鲁科版 (2019)选择性必修 第三册电子的发现与汤姆孙原子模型导学案

这是一份鲁科版 (2019)选择性必修 第三册电子的发现与汤姆孙原子模型导学案，共10页。学案主要包含了物质结构的早期探究，电子的发现，汤姆孙原子模型等内容，欢迎下载使用。

1．了解人类探索原子及其结构的历史。 2.知道阴极射线是由电子组成的，电子是原子的组成部分。
3．知道电荷是量子化的，即任何电荷只能是e的整数倍。 4.知道汤姆孙的原子结构模型。
一、物质结构的早期探究
1．玻意耳以化学实验为基础建立了科学的元素论。道尔顿提出原子论，认为原子是元素的最小单元。阿伏伽德罗提出分子假说，指出分子可由多个相同的原子组成。
2．19世纪初期形成的分子-原子论认为：在物质的结构中存在着分子、原子这样的层次；宏观物质的化学性质决定于分子，而分子则由原子构成；原子是构成物质的不可再分割的最小颗粒，它既不能创生，也不能消灭。
二、电子的发现
1．阴极射线
科学家在研究稀薄气体放电时发现，当玻璃管内的气体足够稀薄时，阴极会发出一种射线，这种射线能使玻璃管壁发出荧光，人们把这种射线称为阴极射线。
2．汤姆孙的探究
(1)通过使阴极射线粒子受到的静电力与洛伦兹力平衡等方法，确定了阴极射线粒子的本质是带负电的粒子流，并确定了其速度，测量出了
这些粒子的比荷。当带电粒子受到的静电力与洛伦兹力平衡时，有qE＝qvB，由此确定带电粒子的运动速率。然后使电场为零，带电粒子在磁场区内做圆周运动，有qvB＝ eq \f(mv2,R) ，由以上两式可得带电粒子的比荷 eq \f(q,m) ＝ eq \f(E,RB2) ，实验中测得的带电粒子的比荷大约是1011 C/kg。
(2)把各种不同的气体充入管内，用不同的金属分别制成阴极，实验测出的比荷大体相同，说明这种带电粒子是组成各种物质的共同成分。
(3)汤姆孙测量了阴极射线粒子的电荷，发现这些粒子电荷量的大小与氢离子大致相同，而比荷却是氢离子的近两千倍。汤姆孙认为，阴极射线粒子是电荷量大小与氢离子相同、而质量比氢离子小得多的粒子，他把这种带电粒子称为电子。
(4)电子的发现说明原子具有一定的结构，也就是说原子是由电子和其他物质组成的。
三、汤姆孙原子模型
汤姆孙提出了原子模型，他认为原子是一个球体，原子带正电的部分应充斥整个原子，很小很轻的电子镶嵌在球体的某些固定位置，正像葡萄干嵌在面包中那样，这就是原子的“葡萄干面包”模型。电子带的负电被原子内带的正电抵消，因此原子呈电中性。如果原子失去电子或得到电子，就会变成离子，电子一方面要受正电荷的吸引，另一方面又要互相排斥，因此必然有一个处于平衡的状态。电子在它们的平衡位置附近做简谐振动，可发射或吸收特定频率的电磁波。
判断下列说法是否正确。
(1)电子的发现说明原子具有一定结构。( )
(2)阴极射线在真空中沿直线传播。( )
(3)英国物理学家汤姆孙认为阴极射线是一种电磁辐射。( )
(4)组成阴极射线的粒子是电子。( )
(5)电子是原子的组成部分，电子电荷量可以取任意数值。( )
(6)汤姆孙的“葡萄干面包”模型认为原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内。( )
提示：(1)√ (2)√ (3)× (4)√ (5)× (6)√
知识点一 对阴极射线的认识
1．对阴极射线本质的认识——两种观点
(1)电磁波说，代表人物——赫兹，他认为这种射线是一种电磁辐射。
(2)粒子说，代表人物——汤姆孙，他认为这种射线是一种带电粒子流。
2．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，通过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，根据荧光屏上亮点位置的变化和磁场方向利用左手定则确定带电的性质。
3．实验结果
根据阴极射线在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。
(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
[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。
[答案] CD
英国物理学家汤姆孙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．汤姆孙直接测到了阴极射线粒子的电荷量
[解析] 阴极射线在电场中偏向正极板一侧，A正确；阴极射线在磁场中受力情况跟负电荷受力情况相同，B错误；不同材料所产生的阴极射线的比荷相同，C错误；汤姆孙并没有直接测到阴极射线粒子的电荷量，D错误。
[答案] A
知识点二 电子比荷的测定
汤姆孙的气体放电管如图所示。
(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之间单独加垂直于纸面向外的磁场，可以让阴极射线向上偏转。
1．利用磁偏转测定电子比荷
(1)让电子通过正交的电磁场，如图甲所示，让其做匀速直线运动，根据二力平衡，即F洛＝F电(Bqv＝qE)得到电子的运动速度v＝ eq \f(E,B) 。
(2)在其他条件不变的情况下，撤去电场，如图乙所示，保留磁场让电子在磁场中运动，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，则由qvB＝m eq \f(v2,r) ，得 eq \f(q,m) ＝ eq \f(v,Br) ＝ eq \f(E,B2r) 。
2．利用电偏转测定电子比荷
带电粒子在匀强电场中运动，如图丙所示，偏转量y＝ eq \f(1,2) at2＝ eq \f(1,2) · eq \f(qU,md) eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(L,v))) eq \s\up12(2) ，故 eq \f(q,m) ＝ eq \f(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。
3．电子发现的意义
(1)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。
(2)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。
