2017-2018学年物理粤教版选修3-5讲义第三章原子结构之谜3-1

第一节敲开原子的大门[目标定位]1.了解阴极射线及电子发现的过程；2.知道汤姆生研究阴极射线发现电子的实验及理论推导；3.知道电子电荷量的测定．一、探索阴极射线1．阴极射线：在抽成真空的玻璃管两端加上高电压时，从阴极发出的一种使玻璃管壁上出现绿色荧光的射线．2．汤姆生对阴极射线的探索方法(1)让阴极射线通过电场，根据偏转情况，可判断阴极射线带负电．(2)让阴极射线通过磁场，根据偏转情况，测出阴极射线的荷质比．二、电子的发现汤姆生的探究方法1．换用不同的放电气体，或用不同金属材料制作电极，测得相同的荷质比．2．在气体电离、光电效应中，可从不同物体中逸出这种射线粒子．3．这种粒子的电荷与氢离子的电荷大小基本相同，质量却比氢原子小得多．4．想一想电子发现的重大意义是什么？答案电子是人类发现的第一个比原子小的粒子．电子的发现，打破了原子不可再分的传统观念，使人们认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也有内部结构．从此，原子物理学飞速发展，人们对物质结构的认识进入了一个新时代．预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中问题1问题2问题3一、对阴极射线性质的研究1．阴极射线的本质是电子，在电场(或磁场)中所受电场力(或洛伦兹力)远大于所受重力，故研究电场力(或洛伦兹力)对电子运动的影响时，一般不考虑重力的影响．2．带电性质的判断方法(1)方法一：在阴极射线所经区域加上电场，通过打在荧光屏上的亮点的变化和电场的情况确定带电的性质．(2)方法二：在阴极射线所经区域加一磁场，根据亮点位置的变化和左手定则确定带电的性质．【例1】(多选)如图1所示，一只阴极射线管的左侧不断有电子射出，如果在管的正上方放一通电直导线AB时，发现射线的径迹往下偏转，则下列判断正确的是()图1A．导线中的电流从A流向BB．导线中的电流从B流向AC．电子束的径迹与AB中的电流无关D．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答案AD解析由于电子带负电，并且向下偏转，由左手定则知该处的磁场方向应垂直纸面向里，又由安培定则可判断导线中的电流方向为由A到B.可以通过改变导线中的电流方向来改变粒子的径迹．故正确答案为A、D.借题发挥本题是运用左手定则和安培定则的综合性题目，在应用左手定则判断洛伦兹力的方向时，一定要注意运动电荷的正负．针对训练1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________．若在图2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“向下”、“向里”或“向外”)偏转．图2答案电子向下解析阴极射线的实质是电子流，电子流形成的等效电流方向向左，当加上垂直纸面向里的磁场后，由左手定则判知电子受到的洛伦兹力的方向向下，故阴极射线将向下偏转．二、电子荷质比的测定实验探究如图3所示为测定阴极射线粒子荷质比的装置，从阴极K发出的阴极射线通过一对平行金属板D1、D2间的匀强电场，发生偏转．图3(1)在D1、D2间加电场后射线偏到P2，则由电场方向知，该射线带什么电？(2)再在D1、D2间加一磁场(图中未画出)，电场与磁场垂直，让射线恰好不偏转．设电场强度为E，磁感应强度为B，则电子的速度多大？(3)撤去电场，只保留磁场，使射线在磁场中做圆周运动，若测出轨道半径为r，则粒子的荷质比eq\f(q,m)是多大？答案(1)负电(2)eq\f(E,B)(3)eq\f(E,B2r)解析(2)粒子受两个力作用：电场力和磁场力，两个力平衡，即有qE＝qvB，得：v＝eq\f(E,B)(3)由洛伦兹力充当向心力：qvB＝meq\f(v2,r)，得出：eq\f(q,m)＝eq\f(v,Br).又v＝eq\f(E,B)，则eq\f(q,m)＝eq\f(E,B2r).测出E、B、r即可求荷质比eq\f(q,m).【例2】1897年，物理学家汤姆生正式测定了电子的荷质比，打破了原子是不可再分的最小单位的观点．因此，汤姆生的实验是物理学发展史上最著名的经典实验之一．在实验中汤姆生采用了如图4所示的阴极射线管，从电子枪C出来的电子经过A、B间的电场加速后，水平射入长度为L的D、E平行板间，接着在荧光屏F中心出现荧光斑．若在D、E间加上方向向下，场强为E的匀强电场，电子将向上偏转；如果再利用通电线圈在D、E电场区加上一垂直纸面的磁感应强度为B的匀强磁场(图中未画)荧光斑恰好回到荧光屏中心，接着再去掉电场，电子向下偏转，偏转角为θ，试解决下列问题．图4(1)说明图中磁场沿什么方向；(2)根据L、E、B和θ，求出电子的荷质比．答案(1)垂直纸面向里(2)eq\f(Esinθ,B2L)解析(1)磁场方向垂直纸面向里．(2)当电子在D、E间做匀速直线运动时有：eE＝Bev.当电子在D、E间的磁场中偏转时(如图所示)有Bev＝eq\f(mv2,r)，同时又有：L＝r·sinθ，可得：eq\f(e,m)＝eq\f(Esinθ,B2L).借题发挥(1)荷质比的测定问题只是带电粒子在磁场和电场中运动的一类典型问题，这种方法可以推广到带电粒子在复合场中运动，求其他相关的问题．