2015-2016学年高中物理 第十八章 原子结构（课件+试题）（打包16套）新人教版选修3-5.zip

118.1 电子的发现1.(2014·泉州高二检测)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流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。故 C 项是正确的。2.(2013·泰州高二检测)如图所示,在阴极射线管正上方平行放一根通有强电流的长直导线,则阴极射线将 ( )A.向纸内偏转 B.向纸外偏转C.向下偏转 D.向上偏转【解析】选 D。由安培定则可以判断阴极射线所在处的磁场方向垂直纸面向外,电子从负极射出向右运动,由左手定则可判定阴极射线(电子)向上偏转。3.(多选)某大功率用电器在开关切断瞬间,开 关处有电火花,其正确解释是 ( )A.因为空气是良导体,电火花是空气放电形成的B.开关两端产生的高电压,使空气 电离放电C.为避免产生电火花,可把开关浸在绝缘油中D.以上说法均不对【解析】选 B、C。开关处产生的电火花,是因为用电器切断电源瞬间由于自感而产生高电压,高电压形成的强电场使空气电离导电,出现电火花,B 正确,A 错误;避免电火花产生的方法是使聚集在开关两端的正、负电荷慢慢放电,C 项的叙述是较好的解决方法。4.(多选)1897 年英国物理学家汤姆孙通过对阴极射线的探究,最终发现了电子,由此被称为“电子之父”,下列关于电子的 说法中正确的是 ( )2A.任何物质中均有电子B.不同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【解析】选 A、D。汤姆孙用不同的材料做阴极,都能发出阴极射线,且阴极射线均为同一种物质——电子,这说 明任何物质中均含有电子 ,A 对,B 错;根据对电子 比荷的测定可知,电 子电量和氢离子的电量相同,电子的质量远小于质子质量,是质子质量的 ,说明电子有11 836质量和电量,是一种粒子,并且电子是比原子更基本的物质单元,C 错,D 对。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.向荧光屏上看去,电子向我们飞来,在偏转线 圈中通以如图所示的电流(从右侧看),电子的偏转方向为 ( )A.向上 B.向下 C.向左 D.向右【解析】选 A。根据安培定则,环形磁铁右侧为 N 极、左侧为 S 极,在环内产生水平向左的匀强磁场, 利用左手定则可知 ,电子向上偏转,选项 A 正确。7.如图所示,电子由静止从 O 点经电场 U 加速后垂直射入匀强磁场 B 中,经偏转后打在 MN 板的 P 点,射入点到 P 点的距离为 d,求电子的比荷 的表 达式。(不考虑电子的重力)e𝑚3【解析】电子在加速电场 U 中加速的过程,根据动能定理,有 eU= mv2,解得 v=12 2𝑒𝑈𝑚垂直进入磁场后,电子受到的洛伦兹力提供向心力,电子做匀速圆周运动,故有 Bev=m ,由v2𝑅题意知:R=d2由以上各式整理可得电子的比荷为 =e𝑚8𝑈𝐵2𝑑2答案: =e𝑚8𝑈𝐵2𝑑2【总 结提升】求解电子比荷的关键点(1)电子运动速度的确定:一是根据电子在相互垂直的电磁场中做匀速直线运动,由平衡条件求出;二是可根据电场力做功等于电子动能的增量由动能定理解出。(2)电子在磁场中做圆周运动,洛伦兹力提供向心力。1.(多选)如图所示,从正离子源发射的正离子经加速电压 U 加速后进入相互垂直的匀强电场E 和匀强磁场 B 中,发现离子向上偏转,要使此离子沿直线穿过复合场,则下列说法正确的是 ( )A.增大电场强度 E,减小磁感应强度 BB.减小加速电压 U,增大电场强度 EC.适当地加大加速电压 U4D.适当地减小电场强度 E【解题指南】解答本题把握以下两点:(1)加速电场中电场力做的功等于离子动能的增加量。(2)偏转 电磁场中电场力和磁场力平衡时离子做匀速直线运动。【解析】选 C、D。正离子进入相互垂直的匀强电场和匀强磁场区域中,受到的电场力 F=qE,方向向上,受到的洛伦兹力 F 洛 =qvB,方向向下,离子向上偏,说明电场力大于洛伦兹力,要使离子沿直线运动,即 qE=qvB,则可以使洛伦兹力增大或使电场力减小,增大洛伦兹力的途径是增大加速电压 U 或增大磁感应强度 B,减小电场力的途径是减小电场强度 E。选项 C、D 正确。2.如图所示,让一束均匀的阴极射线垂直穿过正交的电磁场,选择合适的磁感应强度 B 和电场强度 E,带电粒子将不发生偏转,然后撤去电场,粒子将做匀速圆周运动,测得其半径为 R,求阴极射线中带电粒子的比荷。