(3)电子带负电，而原子是电中性的，说明原子是可再分的。
如图所示的是汤姆孙做阴极射线实验时用到的气体放电管，在K、A之间加高电压，便有阴极射线射出；C、D 间不加电压时，荧光屏上O点出现亮点，当C、D之间加如图所示的电压时，光屏上P 点出现亮点。
(1)要使K 、A 之间有阴极射线射出，则 K 应接高压电源____________(选填“正极”或“负极”)；要使荧光屏上P 处的亮点再回到O点，可以在C、D 间加垂直于纸面____________(选填“向里”或“向外”)的匀强磁场。
(2)汤姆孙换用不同材料的阴极做实验，发现不同阴极发出的射线的比荷是____________(选填“相同”或“不同”)的。
[解析] (1)要使K 、A 之间有阴极射线射出，则 K 应接高压电源负极；要使光屏上P 处的亮点再回到O点，则洛伦兹力向上，根据左手定则可知，可以在C、D 间加垂直于纸面向外的匀强磁场。
(2)汤姆孙换用不同材料的阴极做实验，发现不同阴极发出的射线的比荷是相同的。
[答案] (1)负极 向外 (2)相同
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，接着在荧光屏中心F处出现荧光斑。若在D、G间加上方向向下、电场强度为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电场区加上一垂直于纸面的磁感应强度为B的匀强磁场(图中未画出)，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。
[解析] (1)当只加方向向下的匀强电场时，阴极射线向上偏转，因此所受电场力方向向上，则所受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下的洛伦兹力，而与电场力平衡，由左手定则得磁场的方向垂直于纸面向里。
(3)设此射线所带电荷量为q，质量为m，当射线在D、G间做匀速直线运动时，有qE＝qvB。当射线在D、G间的磁场中偏转时，有qvB＝ eq \f(mv2,r)
同时又有L＝r sin θ，如图所示。
解得 eq \f(q,m) ＝ eq \f(E sin θ,B2L) 。
[答案] 见解析
知识点三 密立根油滴实验
1．密立根油滴实验的装置如图所示
(1)两块水平放置的平行金属板A、B与电源相接，使上板带正电，下板带负电。油滴从喷雾器喷出后，经上面金属板中间的小孔，落到两板之间的匀强电场中。
(2)大多数油滴在经过喷雾器喷嘴时，因摩擦而带负电，油滴在电场力、重力和空气阻力的作用下下降。观察者可在强光照射下，借助显微镜进行观察。
2．方法
(1)两板间的电势差、距离都可以直接测得，从而确定极板间的电场强度E。但是由于油滴太小，其质量很难直接测出。密立根通过测量油滴在空气中下落的终极速度来测量油滴的质量。没加电场时，由于空气的黏性，空气给油滴的摩擦力很快就等于油滴所受的重力大小而使油滴匀速下落，可测得速度v1。
(2)再加一足够强的电场，使油滴做竖直向上的运动，在油滴以速度v2匀速运动时，油滴所受的静电力与重力、阻力平衡。根据空气阻力遵循的规律，即可求得油滴所带的电荷量。
3．结论
带电油滴的电荷量都等于某个最小电荷量的整数倍，从而证实了电荷是量子化的，并求得了其最小值即电子所带的电荷量e。
美国物理学家密立根通过如图所示的实验装置，最先精确测出了电子的电荷量，被称为密立根油滴实验。如图所示，两块水平放置的金属板A、B分别与电源的正、负极相连接，板间产生匀强电场，方向竖直向下，图中油滴由于带负电悬浮在两板间保持静止。
(1)若要测出该油滴的电荷量，则需要测出的物理量有________。
A．油滴质量m B．两板间的电压U
C．两板间的距离d D．两板的长度L
(2)用所选择的物理量表示出该油滴的电荷量q＝________(已知重力加速度为g)。
(3)若电子的电荷量为e，则该油滴中带的电子数为________。
[解析] (1)由题意及电场力公式可得，油滴静止时有mg＝qE＝q eq \f(U,d) ，所以需要测油滴质量、两板间的电压和两板间的距离。
(2)由上述分析可得q＝ eq \f(mgd,U) 。
(3)设油滴中带的电子数为n，则有ne＝q，n＝ eq \f(q,e) ＝ eq \f(mgd,eU) 。
[答案] (1)ABC (2) eq \f(mgd,U) (3) eq \f(mgd,eU)
eq \(\s\up7(),\s\d5( ))
1．(阴极射线)(多选)下列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，其比荷比氢原子的比荷大得多，故A、C正确。
2．(阴极射线)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
解析：选C。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，当磁场方向垂直于纸面向外时，得出电子所受洛伦兹力方向平行于纸面向上，满足题意，故C正确。
3．(阴极射线)(多选)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，发现射线径迹下偏，如图所示，则( )
A．导线中的电流由A流向B
B．导线中的电流由B流向A
C．若要使电子束的径迹向上偏，可以通过改变AB中电流的方向来实现
D．电子的径迹与AB中电流的方向无关
解析：选BC。在阴极射线管中射出的阴极射线是带负电的电子流，在导线AB形成的磁场中向下偏转，由左手定则可知磁场是垂直于纸面向里的，根据安培定则可知导线AB中的电流是由B流向A的，A错误，B正确；通过改变AB中的电流方向可以改变磁场方向从而使阴极射线的受力方向向上，使电子束的径迹向上偏，C正确；由此可知电子束的径迹与AB中的电流方向即通电直导线AB形成的磁场方向有关，D错误。
4．(求电子的比荷)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＝qvB，则v＝ eq \f(E,B)
撤去电场后，粒子在磁场中做匀速圆周运动，由洛伦兹力提供向心力得qvB＝ eq \f(mv2,R)
联立解得 eq \f(q,m) ＝ eq \f(E,RB2) 。
答案： eq \f(E,RB2)