高中物理 第三章 敲開(kāi)原子的大門學(xué)案(含解析)粵教版選修3-5

1、學(xué)案1敲開(kāi)原子的大門學(xué)習(xí)目標(biāo)定位 1.了解陰極射線及電子發(fā)現(xiàn)的過(guò)程.2.知道湯姆生是如何測(cè)定電子荷質(zhì)比的，知道電子的電荷量和質(zhì)量1電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)電荷的作用力(1)電場(chǎng)力FqE，正電荷受力方向與場(chǎng)強(qiáng)E方向相同，負(fù)電荷受力方向與場(chǎng)強(qiáng)E方向相反(2)洛倫茲力：磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力fqvB，其方向可用左手定則判斷 2探索陰極射線(1)陰極射線：在一個(gè)被抽成真空的玻璃管兩端加上高電壓，這時(shí)陰極發(fā)出的一種使正對(duì)陰極的玻璃管壁上出現(xiàn)綠色熒光的射線叫做陰極射線(2)湯姆生設(shè)計(jì)了陰極射線管來(lái)測(cè)定陰極射線的電荷他通過(guò)陰極射線在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)、在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)證明陰極射線本質(zhì)上是由帶負(fù)電的微粒組成的，這種粒子的荷質(zhì)比

2、大約比當(dāng)時(shí)已知的質(zhì)量最小的氫離子的荷質(zhì)比大2_000倍3電子的發(fā)現(xiàn)湯姆生發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同的放電氣體，或者用不同的金屬材料制作電極，都測(cè)得相同的荷質(zhì)比，隨后又發(fā)現(xiàn)在氣體電離和光電效應(yīng)等現(xiàn)象中，可以從不同物體中逸出這種帶電粒子，這表明它是構(gòu)成各種物體的共同成分湯姆生發(fā)現(xiàn)該粒子的電荷與氫離子的電荷大小基本上相同，質(zhì)量比任何一種分子和原子的質(zhì)量都小得多，至此湯姆生完全確認(rèn)了電子的存在，電子是構(gòu)成原子的組成部分4美國(guó)物理家密立根精確地測(cè)定了電子的電荷量，并根據(jù)荷質(zhì)比精確地計(jì)算出了電子的質(zhì)量5電子的發(fā)現(xiàn)打破了傳統(tǒng)的“原子不可分”的觀念，使人類對(duì)自然世界的認(rèn)識(shí)又向前邁進(jìn)了一步.一、陰極射線問(wèn)題設(shè)計(jì)1在圖1所示

3、的演示實(shí)驗(yàn)中，K和A之間加上近萬(wàn)伏的高電壓后，玻璃管壁上觀察到什么現(xiàn)象？該現(xiàn)象說(shuō)明了什么問(wèn)題？圖1答案玻璃管壁上觀察到淡淡的熒光及管中物體在玻璃管壁上的影，這說(shuō)明陰極能夠發(fā)出某種射線，并且撞擊玻璃引起熒光2人們對(duì)陰極射線的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)有兩種觀點(diǎn)，一種觀點(diǎn)認(rèn)為是電磁輻射，另一種觀點(diǎn)認(rèn)為是帶電微粒，你認(rèn)為應(yīng)如何判斷哪種觀點(diǎn)正確？答案可以讓陰極射線通過(guò)磁場(chǎng)，若射線垂直于磁場(chǎng)方向進(jìn)入磁場(chǎng)后發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，則該射線是由帶電微粒組成的要點(diǎn)提煉1陰極射線科學(xué)家用真空度很高的真空管做放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)真空管陰極會(huì)發(fā)射出一種射線，叫做陰極射線2陰極射線的產(chǎn)生陰極射線是一種帶負(fù)電的粒子流英國(guó)物理學(xué)家湯姆生通過(guò)陰極射線在磁

4、場(chǎng)和電場(chǎng)中產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)，確定了射線微粒的帶電性質(zhì)二、電子的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題設(shè)計(jì)如圖2所示為測(cè)定陰極射線粒子比荷的裝置，從陰極K發(fā)出的陰極射線通過(guò)一對(duì)平行金屬板D1、D2間的勻強(qiáng)電場(chǎng)，發(fā)生偏轉(zhuǎn)圖2(1)在D1、D2間加電場(chǎng)后射線偏到P2，則由電場(chǎng)方向知，該射線帶什么電？(2)再在D1、D2間加一磁場(chǎng)(圖中未畫出)，電場(chǎng)與磁場(chǎng)垂直，讓射線恰好不偏轉(zhuǎn)設(shè)電場(chǎng)強(qiáng)度為E，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，則電子的速度多大？(3)撤去電場(chǎng)，只保留磁場(chǎng)，使射線在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)，若測(cè)出軌道半徑為r，則粒子的荷質(zhì)比是多大？答案(1)負(fù)電(2)粒子受兩個(gè)力作用：電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力，兩個(gè)力平衡，即有qEqvB，得：v(3)根據(jù)洛倫茲力充當(dāng)向心

