3.1电子的发现及其重大意义-3.2原子模型的提出 学案（2020年沪科版高中物理选修3-5）

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1、31 电子的发现及其重大意义电子的发现及其重大意义 32 原子模型的提出原子模型的提出 学习目标 1.知道阴极射线的组成，电子是原子的组成部分.2.了解汤姆生发现电子的研究方 法及蕴含的科学思想.3.了解 粒子散射实验的实验器材、实验原理和实验现象.4.知道卢瑟福 的原子核式结构模型的主要内容.5.知道原子和原子核半径的数量级， 原子的组成及带电情况 一、阴极射线 电子的发现 导学探究 1.在图 1 所示的实验中，将阴极射线管的阴极和阳极接上高压电源后，用真空泵逐渐抽去管 中的空气，会产生什么现象？当气压降得很低时，又有什么现象发生？ 图 1 答案 接上高压电源后，逐渐抽去管中的空气，管内会产

2、生气体放电现象，并发出光来；当 气压降得很低时，管内不再发光，但由阴极发射出的射线，能使荧光物质发光 2人们对阴极射线的本质的认识有两种观点，一种观点认为阴极射线是一种电磁波，另一种 观点认为阴极射线是带电微粒，你认为应如何判断哪种观点正确？ 答案 可以让阴极射线通过电场(磁场)，若射线垂直于电场(磁场)方向射入之后发生了偏转， 则该射线是由带电微粒组成的 知识梳理 1阴极射线的特点 (1)在无磁场和电场的空间中沿直线传播； (2)碰到荧光物体可使物体发出荧光 2汤姆生对阴极射线本质的探究 结论：汤姆生通过实验得出，阴极射线是一种带负电的质量很小的粒子，物理学中称为电子， 电子是原子的组成部分

3、 即学即用 判断下列说法的正误 (1)阴极射线在无电场、无磁场空间沿直线传播( ) (2)英国物理学家汤姆生认为阴极射线是一种电磁辐射( ) (3)组成阴极射线的粒子是电子( ) (4)电子是原子的组成部分，电子电荷量可以取任意数值( ) 二、 粒子散射实验 导学探究 如图 2 所示为 1909 年英籍物理学家卢瑟福指导他的助手盖革和马斯顿进行 粒子散射实验的实验装置，阅读课本，回答以下问题： 图 2 (1)什么是 粒子？ (2)实验装置中各部件的作用是什么？实验过程是怎样的？ (3)实验现象如何？ (4)少数 粒子发生大角度散射的原因是什么？ 答案 (1) 粒子(42He)是从放射性物质中发

4、射出来的快速运动的粒子，实质是失去两个电子的 氦原子核，带有两个单位的正电荷，质量为氢原子质量的 4 倍、电子质量的 7 300 倍 (2) 粒子源：把放射性元素钋放在带小孔的铅盒中，放射出高能的 粒子 带荧光屏的放大镜：观察 粒子打在荧光屏上发出的微弱闪光 实验过程： 粒子经过一条细通道，形成一束射线，打在很薄的金箔上，由于金原子中的带电粒子对 粒子有库仑力的作用，一些 粒子会改变原来的运动方向带有放大镜的荧光屏可以沿图中 的虚线转动，以统计向不同方向散射的 粒子的数目 (3)绝大多数的 粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，少数 粒子发生了较大的偏转，有的 粒子偏转角超过 90 ，极少数 粒子

5、甚至被反弹回来 (4) 粒子带正电， 粒子受原子中带正电的部分的排斥力发生了大角度散射 知识梳理 1 粒子散射实验装置由 粒子源、金箔、带有荧光屏的放大镜等几部分组成，实验时从 粒子源到荧光屏这段路程应处于真空中 2实验现象 (1)绝大多数的 粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进； (2)少数 粒子发生了较大的偏转； (3)有的 粒子偏转角超过 90 ，极少数 粒子甚至被反弹回来 3实验意义：卢瑟福通过 粒子散射实验，否定了汤姆孙的原子模型，建立了核式结构模 型 即学即用 判断下列说法的正误 (1) 粒子散射实验证明了汤姆生的原子模型是符合事实的( ) (2) 粒子散射实验中大多数 粒子发生了大角