【解析】因为带电粒子不偏转,所以受到的电场力与洛伦兹力平衡,即 qE=qBv,所以 v= 。E𝐵撤去电场后,粒子进入磁场做匀速圆周运动,由洛伦兹力提供向心力,qvB=m ,所以其半径v2𝑅为 R= ,所以 = 。m𝑣𝑞𝐵 q𝑚E𝑅𝐵2答案:E𝑅𝐵23.带电粒子的比荷 是一个重要的物理量。某中学物理 兴趣小组设计了一个实验,探究电q𝑚场和磁场对电子运动轨迹的影响,以求得电子的比荷,实验装置如图所示。5(1)他们的主要实验步骤如下:A.首先在 两极板 M1、M 2之间不加任何电场、磁场 ,开启阴极射线管电源,射 出的电子从两极板中央通过,在荧光屏的正中心处观察到一个亮点。B.在 M1、M 2两极板间加合适的电场:加上极性如图所示的电压,并逐步调节增大,使荧光屏上的亮点逐渐向荧光屏下方偏移,直到荧光屏上恰好看不见亮点为止,记下此时外加电压为U。请问本步骤的目的是什么?C.保持步骤 B 中的电压 U 不变,对 M1M2区域加一个大小、方向合适的磁场 B,使荧光屏正中心重现亮点,试问外加磁场的方向如何?(2)根据上述实验步骤, 同学们正确推算出电子的比荷与外加电场、磁场及其他相关量的关系为 = 。一位同学说 ,这表明电子的比荷将由外加电压决定 ,外加电压越大则电子q𝑚 U𝐵2𝑑2的比荷越大。你认为他的说法正确吗?为什么?【解析】依据运动的带电粒子在电场中受电场力和在磁场中受洛伦兹力,两者平衡列方程求比荷。(1)B 中荧光屏上恰好看不到亮点说明电子刚好落在正极板的近荧光屏的边缘,目的是利用极板间的距离 d 表示比荷 ;C 中由于要求洛伦兹力方向向上,根据左手定则可知,外加磁场q𝑚方向垂直电场方向向外(垂直于纸面向外)。(2)不正确。电子的比荷 是电子的固有参数 ,与测量所加 U、B 以及极板间距离 d 无关。q𝑚答案:见解析4.(2013·扬州高二检测)把两个边长相等的金属板如图放置(金属板的边长为 d,两极板间距为 h),加如图所示的匀强电场 E,使阴极射线从两板中间位置射入,测出当阴极射线达到最大偏向时的电场强度 E 的大小;保持E 不变,再加以垂直电场向外的匀强磁场,从 小到大不断增加磁感应强度,6当阴极射线可以水平射出时读出磁感应强度为 B。证 明电子的比荷 = 。e𝑚Eℎ𝐵2𝑑2【解析】只存在匀强电场时,电子在电场中做类平抛运动,根据相关知识列出方程垂直于电场方向:t=d𝑣0沿电场方向: h= t212 12𝑒𝐸𝑚加上磁场后,电子做匀速直线运动:eE =ev0B联立上述方程得: = 。e𝑚Eℎ𝐵2𝑑2答案:见解析5.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,当调节A、B 两板间的电压为 U 时,可使油滴匀速下降。已知油滴可看成球体,密度为 ρ,下降的速度大小为 v,受到空气的阻力 f=kπr 2v,k 为比例系数,r 为油滴的大圆半径,两极板间距离为d,重力加速度为 g,则带电油滴的带电量是多大?【解析】油滴受三个力作用:重力、库仑力和空气阻力,因油滴匀速下降,三力平衡,有 mg=q+f,将 m=ρ· πr 3,f=kπr 2v 代入,得 q= 。U𝑑 43 π 𝑟2𝑑(4𝜌𝑟𝑔‒3𝑘𝑣)3𝑈答案:π 𝑟2𝑑(4𝜌𝑟𝑔‒3𝑘𝑣)3𝑈118.1 电子的发现【小题达标练】一、选择题1.(多选)(2015·南昌高二检测)如图所示是汤姆孙的气体放电管的示意图,下列说法中正确的是 ( )A.若在 D1、D 2之间不加电场和磁场,则阴极射线应打到最右端的 P1点B.若在 D1、D 2之间加上竖直向下的电场,则阴极射线应向下偏转C.若在 D1、D 2之间加上竖直向下的电场,则阴极射线应向上偏转D.若在 D1、D 2之间加上垂直纸面向里的磁场,则阴极射线不偏转【解析】选 A、C。实验证明,阴极射线是电子,它在电场中偏转时应偏向带正电的极板一侧,可知选项 C 正确,选项 B 的说法错误。加上磁场时,电子在磁场中受洛伦兹力作用,要发生偏转,因而选项 D 错误。当不加电场和磁场时,电子所受的重力可以忽略不计,因而不发生偏转,选项A 的说法正确。2.(2015·西昌高二检测)下列关于阴极射线的说法正确的是( )A.阴极射线是高速运动的质子流B.阴极射线是可用人眼直接观察的C.阴极射线是电磁波D.阴极射线是高速运动的电子流【解析】选 D。阴极射线是高速运动的电子流,A、C 错误,D 正确;阴极射线无法用人眼直接观察,B 错误。3.历史上第一个发现电子的科学家是 ( )A.贝可勒尔 B.道尔顿 C.伦琴 D.汤姆孙【解析】选 D。贝可勒尔发现了天然放射现象,道尔顿提出了原子论,伦琴发现了 X 射线,汤姆孙发现了电子。4.