5、力：qvBm，得出：.又v，則.測(cè)出E、B、r即可求荷質(zhì)比.要點(diǎn)提煉1湯姆生的研究方法及結(jié)論(1)湯姆生根據(jù)陰極射線在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)斷定，它的本質(zhì)是帶負(fù)電的粒子流，并求出了這種粒子的荷質(zhì)比(2)湯姆生用不同材料的陰極和不同的氣體做實(shí)驗(yàn)，所得的荷質(zhì)比都是相同的，是氫離子荷質(zhì)比的近兩千倍(3)湯姆生直接測(cè)量了陰極射線粒子的電荷，發(fā)現(xiàn)這種粒子的電荷與氫離子電荷大小基本相同后來(lái)把組成陰極射線的粒子稱為電子2對(duì)電子的認(rèn)識(shí)電子的電荷量e1.61019C，是由密立根通過(guò)著名的“油滴實(shí)驗(yàn)”測(cè)出來(lái)的并計(jì)算出電子的質(zhì)量m9.11031 kg，質(zhì)子的質(zhì)量與電子的質(zhì)量的比值：1_836.一、對(duì)陰極射線的認(rèn)識(shí)例1(

6、單選)陰極射線從陰極射線管中的陰極發(fā)出，在其間的高電壓下加速飛向陽(yáng)極，如圖3所示若要使射線向上偏轉(zhuǎn)，所加磁場(chǎng)的方向應(yīng)為()圖3A平行于紙面向左 B平行于紙面向上C垂直于紙面向外 D垂直于紙面向里解析由于陰極射線的本質(zhì)是電子流，陰極射線方向向右傳播，說(shuō)明電子的運(yùn)動(dòng)方向向右，利用左手定則，使電子所受洛倫茲力方向平行于紙面向上，由此可知磁場(chǎng)方向應(yīng)為垂直于紙面向外，故選項(xiàng)C正確答案C二、測(cè)量帶電粒子的比荷例2帶電粒子的荷質(zhì)比是一個(gè)重要的物理量某中學(xué)物理興趣小組設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，探究電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)電子運(yùn)動(dòng)軌跡的影響，以求得電子的荷質(zhì)比，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示圖4(1)他們的主要實(shí)驗(yàn)步驟如下：A首先在兩極板M1、

7、M2之間不加任何電場(chǎng)、磁場(chǎng)，開(kāi)啟陰極射線管電源，射出的電子從兩極板中央通過(guò)，在熒光屏的正中心處觀察到一個(gè)亮點(diǎn)；B在M1、M2兩極板間加合適的電場(chǎng)：加上極性如圖所示的電壓，并逐步調(diào)節(jié)增大，使熒光屏上的亮點(diǎn)逐漸向熒光屏下方偏移，直到熒光屏上恰好看不見(jiàn)亮點(diǎn)為止，記下此時(shí)外加電壓為U.請(qǐng)問(wèn)本步驟的目的是什么？C保持步驟B中的電壓U不變，在M1M2區(qū)域加一個(gè)大小、方向合適的磁場(chǎng)B，使熒光屏正中心重現(xiàn)亮點(diǎn)，試問(wèn)外加磁場(chǎng)的方向如何？(2)根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，同學(xué)們正確推算出電子的荷質(zhì)比與外加電場(chǎng)、磁場(chǎng)及其他相關(guān)量的關(guān)系為.一位同學(xué)說(shuō)，這表明電子的荷質(zhì)比將由外加電壓決定，外加電壓越大則電子的荷質(zhì)比越大，你認(rèn)為他

8、的說(shuō)法正確嗎？為什么？解析依據(jù)運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在電場(chǎng)中受電場(chǎng)力和在磁場(chǎng)中受洛倫茲力，兩者平衡列方程求荷質(zhì)比(1)B中熒光屏上恰好看不到亮點(diǎn)說(shuō)明電子剛好落在正極板的近熒光屏的邊緣，目的是利用極板間的距離d表示荷質(zhì)比.C中由于要求洛倫茲力方向向上，根據(jù)左手定則可知磁場(chǎng)方向垂直于紙面向外(2)不正確，電子的荷質(zhì)比是電子的固有參數(shù)，與測(cè)量所加U、B以及極板間距離d無(wú)關(guān)答案見(jiàn)解析1(單選)關(guān)于陰極射線的本質(zhì)，下列說(shuō)法正確的是()A陰極射線本質(zhì)是氫原子B陰極射線本質(zhì)是電磁波C陰極射線本質(zhì)是電子D陰極射線本質(zhì)是X射線答案C2(單選)關(guān)于電子的下列說(shuō)法中，不正確的是()A發(fā)現(xiàn)電子是從研究陰極射線開(kāi)始的B任何物質(zhì)

