极射线是从阴极射线管的阴极发出的高速运动的粒子流，这些微观粒子是____．若在如图所示的阴极射线管中部加上垂直于纸面向里的磁场，阴极射线将________(填“向上”“向下”“向里”或“向外”)偏转．解析：由电子的发现过程可知，阴极射线本质是高速运动的电子流．当电子在磁场中偏转时，由左手定则可知电子会受到向下的磁场力，故向下偏转．答案：电子向下[课时作业]一、单项选择题1．关于密立根“油滴实验”的科学意义，下列说法不正确的是()A．测得了质子的电荷量B．提出了电荷分布的量子化观点C．为电子电量的最终获得作出了突出贡献D．为人类进一步研究原子的结构提供了一定的理论依据解析：选A.密立根油滴实验精确测定了电子的电荷量．2．发射阴极射线的阴极射线管中的高电压的作用是()A．使管内气体电离B．使管内产生阴极射线C．使管内障碍物的电势升高D．使电子加速解析：选D.在阴极射线管中，阴极射线是由阴极处于炽热状态而发射的电子流，通过高电压加速而获得能量，与玻璃碰撞而产生荧光，故选项D正确．3．下列关于电子的说法中不正确的是()A．发现电子是从研究阴极射线开始的B．任何物质中均有电子，它是原子的组成部分C．电子发现的意义是使人们认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也具有复杂的结构D．电子是带正电的，它在电场中受到的电场力方向与电场线的切线方向相同解析：选D.研究表明电子是物质的组成部分，电子的发现使人们认识到原子不是组成物质的最小微粒，是可以再分的．4．下列实验现象中，支持阴极射线是带电微粒观点的是()A．阴极射线可以透过薄铝片B．阴极射线通过电场或磁场时，要产生相应偏转C．阴极射线透过镍单晶时，产生衍射现象D．阴极射线轰击荧光物质，发出荧光解析：选B.电磁波能透过薄铝片，且可以产生衍射现象，但电磁波不能在电场或磁场中偏转，故阴极射线是带电微粒．5．如果阴极射线像X射线一样，则下列说法正确的是()A．阴极射线管内的高电压能够对其加速而增加能量B．阴极射线通过偏转电场不会发生偏转C．阴极射线通过偏转电场能够改变方向D．阴极射线通过磁场时方向可能发生改变解析：选B.X射线是电磁波，不带电，通过电场、磁场时不受力的作用，不会发生偏转、加速，B正确．6．如图所示是电子射线管示意图，接通电源后，电子射线由阴极沿x轴方向射出，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，在下列措施中可采用的是()A．加一磁场，磁场方向沿z轴负方向B．加一磁场，磁场方向沿y轴正方向C．加一电场，电场方向沿z轴负方向D．加一电场，电场方向沿y轴正方向解析：选B.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，由此可知B正确．二、多项选择题7．关于阴极射线的性质，判断正确的是()A．阴极射线带负电B．阴极射线带正电C．阴极射线的比荷比氢原子比荷大D．阴极射线的比荷比氢原子比荷小解析：选AC.通过对阴极射线在电场、磁场中的偏转的研究发现阴极射线带负电，而且比荷比氢原子的比荷大得多，故A、C两项正确．8．如图是密立根油滴实验的示意图．油滴从喷雾器嘴喷出，落到图中的匀强电场中，调节两板间的电压，通过显微镜观察到某一油滴静止在电场中，下列说法正确的是()A．油滴带负电B．油滴质量可通过天平来测量C．只要测出两板间的距离和电压就能求出油滴所带的电荷量D．该实验测得油滴所带电荷量等于元电荷的整数倍解析：选AD.由图知，电容器两板间电场方向向下，油滴所受的电场力向上，则知油滴带负电，故A正确．油滴的质量很小，不能通过天平测量，故B错误．根据油滴受力平衡得：mg＝qE＝qeq\f(U,d)，得q＝eq\f(mgd,U)，所以要测出两板间的距离、电压和油滴的质量才能求出油滴的电荷量，故C错误．根据密立根油滴实验研究知：该实验测得油滴所带电荷量等于元电荷的整数倍，故D正确．9．关于电子的发现，下列叙述中正确的是()A．电子的发现，说明原子是由电子和原子核组成的B．电子的发现，说明原子具有一定的结构C．电子是第一种被人类发现的微观粒子D．电子的发现，比较好地解释了物体的带电现象解析：选BCD.发现电子之前，人们认为原子是不可再分的最小粒子，电子的发现，说明原子有一定的结构，B正确；电子是人类发现的第一种微观粒子，C正确；物体带电的过程，就是电子的得失和转移的过程，D正确．10．如图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()A．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向A点移动，则偏转磁场强度应该先由小到大，再由大到小解析：选AC.由粒子的电性及左手定则可知B项错误；由R＝eq\f(mv,qB)可知，B越小R越大，故D项错误．三、非选择题11．如图所示，在y＜0的区域内存在匀强磁场，磁场方向垂直于xOy平面并指向纸面外，磁感应强度为B，一带负电的粒子以速度v0从O点射入磁场，入射方向在xOy平面内，与x轴正方向的夹角为θ.若粒子射出磁场的位置与O点距离为l，求该粒子的比荷eq\f(q,m).解析：由圆的对称性可知，带电粒子离开x轴时与轴的夹角也是θ，根据