(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 ( )2A.+3×10-19C B.+4.8×10-19CC.-3.2×10-26C D.-4.8×10-19C【解析】选 B、D。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 是自然界中最小的电荷量,故 B、D 正确。【补偿训练】(多选)汤姆孙对阴极射线的探究,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.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 1 836 倍D.电子是一种粒子,是构成物质的基本单元【解析】选 A、D。汤姆孙对不同材料的阴极发出的射线进行研究,发现它们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.(多选)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 点向 A 点移动,则偏转磁场磁感应强度应该先由小到大,再由大到小3【解题指南】解答本题时应理解以下两点:(1)电子经过磁场时,若电子运动方向与磁场方向垂直,则电子受到洛伦兹力的作用而发生偏转。(2)判断洛伦兹力的方向时,要用左手定则,同时注意电子是带负电的。【解析】选 A、C。偏转线圈中没有电流,阴极射线沿直线运动,打在 O 点,A 正确。由阴极射线的电性及左手定则可知 B 错误,C 正确。由 R= 可知,B 越小,R 越大,故磁感应强度应先m𝑣𝑞𝐵由大变小,再由小变大,故 D 错误。6.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,如图所示。若要使射线向上偏转,所加磁场的方向应为 ( )A.平行于纸面向下 B.平行于纸面向上C.垂直于纸面向外 D.垂直于纸面向里【解析】选 C。由于阴极射线的本质是电子流,阴极射线运动方向向右,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。【互动探究】若要使射线向上偏转,所加电场的方向应为 ( )A.平行于纸面向下 B.平行于纸面向上C.垂直于纸面向外 D.垂直于纸面向里【解析】选 A。由于阴极射线的本质是电子流带负电,使电子所受电场力平行于纸面向上,则电场方向应为平行于纸面向下,故选项 A 正确。7.(多选)下列关于电子的说法正确的是 ( )A.发现电子是从研究阴极射线开始的B.发现物质中发出的电子比荷是不同的C.电子发现的意义是让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,可以在电场和磁场中偏转【解析】选 A、C。发现电子是从研究阴极射线开始的,A 项正确;发现物质中发出的电子比荷是相同的,B 项错误;电子的发现让人们认识到原子不是组成物质的最小微粒,原子本身也4具有复杂的结构,C 项正确;电子是带负电的,选项 D 错误。【易错提醒】解答本题的两个易错点:(1)知道阴极射线的本质是高速运动的电子流,但不知道发现电子是从研究阴极射线开始的,从而出现漏选。(2)容易忽略所有物质中发出的电子都是相同的,从而错选 B。二、非选择题8.如图是密立根油滴实验装置。在 A 板上方用喷雾器将油滴喷出,若干油滴从板上的一个小孔中落下,喷出的油滴因摩擦而带负电。已知 A、B 板间的电压为 U、间距为 d 时,油滴恰好静止。撤去电场后油滴徐徐下落,最后测出油滴以速度 v 匀速运动,已知空气阻力正比于速度:f=kv,则油滴所带的电荷量 q= 。某次实验得到 q 的测量值见下表(单位:×10 -19C)6.41 8.01 9.65 11.23 12.83分析这些数据可知:__________________________________________________________________________________________________________________。【解析】由 mg-Eq=0,mg-kv=0,E= ,解得 q= 。油滴的带电荷量是 1.6×10-19C 的整数倍,U𝑑 k𝑣𝑑𝑈故电荷的最小电荷量为 1.6×10-19C。答案: 油滴的带电荷量是 1.6×10-19C 的整数倍,故电荷的最小电荷量为 1.6×10-19Ck𝑣𝑑𝑈【总结提升】物理信息题处理技巧(1)提取物理信息;(2)构建物理模型;(3)转化为数学问题;(4)还原为物理结论。