(2)解决带电粒子在电磁场中运动的问题时要注意以下几点：①粒子的带电性质．②正确描绘运动轨迹．③能确定半径、圆心．④会利用几何知识把有关线段与半径联系起来．针对训练2如图5所示为测量某种离子的荷质比的装置．让中性气体分子进入电离室A，在那里被电离成离子．这些离子从电离室的小孔飘出，从缝S1进入加速电场被加速．然后让离子从缝S2垂直进入匀强磁场，最后打在底片上的P点．已知加速电压为U，磁场的磁感应强度为B，缝S2与P之间的距离为a，离子从缝S1进入电场时的速度不计，求该离子的荷质比eq\f(q,m).图5答案eq\f(8U,B2a2)解析离子在电场中qU＝eq\f(1,2)mv2①离子在磁场中Bqv＝meq\f(v2,R)②2R＝a③解①②③得eq\f(q,m)＝eq\f(8U,B2a2).对阴极射线的理解1．(多选)关于阴极射线的性质，下列说法中正确的是()A．阴极射线带负电B．阴极射线带正电C．阴极射线的荷质比比氢原子荷质比大D．阴极射线的荷质比比氢原子荷质比小答案AC解析通过让阴极射线在电场、磁场中的偏转的研究发现阴极射线带负电，其荷质比比氢原子的荷质比大得多，故A、C正确．2.阴极射线从阴极射线管中的阴极发出，在其间的高电压下加速飞向阳极，如图6所示．若要使射线向上偏转，所加磁场的方向应为()图6A．平行于纸面向左 B．平行于纸面向上C．垂直于纸面向外 D．垂直于纸面向里答案C解析由于阴极射线的本质是电子流，阴极射线向右传播，说明电子的运动方向向右，相当于存在向左的电流，利用左手定则，使电子所受洛伦兹力方向平行于纸面向上，由此可知磁场方向应为垂直于纸面向外，故选项C正确．电子的电量3．(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．电子电量的数值约为1.602×10－19D．电子质量与电量的比值称为电子的荷质比答案BC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．电子的电量与质量的比值称为电子的荷质比．4．关于电量，下列说法中错误的是()A．物体所带电量可以是任意值B．物体所带电量只能是某些值C．物体所带电量的最小值为1.6×10－19D．一个物体带1.6×10－9C的正电荷，这是它失去了1.0×1010答案A解析电量是量子化的，即物体的带电量只能是某一最小电量的整数倍，这一最小电量是1.6×10－19C(时间：60分钟)题组一阴极射线1．关于阴极射线，下列说法正确的是()A．阴极射线就是稀薄气体导电时的辉光放电现象B．阴极射线是在真空管内由正极放出的电子流C．阴极射线是由德国物理学家普吕克尔发现的D．阴极射线的荷质比比氢原子的荷质比小答案C解析阴极射线是在真空管中由负极发出的电子流，故A、B错；1858年，德国科学家普吕克尔发现了阴极射线，故C对；阴极射线本质是电子流，故其荷质比比氢原子荷质比大的多，故D错误．2．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射线答案C解析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．3．下列关于对阴极射线的说法，正确的是()A．是由很小的不带电的粒子构成的B．是由原子构成的C．是由电子构成的D．以上说法都不对答案C解析对阴极射线的研究结果显示，阴极射线是由电子构成的．这是英国物理学家汤姆生在1897年得出的结论．题组二电子的发现4．(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”，下列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．电子质量是质子质量的1836倍D．电子是一种粒子，是构成物质的基本单元答案AD解析汤姆生对不同材料的阴极发出的射线进行研究，均为同一种粒子——即电子，电子是构成物质的基本单元，它的质量远小于质子质量；由此可知A、D正确，B、C错误．5．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答案D解析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．题组三阴极射线的研究电子比荷的测定6．如图1是阴极射线管示意图．接通电源后，阴极射线由阴极沿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，在下列措施中可采用的是()图1A．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轴正方向答案B解析若加磁场，由左手定则可知，所加磁场方向沿y轴正方向，B正确；若加电场，因电子向下偏转，则电场方向沿z轴正方向．7．电子所带电量的精确数值最早是由美国物理学家密立根通过油滴实验测得的．他测定了数千个带电油滴的电量，发现这些电量都等于某个最小电量的整数倍．这个最小电量就是电子所带的电量．密立根实验的原理如图2所示，A、B是两块平行放置的水平金属板，A板带正电，B板带负电．从喷雾器嘴喷出的小油滴，落到A、B两板之间的电场中．小油滴由于摩擦而带负电，调节A、B两板间的电压，可使小油滴受到的电场力和重力平衡．已知小油滴静止处的电场强度是1.92×105N/C，小油滴半径是1.64×10－4c