6、度偏转或反弹( ) (3) 粒子大角度的偏转是电子造成的( ) (4) 粒子带有两个单位的正电荷，质量为氢原子质量的 2 倍( ) 三、原子的核式结构模型 原子核的电荷与尺度 导学探究 1原子中的原子核所带电荷量有何特点？ 答案 原子核带正电，原子是电中性的，原子核所带电荷量与核外电子所带的电荷量相等 2核式结构模型是如何解释 粒子散射实验结果的？ 答案 由于原子核很小，大多数 粒子穿过金箔时都离核很远，受到的库仑斥力很小，它 们的运动方向几乎不改变 只有极少数 粒子有机会与原子核接近，受到原子核较大的库仑斥力而发生明显的偏转 知识梳理 1核式结构模型：1911 年由卢瑟福提出在原子中心有一个

7、很小的核，叫做原子核它集 中了原子的全部正电荷和几乎全部的质量，电子在核外空间绕核旋转 2原子核的电荷与尺度 即学即用 1判断下列说法的正误 (1)卢瑟福的核式结构模型认为原子中带正电的部分体积很小，电子在正电体外面运 动( ) (2)对于一般的原子，由于原子核很小，所以内部十分空旷( ) 2(多选)卢瑟福的原子核式结构学说可以解决的问题是( ) A解释 粒子散射现象 B用 粒子散射的实验数据估算原子核的大小 C卢瑟福通过 粒子散射实验证实了在原子核内部存在质子 D卢瑟福通过 粒子散射实验证明了原子核是由质子和中子组成的 答案 AB 解析 粒子散射实验现象与汤姆生的枣糕模型相矛盾，卢瑟福的原子

8、核式结构模型合理解 释了该实验现象，并通过实验数据估算出了原子核的半径的数量级为 10 15 m，A、B 正确； 卢瑟福通过 粒子散射实验，提出了原子是由原子核和核外电子组成的，但不能说明原子核 内存在质子，故 C 错误；卢瑟福通过 粒子散射实验提出了原子的核式结构模型，但不能证 明原子核是由质子和中子组成的，故 D 错误. 一、对阴极射线的认识 1阴极射线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，根据打在荧光屏上的亮点位置的变化和电场的情 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 2实验结果 根据阴极射线在

9、电场中和磁场中的偏转情况，判断出阴极射线是粒子流，并且带负电 例 1 (多选)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粉而产生的 B只要阴阳两极间加有电压，就会有阴极射线产生 C阴极射线是真空玻璃管内由阴极发出的射线 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 答案 CD 解析 阴极射线是真空玻璃管内由阴极直接发出的射线，故 A 错误，C 正确；只有当两极间 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，故 B 错误，D 正确 二、带电粒子比荷的测定 1利用磁偏转测量 (1

10、)让带电粒子通过相互垂直的电场和磁场(如图 3)，并做匀速直线运动，根据二力平衡，fF 电(BqvqE)，得到粒子的运动速度 vE B. 图 3 (2)撤去电场(如图 4)，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 Bqvmv 2 r ，得 rmv Bq.根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径 r. 图 4 (3)由以上两式确定粒子的比荷表达式：q m E B2r. 2利用电偏转测量 带电粒子在匀强电场中运动，偏转量 y1 2at 21 2 qU md( L v) 2，故q m 2ydv2 UL2 ，所以在偏转电场中， U、d、L 已知时，只需测量 v 和 y 即可 例 2

11、 在再现汤姆生测阴极射线比荷的实验中，采用了如图 5 所示的阴极射线管，从 C 出来 的阴极射线经过 A、B 间的电场加速后，水平射入长度为 L 的 D、G 平行板间，接着在荧光 屏 F 中心出现荧光斑若在 D、G 间加上方向向上、场强为 E 的匀强电场，阴极射线将向下 偏转； 如果再利用通电线圈在 D、 G 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，阴极射线向上偏转，偏转角为 ， 试解决下列问题： 图 5 (1)说明阴极射线的电性 (2)说明图中磁场沿什么方向 (3)根据 L、E、B 和 ，求出阴极射线的比荷 答案 (1)负电