【大题提升练】1.(1)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 ( )5A.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(2)如图所示为美国物理学家密立根测量油滴所带电荷量装置的截面图,两块水平放置的金属板间距为 d,油滴从喷雾器的喷嘴喷出时,由于与喷嘴摩擦而带负电,油滴散布在油滴室中,在重力作用下,少数油滴通过上面金属板的小孔进入平行金属板间,当平行金属板间不加电压时,由于受到气体阻力的作用,油滴最终以速度 v1竖直向下匀速运动;当上板带正电,下板带负电,两板间的电压为 U 时,带电油滴恰好能以速度 v2竖直向上匀速运动。已知油滴在极板间运动时所受气体阻力的大小与其速率成正比,油滴密度为 ρ,已测量出油滴的直径为 D(油滴可看作球体,球体体积公式 V= πD 3),重力加速度为 g。16①设油滴受到气体的阻力 f=kv,其中 k 为阻力系数,求 k 的大小;②求油滴所带电荷量。【解析】(1)选 B。由于电子沿 x 轴正方向射出,要使荧光屏上的亮线向下偏转,则需使电子所受洛伦兹力方向向下,由左手定则可知磁场方向应沿 y 轴正方向,A 错,B 对;若加电场,需使电子所受电场 力方向向下,则所加电场方向应沿 z 轴正方向,C、D 错误。(2)①油滴速度为 v1时所受阻力 f1=kv1,油滴向下匀速运动时,重力与阻力平衡,有 f1=mgm=ρV= πρD 3,则 k= πρD 3g。16 16𝑣1②设油滴所带电荷量为 q,油滴受到的电场力为6F 电 =qE=qU𝑑油滴向上匀速运动时,阻力向下,油滴受力平衡,则kv2+mg=qU𝑑油滴所带电荷量为 q= 。ρ𝜋𝐷3𝑔𝑑(𝑣1+𝑣2)6𝑈𝑣1答案:(1)B (2)① πρD 3g ②16𝑣1 ρ𝜋𝐷3𝑔𝑑(𝑣1+𝑣2)6𝑈𝑣12.(1)(多选)对于如图所示的实验装置,下列说法正确的是( )A.这是阴极射线是否带电的实验装置B.密立根首次观察到阴极射线C.汤姆孙确定了组成阴极射线的粒子是电子D.赫兹认为阴 极射线是一种电磁波E.普吕克尔命名了阴极射线(2)汤姆孙用来测定电子的比荷(电子的电荷量与质量之比)的实验装置如图所示。真空管内的阴极 K 发出的电子(不计初速度、重力和电子间的相互作用)经加速电压加速后,穿过 A′中心的小孔沿中心轴 O1O 的方向进入到两块水平正对放置 的平行极板 P 和 P′间的区域。当极板间不加偏转电压时,电子束打在荧光屏的中心 O 点处,形成了一个亮点;加上偏转电压U 后,亮点偏离到 O′点(O′点与 O 点的竖直间距为 d,水平间距可忽略不计)。此时,在 P 和P′间的区域,再加上一个方向垂直于纸面向里的匀强磁场。调节磁场的强弱,当磁感应强度的大小为 B 时,亮点重新回到 O 点。已知极板水平方向的长度为 L1,极板间距为 b,极板右端到荧光屏的距离为 L2(如图所示)。①求打在荧光屏 O 点的电子速度的 大小;7②推导出 电子的比荷的表达式。【解析】(1)选 A、C、D。1897 年汤姆孙利用题图的实验装置,确定了组成阴极射线的粒子是电子,A、C 正确;1858 年普吕克尔首次观察到阴极射线,B 错误;1876 年,戈德斯坦命名了阴极射线,认为管壁上的荧光是由于玻璃受到阴极发出的某种射线的撞击而引起的,并把这种射线命 名为阴极射线,E 错误 ;赫兹认为阴极射线是一种电磁波,D 正确。(2)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,P 和 P′间电场强度为 E,则 evB=eE,得 v= ,即 v= 。E𝐵 U𝐵𝑏②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 a= 。e𝑈𝑚𝑏电子在水平方向做匀速运动,在电场内的运动时间 t1= ,L1𝑣这 样,电子在电场中竖直方向上偏转的距离d1= a = 。12t12e𝐿12𝑈2𝑚𝑣2𝑏离开电场时竖直向上的分速度 v⊥ =at1= 。e𝐿1𝑈𝑚𝑣𝑏电子离开电场后做匀速直线运动,经 t2时间到达荧光屏,则t2= 。L2𝑣t2时间内向上运动的距离 d2=v⊥ t2= 。e𝑈𝐿1𝐿2𝑚𝑣2𝑏这样,电子向上的总偏转距离d=d1+d2= L1(L2+ )。e𝑈𝑚𝑣2𝑏 L12可解得 = 。e𝑚 U𝑑𝐵2𝑏𝐿1(𝐿2+𝐿1/2)答案:(1)A、C、D (2)见解析【补偿训练】(多选)下列说法中正确的是 ( )A.汤姆孙精确地测出了电子电荷量 e=1.602 177 33(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.汤姆孙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8【解析】选 B、D。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 和电子电荷量 e 的值,可以确定电子的质量, 故 D 正确。e𝑚第十八章 原子结构1 电子的发现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 含的科学方法。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、阴极射 线1.演示 实验 :如 图 所示 ,真空玻璃管中 K是金属板制成的 _____,接感 应 圈的 负 极 ,A是金属 环 制成的 _____,接感 应 圈的正极 ,管中十字状物体是一个金属片。接 电 源后 ,感 应 圈会 产 生 _______的高 电压 加在两个 电 极之 间 。可 观 察到玻璃壁上淡淡的 荧 光及管中物体在玻璃壁上的 ___。阴极阳极近万伏影2.阴极射 线 :荧 光的 实质 是由于玻璃受到 _____发 出的某种射 线的撞 击 而引起的 ,这 种射 线 被命名 为 _________。3.19世 纪 ,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 _________,另一种 观 点 认为 阴极射 线 是 __________。阴极阴极射 线电 磁 辐 射 带电微粒二、 电 子的 发现1.阴极射 线 的 实质 :1897年 ,汤 姆 孙 根据 _________在 电场 和磁场 中的 _____情况断定 ,其本 质 是 带 _____的粒子流 ,并求出了 这种粒子的 _____。2.电 子的 电 量 :电 子 电 荷量的精确 测 定是 _______利用 “ 油滴 实验 ” 做出的 ,电 子 电 荷的 现 代 值为 ___________,与 氢 离子 带电量相同。3.电 荷量的量子化 :电 荷是量子化的 ,即任何 带电 体的 电 荷只能是 e的 _____倍。阴极射 线偏 转 负电比荷密立根1.6×10 -19C整数4.电 子 质 量 :电 子 质 量的数量 级为 _____kg。5.质 子 质 量与 电 子 质 量的比 值 : =______。6.电 子的 发现 的意 义 :电 子的 发现 使人 们认识 到 _____是可以分割的 ,电 子是 _____的 组 成部分 ,是比 _____更基本的物 质单 元。10-311 836原子原子 原子1.判一判 :(1)通 过 玻璃管壁上的 荧 光能 证 明阴极射 线 的存在。 ( )(2)电 子的 质 量 远 小于 氢 离子的 质 量。 ( )(3)电 荷是不 连续 的。 ( )(4)原子是最小的粒子 ,是不可分的。 ( )提示 :(1)√ 。玻璃管壁上发出的荧光证明了射线的存在 ,又只能从阴极发出 ,所以叫阴极射线。(2)√ 。氢离子的质量是电子质量的 1 800多倍。(3)√ 。密立根的 “ 油滴实验 ” 证明了任何带电体的电荷只能是 e的整数倍 ,故电荷是量子化的、不连续的。(4)× 。电子的发现证明原子不是最小的粒子 ,是可分的。2.想一想 :(1)气体放 电 管中的气体 为 什么会 导电 ?提示 :气体分子内部有电荷 ,正电荷和负电荷的数量相等 ,对外呈电中性 ,当分子处于电场中时 ,正电荷和负电荷受电场力的方向相反 ,电场很强时正、负电荷被 “ 撕 ” 开 ,于是出现了等量的正、负电荷 ,在电场力作用下做定向运动 ,气体就导电了。(2)只有磁 场时 ,电 子在磁 场 中的运 动轨 迹是什么形状 ?提示 :只有磁场时 ,电子垂直磁场运动 ,其运动轨迹是圆弧。主 题 一 阴极射 线 管与阴极射 线 【 问题探究 】1.如 图 是阴极射 线 管的构造 图 ,你能 说 出各部分的名称 吗 ?提示 :K是金属板制成的阴极 ;A是金属环制成的阳极 ;它们分别连接在感应圈的负极和正极上。管中十字状物体是一个金属片。2.阳极 为 什么制成 环 状或网状 ?提示 :阳极制成环状或网状 ,既能在它和阴极之间产生电场 ,从阴极金属中拉出电子 ,又能使电子被加速。3.装置中 产 生的射 线为 什么称 为 阴极射 线 ?提示 :在两极间加有高压时 ,阴极会发出一种射线 ,故称为阴极射线。4.阴极射 线 的特点是什么 ?提示 :阴极射线能够使荧光物质发光。5.对 阴极射 线 的本 质 的 认识 主要有哪两种 观 点 ?