12、 (2)垂直纸面向外 (3)Esin B2L 解析 (1)由于阴极射线在电场中向下偏转，因此阴极射线受电场力方向向下，又由于匀强电 场方向向上，则电场力的方向与电场方向相反，所以阴极射线带负电 (2)由于所加磁场使阴极射线受到向上的洛伦兹力，而与电场力平衡，由左手定则得磁场的方 向垂直纸面向外 (3)设此射线带电荷量为 q，质量为 m，当射线在 D、G 间做匀速直线运动时，有 qEBqv.当 射线在 D、 G 间的磁场中偏转时， 有 Bqvmv 2 r .同时又有 Lr sin ， 如图所示， 解得q m Esin B2L . 运用电磁场测定电子比荷的解题技巧 1当电子在复合场中做匀速直线运动

13、时，eEevB，可以测出电子速度大小 2当电子在匀强磁场中偏转时，evBmv 2 r ，测出圆周运动半径，即可确定比荷 3当电子在匀强电场中偏转时，y1 2at 2eUL 2 2mv2d，测出电子在电场中的偏转量也可以确定比 荷 针对训练 1 如图 6 所示，电子以初速度 v0从 O 点进入长为 l、板间距离为 d、电势差为 U 的平行板电容器中，出电场时打在屏上 P 点，经测量 OP 距离为 Y0，求电子的比荷 图 6 答案 2dY0v02 Ul2 解析 设：电子的电荷量为 e，质量为 m.由于电子在电场中做类平抛运动，沿电场力方向做 初速度为零的匀加速直线运动，满足 Y01 2at 21

14、2 eU d m ( l v0) 2 eUl2 2dmv02， 则 e m 2dY0v02 Ul2 . 三、对 粒子散射实验的理解 例 3 (多选)(2018 济南一中高二期中)卢瑟福和他的助手用 粒子轰击不同的金属，并同时 进行观测，经过大量的实验，最终确定了原子的核式结构如图 7 为该实验的装置，其中荧 光屏能随显微镜在图中的圆面内转动当用 粒子轰击金箔时，在不同位置进行观测，如果 观测的时间相同，则下列说法正确的是( ) 图 7 A在 1 处看到的闪光次数最多 B2 处的闪光次数比 4 处多 C3 和 4 处没有闪光 D4 处有闪光但次数极少 答案 ABD 解析 在卢瑟福 粒子散射实验中

15、， 粒子穿过金箔后，绝大多数 粒子仍沿原来的方向前 进，则在 1 处看到的闪光次数最多，故 A 正确；少数 粒子发生大角度偏转，极少数 粒子 偏转角度大于 90 ，极个别 粒子被反弹回来，在 2、3、4 位置观察到的闪光次数依次减少， 故 C 错误，B、D 正确 针对训练 2 粒子散射实验中，不考虑电子和 粒子的碰撞影响，是因为( ) A 粒子与电子根本无相互作用 B 粒子受电子作用的合力为零，是因为电子是均匀分布的 C 粒子和电子碰撞时受力极小，可忽略不计 D电子很小， 粒子碰撞不到电子 答案 C 解析 在 粒子散射实验中， 电子与 粒子存在相互作用， A 错； 电子质量只有 粒子的 1 7

16、 300， 电子与 粒子碰撞后，电子对 粒子的影响就像灰尘对子弹的影响，完全可忽略不计，C 正 确，B、D 错误 解决这类问题的关键是理解并熟记以下两点： (1)明确实验装置的组成及各部分的作用 (2)弄清实验现象，知道“绝大多数”“少数”和“极少数” 粒子的运动情况及原因 四、原子的核式结构分析 1原子内的电荷关系：原子核的电荷数与核外的电子数相等，非常接近原子序数 2原子的核式结构模型对 粒子散射实验结果的解释： (1)当 粒子穿过原子时，如果离核较远，受到原子核的斥力很小， 粒子就像穿过“一片空 地”一样，无遮无挡，运动方向改变很小因为原子核很小，所以绝大多数 粒子不发生偏 转 图 8