提示 :19世纪后期的两种观点 :(1)认为是电磁辐射 ,类似 X射线;(2)是带电粒子。【 探究总结 】阴极射 线 的 产 生机理阴极射 线 的 产 生就是 让电 子从金属中逃逸出来 ,也就是想 办 法让电 子 动 能 变 大 ,原子核束 缚 不住 电 子 ,这样电 子就 飞 出去了。方法有加 热 、用光子照射阴极表面 (光 电 效 应 )、用 别 的阴极 产生的 电 子 轰击 阴极等。本 节 中的阴极射 线 管是利用外加 电场把 电 子 “ 拉 ” 出来 ,称 为场发 射阴极。【 即时训练 】1.(多 选 )关于阴极射 线 的性 质 ,下列判断正确的是 ( )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 离子比荷大D.阴极射 线 的比荷比 氢 离子比荷小【 解 题 探究 】 (1)阴极射 线 的本 质 是 电 子流 ,电 子 带 _____。(2)电 子 电 荷量与 氢 离子 电 荷量相同 ,但 电 子的 质 量 _______氢 离子的 质 量 (选 填 “ 大于 ”“ 小于 ” 或 “ 等于 ” )。负电小于【 解析 】 选 A、 C。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 ,而且阴极射线的比荷比氢离子的比荷大得多 ,故 A、 C正确。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。主 题 二 电 子的 发现 【 问题探究 】1.用什么方法判断阴极射 线 是 带电 微粒 还 是 电 磁波 ?提示 :若阴极射线是带电微粒 ,则加上合适的电场或磁场后会发生偏转 ;若阴极射线是电磁波 ,则在任何情况下加上电场或磁场都不会发生偏转。2.如何判断阴极射 线 的 带电 性 质 ?提示 :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位置变化和电场的情况确定带电的性质。方法二 :在阴极射线所经区域加一磁场 ,根据荧光屏上亮点位置的变化和左手定则确定带电的性质。3.汤 姆 孙 是通 过 怎 样 的 实验 和推理 过 程 发现电 子的 ?提示 :汤姆孙通过测定阴极射线的电性实验 ,测得阴极射线中含有带负电的粒子 ,然后通过带电粒子在磁场或电场中的运动实验测得阴极射线中带负电粒子的比荷的大小 ,从而推理得到阴极射线中的粒子是电子。4.电 子 电 荷的精确 测 定是密立根通 过 “ 油滴 实验 ” 测 定的 ,密立根 实验 的重要意 义 是什么 ?提示 :发现电荷量是量子化的 ,即任何电荷只能是 e的整数倍。【 探究总结 】1.证 明阴极射 线 是 电 子的思路 :(1)通 过 阴极射 线 在 电场 中的偏 转证 明它是 带电 的粒子流。(2)通 过 阴极射 线 在 电场 和磁 场 中受力平衡求出它的速度。(3)通 过 它在磁 场 中的偏 转进 一步求出阴极射 线 粒子的比荷。(4)根据阴极射 线 粒子的比荷与 氢 离子比荷的关系求出它的 质量。(5)证 明阴极射 线 是 质 量 远 小于 氢 离子的粒子 —— 电 子。2.电 子 发现 的意 义 :电 子 发现 以前人 们认为 物 质 由分子 组 成 ,分子由原子 组 成 ,原子是不可再分的最小微粒。 现 在人 们发现了各种物 质 里都有 电 子 ,而且 电 子是原子的 组 成部分。 电 子 带负电 ,而原子是 电 中性的 ,说 明原子是可再分的。【 即时训练 】1.如 图为 示波管中 电 子 枪 的原理示意 图 。示波管内被抽成真空 ,A为发 射 热电 子的阴极 ,K为 接在高 电势 点的加速阳极 ,A、 K间电压为 U。 电 子离开阴极 时 的速度可以忽略 ,电 子 经 加速后从 K的小孔中射出 时 的速度大小 为 v。下面的说 法中正确的是 ( )A.如果 A、 K间 距离减半而 电压 仍 为 U不 变 ,则电 子离开 K时 的速度 变为 2vB.如果 A、 K间 距离减半而 电压 仍 为 U不 变 ,则电 子离开 K时 的速度 变为C.如果 A、 K间 距离保持不 变 而 电压 减半 ,则电 子离开 K时 的速度变为D.如果 A、 K间 距离保持不 变 而 电压 减半 ,则电 子离开 K时 的速度变为 v【 解析 】 选 D。由 qU= mv2得 v= ,由公式可知 ,电子经加速电场加速后的速度与加速电极之间的距离无关 ,对于确定的加速粒子 —— 电子 ,其速度只与电压有关 ,由此不难判定 D正确。2.在 汤 姆 孙测 阴极射 线 比荷的 实验 中 ,采用了如 图 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 加上方向向下、 场 强 为 E的匀 强 电场 ,阴极射 线 将向上偏 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 向下偏 转 ,偏 转 角 为 θ,试 解决下列 问题 :(1)说 明阴极射 线 的 电 性 ;(2)说 明 图 中磁 场 的方向 ;(3)根据 L、 E、 B和 θ, 求出阴极射 线 的比荷。【 解 题 探究 】 (1)如何确定阴极射 线 的 电 性 ?提示 :根据电场的方向和阴极射线偏转的方向可确定其电性。(2)如何确定磁 场 的方向 ?提示 :根据电场力和阴极射线的运动方向及洛伦兹力的方向 ,由左手定则确定磁场的方向。(3)阴极射 线 在磁 场 中做 _____________,_________提供向心力。匀速 圆 周运 动 洛 伦兹 力第十八章 原子结构1 电子的发现一、阴极射 线1.实验 装置 :如 图 所示真空玻璃管中 K是金属板制成的 _____,A是金属 环 制成的 _____;把它 们 分 别连 在感 应 圈的 负 极和正极上。阴极阳极2.实验现 象 :玻璃壁上出 现 淡淡的 _____及管中物体在玻璃壁上的影。3.阴极射 线 :荧 光是由于玻璃受到 _____发 出的某种射 线 的撞 击 而引起的 ,这 种射 线 被命名 为 _________。荧 光阴极阴极射 线【 判一判 】(1)玻璃壁上出 现 的淡淡 荧 光就是阴极射 线 。 ( )(2)玻璃壁上出 现 的影是玻璃受到阴极射 线 的撞 击 而 产 生的。 ( )(3)阴极射 线 在真空中沿直 线传 播。 ( )提示 :(1)× 。荧光是由于玻璃受到阴极射线的撞击而引起的 ,不是阴极射线。(2)× 。玻璃壁上出现的影是玻璃没有受到阴极射线的撞击 ,没能产生荧光造成的。(3)√ 。管中十字状物体挡住了射线 ,说明阴极射线在真空中沿直线传播。二、 电 子的 发现1.汤 姆 孙 的探究 :(1)让 阴极射 线 分 别 通 过电场 和磁 场 ,根据 _____情况 ,证 明它是 __(A.带 正 电 B.带负电 )的粒子流并求出了它的比荷。(2)换 用 _________的阴极做 实验 ,所得 _____的数 值 都相同。 证 明 这种粒子是构成各种物 质 的共有成分。偏 转 B不同材料 比荷(3)进 一步研究新 现 象 ,不 论 是由于正离子的 轰击 ,紫外光的照射 ,金属受 热还 是放射性物 质 的自 发辐 射 ,都能 发 射同 样 的 _________—— 电 子。由此可 见 ,电 子是原子的 _________,是比原子更 _____的物 质单 元。带电 粒子组 成部分 基本2.密立根 “ 油滴 实验 ” :(1)精确 测 定 _________。 (2)电 荷是 _______的。电 子 电 荷 量子化3.电 子的有关常量 :负电1.602×10 -19C 氢 离子9.1×10 -31kg【 判一判 】(1)英国物理学家 汤 姆 孙认为 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)× 。英国物理学家汤姆孙认为阴极射线是一种带电粒子流。(2)√ 。组成阴极射线的粒子被称为电子。(3)× 。电子电荷量是量子化的 ,只能是 e的整数倍。一、 对 阴极射 线 的 认识思考探究 :如 图 所示 为发现 阴极射 线 的 实验 装置。(1)阴极射 线 是从哪个地方 发 出的 ,感 应 圈的作用是什么 ?(2)管中十字状金属片的作用是什么 ?提示 :(1)阴极射线是从阴极 K发出的 ,感应圈的作用是利用万伏的高压,对阴极射线进行加速。(2)管中十字状金属片的作用是挡住阴极射线 ,从而形成十字形的影 ,首先说明荧光是由于阴极射线撞击玻璃而形成 ,其次说明阴极射线沿直线运动。【 归纳总结 】1.现 象 :真空玻璃管两极加上高 电压 ,玻璃管壁上 发 出 荧 光及管中物体在玻璃壁上的影。2.命名 :德国物理学家戈德斯坦将阴极 发 出的射 线 命名 为 阴极射 线 。3.猜想 :(1)阴极射 线 是一种 电 磁 辐 射。(2)阴极射 线 是 带电 微粒。4.验证 :英国物理学家 汤 姆 孙让 阴极射 线 在 电场 和磁 场 中偏 转 ,发现 阴极射 线带负电 并 测 出了粒子的比荷 发现电 子。5.实验 :密立根通 过 “ 油滴 实验 ” 精确 测 定了 电 子的 电 荷量和 电 子的 质 量。