17、(2)只有当十分接近原子核的 粒子穿过原子时， 才受到很大的库仑力作用， 发生大角度偏转， 而这种机会很少，所以有少数粒子发生了大角度偏转 (3)如果 粒子正对着原子核射来，偏转角几乎达到 180 ，这种机会极少，如图 8 所示，所以 极少数粒子的偏转角度甚至大于 90 . 例 4 (多选)根据卢瑟福的原子核式结构理论，下列对原子结构的认识中，正确的是( ) A原子中绝大部分是空的，原子核很小 B电子在核外运动，库仑力提供向心力 C原子的全部正电荷都集中在原子核里 D原子核的直径大约为 10 10 m 答案 ABC 解析 卢瑟福 粒子散射实验的结果否定了关于原子结构的汤姆生模型，提出了关于原子

18、的 核式结构模型，并估算出原子核半径的数量级为 10 15 m，原子半径的数量级为 1010 m，原 子半径是原子核半径的十万倍，所以原子内部是十分“空旷”的，核外带负电的电子由于受 到带正电的原子核的吸引而绕核旋转，所以 A、B、C 正确，D 错误 针对训练 3 如图 9 所示为卢瑟福的 粒子散射实验示意图，、三条线表示实验中 粒子运动的轨迹，则沿所示方向射向原子核的 粒子可能的运动轨迹为( ) 图 9 A轨迹 a B轨迹 b C轨迹 c D轨迹 d 答案 A 解析 卢瑟福通过 粒子散射实验提出了原子的核式结构模型， 正电荷全部集中在原子核内， 粒子带正电，同种电荷相互排斥，因离原子核越近，

19、受到的库仑斥力越强，则偏转程度越 大，所以沿所示方向射向原子核的 粒子可能的运动轨迹为 a，故 A 正确，B、C、D 错误 1(对阴极射线的认识)(多选)英国物理学家汤姆生通过对阴极射线的实验研究发现( ) A阴极射线在电场中偏向正极板一侧 B阴极射线在磁场中受力情况跟正电荷受力情况相同 C不同材料所产生的阴极射线的比荷不同 D汤姆生并未精确得出阴极射线粒子的电荷量 答案 AD 解析 阴极射线实质上就是高速电子流，所以在电场中偏向正极板一侧，A 正确由于电子 带负电，所以其在磁场中受力情况与正电荷不同，B 错误不同材料所产生的阴极射线都是 电子流，所以它们的比荷是相同的，C 错误最早精确测出电

20、子电荷量的是美国物理学家密 立根，D 正确 2( 粒子散射实验的认识及解释)(多选)关于 粒子散射实验，下列说法正确的是( ) A在实验中，观察到的现象是：绝大多数 粒子穿过金箔后，仍沿原来的方向前进，极少 数发生了较大角度的偏转 B使 粒子发生明显偏转的力来自带正电的核和核外电子，当 粒子接近核时，是核的斥 力使 粒子发生明显偏转；当 粒子接近电子时，是电子的吸引力使之发生明显偏转 C实验表明：原子中心有一个极小的核，它占有原子体积极小的一部分 D实验表明：原子中心的核带有原子的全部正电荷和原子的全部质量 答案 AC 3( 粒子散射实验的认识)X 表示金原子核， 粒子射向金核被散射，若它们入射时的动能 相同，其偏转轨道可能是下图中的( ) 答案 D 解析 粒子离金原子核越远其所受斥力越小，轨道弯曲程度就越小，故选项 D 正确 4(原子的核式结构模型)(多选)卢瑟福原子核式结构理论的主要内容有( ) A原子的中心有个核，叫原子核 B原子的正电荷均匀分布在整个原子中 C原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里 D带负电的电子在核外绕着核旋转 答案 ACD