【 典例示范 】 (多 选 )如 图 所示 ,一只阴极射 线 管 ,左 侧 不断有 电 子射出 ,若在管的正下方放一通 电直 导线 AB时 ,发现 射 线 径迹向下偏 转 ,则 ( )A.导线 中的 电 流由 A流向 BB.导线 中的 电 流由 B流向 AC.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D.电 子束的径迹与 AB中的 电 流方向无关【 解 题 探究 】(1)射 线 的 轨 迹向下偏 说 明了什么 ?提示 :粒子受到了磁场对它向下的作用力。(2)如何确定射 线 所在 处 磁 场 的方向 ?提示 :应根据左手定则判断。【 正确解答 】 选 B、 C。阴极射线是高速电子流 ,由左手定则判断可知 ,磁场垂直纸面向里 ,由安培定则可知 ,导线 AB中的电流由 B流向 A,且改变 AB中的电流方向时可以使电子束的轨迹往上偏。故选项 B、 C正确。【 过 关 训练 】1.(多 选 )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 的 辉 光放 电现 象B.阴极射 线 是在真空管内由阴极 发 出的 电 子流C.阴极射 线 是 组 成物体的原子D.阴极射 线 沿直 线传 播 ,但可被 电场 和磁 场 偏 转【 解析 】 选 B、 D。阴极射线是在真空管内由阴极发出的电子流 ,选项 B正确 ,A错误 ;电子是原子的组成部分 ,选项 C错误 ;阴极射线是带电粒子,可被电场和磁场偏转 ,选项 D正确。2.发 射阴极射 线 的真空玻璃管中高 电压 的作用是 ( )A.使玻璃壁 产 生 压电 效 应 从而 产 生 辉 光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 ,炽热的阴极发射电子流 ,再通过高电压的加速而获得能量 ,与玻璃壁碰撞而产生辉光 ,故选项 A、 B、 C错误 ,选项 D正确。【 补偿训练 】1.(多 选 )下列 说 法正确的是 ( )A.阴极射 线带负电B.阴极射 线带 正 电C.汤 姆 孙 通 过 阴极射 线 在 电场 和磁 场 中的运 动 得出了阴极射 线 是 带负电 的粒子的 结论 ,并求出了阴极射 线 的比荷D.汤 姆 孙 通 过对 光 电 效 应 的研究 ,发现 了 电 子【 解析 】 选 A、 C。阴极射线是高速飞行的电子流 ,电子带负电 ,A正确,B错误。汤姆孙研究阴极射线发现了电子 ,并求出了比荷 ,C正确 ,D错误。2.(2015· 宁波高二 检测 )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。【 误 区警示 】 应 用复合 场 求 带电 粒子偏 转时 的两个 误 区(1)误认为带电 粒子在两个 场 中的偏 转规 律相同。带电 粒子在 电场 中是按照 类 平抛的 规 律偏 转 ,带电 粒子在磁 场 中是按照 圆 周运 动 的 规 律偏 转 。(2)误认为带电 粒子在复合 场 中做直 线 运 动时 ,只要 电场 和磁 场 垂直即可。带电 粒子在复合 场 中做直 线 运 动时 ,电场 和磁 场 不 仅 要垂直 ,而且垂直关系是固定的 ,还 要大小关系成定 值 。二、 电 子比荷的 测 定方法思考探究 :如 图 所示 为汤 姆 孙 的气体放 电 管。(1)在金属板 D1、 D2之 间 加上如 图 所示的 电场时 ,发现 阴极射 线 向下偏 转 ,说 明它 带 什么性 质 的 电 荷 ?(2)在金属板 D1、 D2之 间单 独加哪个方向的磁 场 ,可以 让 阴极射 线 向上偏 转 ?提示 :(1)阴极射线向下偏转 ,与电场线方向相反 ,说明阴极射线带负电。(2)由左手定则可得 ,在金属板 D1、 D2之间单独加垂直纸面向外的磁场 ,可以让阴极射线向上偏转。【 归纳总结 】1.让带电 粒子通 过 相互垂直的 电场 和磁 场 (如 图 ),让 其做匀速直 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= 2.撤去 电场 (如 图 ),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= 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 :【 典例示范 】 带电 粒子的比荷 是一个重要的物理量。某中学物理兴 趣小 组设计 了一个 实验 ,探究 电场 和磁 场对电 子运 动轨 迹的影响,以求得 电 子的比荷 ,实验 装置如 图 所示。其中两正 对 极板 M1、 M2之间 的距离 为 d,极板 长 度 为 L。