9、中均有電子，它是原子的組成部分C電子發(fā)現(xiàn)的意義是：使人們認(rèn)識(shí)到原子不是組成物質(zhì)的最小微粒，原子本身也具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)D電子是帶正電的，它在電場(chǎng)中受到的電場(chǎng)力方向與電場(chǎng)線的切線方向相同答案D3(單選)關(guān)于密立根“油滴實(shí)驗(yàn)”，下列說(shuō)法正確的是()A密立根利用電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力平衡的方法，測(cè)得了帶電體的最小帶電荷量B密立根利用電場(chǎng)力和重力平衡的方法，推測(cè)出了帶電體的最小帶電荷量C密立根利用磁偏轉(zhuǎn)的知識(shí)推測(cè)出了電子的電荷量D密立根“油滴實(shí)驗(yàn)”直接驗(yàn)證了電子的質(zhì)量不足氫離子質(zhì)量的千分之一答案B概念規(guī)律題組1(雙選)關(guān)于陰極射線的性質(zhì)，判斷正確的是()A陰極射線帶負(fù)電B陰極射線帶正電C陰極射線的荷質(zhì)比比氫原子荷

10、質(zhì)比大D陰極射線的荷質(zhì)比比氫原子荷質(zhì)比小答案AC解析通過(guò)陰極射線在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)陰極射線帶負(fù)電，其荷質(zhì)比比氫原子的荷質(zhì)比大得多，故A、C正確2(雙選)如圖1所示，一只陰極射線管，左側(cè)不斷有電子射出，若在管的正下方放一通電直導(dǎo)線AB時(shí)，發(fā)現(xiàn)射線徑跡下偏，則()圖1A導(dǎo)線中的電流由A流向BB導(dǎo)線中的電流由B流向AC如要使電子束的徑跡向上偏，可以通過(guò)改變AB中電流方向來(lái)實(shí)現(xiàn)D電子的徑跡與AB中電流的方向無(wú)關(guān)答案BC解析陰極射線帶負(fù)電，由左手定則判斷管內(nèi)磁場(chǎng)垂直紙面向里；由安培定則判斷AB中電流的方向由B流向A.電流方向改變，管內(nèi)磁場(chǎng)方向改變，電子受力方向也改變方法技巧題組3(單選)如圖2是陰

11、極射線管示意圖接通電源后，陰極射線由陰極沿x軸正方向射出，在熒光屏上會(huì)看到一條亮線要使熒光屏上的亮線向下(z軸負(fù)方向)偏轉(zhuǎn)，在下列措施中可采用的是()圖2A加一磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向沿z軸負(fù)方向B加一磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向沿y軸正方向C加一電場(chǎng)，電場(chǎng)方向沿z軸負(fù)方向D加一電場(chǎng)，電場(chǎng)方向沿y軸正方向答案B解析若加磁場(chǎng)，由左手定則可知，所加磁場(chǎng)方向沿y軸正方向，B正確；若加電場(chǎng)，因電子向下偏轉(zhuǎn)，則電場(chǎng)方向沿z軸正方向4(單選)圖3為示波管中電子槍的原理示意圖，示波管內(nèi)被抽成真空，A為發(fā)射熱電子的陰極，K為接在高電勢(shì)點(diǎn)的加速陽(yáng)極，A、K間電壓為U，電子離開(kāi)陰極時(shí)的速度可以忽略，電子經(jīng)加速后從K的小孔中射出的速度大小

12、為v.下面的說(shuō)法中正確的是()圖3A如果A、K間距離減半而電壓仍為U不變，則電子離開(kāi)K時(shí)的速度變?yōu)?vB如果A、K間距離減半而電壓仍為U不變，則電子離開(kāi)K時(shí)的速度變?yōu)镃如果A、K間距離保持不變而電壓減半，則電子離開(kāi)K時(shí)的速度變?yōu)镈如果A、K間距離保持不變而電壓減半，則電子離開(kāi)K時(shí)的速度變?yōu)関答案D解析對(duì)電子從A到K的過(guò)程應(yīng)用動(dòng)能定理：eUmv20，所以電子離開(kāi)K時(shí)的速度取決于A、K之間電壓的大小，A、B錯(cuò)；如果電壓減半，則v應(yīng)變?yōu)樵瓉?lái)的倍，C錯(cuò)，D對(duì)5亥姆霍茲線圈是一對(duì)彼此平行串聯(lián)的共軸圓形線圈，兩線圈大小相同，線圈之間距離d正好等于圓形線圈的半徑R，如圖4所示這種線圈的特點(diǎn)是能在其公共軸線中點(diǎn)O附近產(chǎn)生近似勻強(qiáng)磁場(chǎng)，且該勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與線圈中的電流成正比，即BkI.電子槍將燈絲溢出的電子經(jīng)電壓為U的電場(chǎng)加速后，垂直射入上述勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，測(cè)得電子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑為r，試求電子的荷質(zhì)比圖4答案解析電子經(jīng)電壓U加速，由動(dòng)能定理得：eUmv2當(dāng)電子垂直射入由亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，在洛倫茲力作用下電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，做圓周運(yùn)動(dòng)洛倫茲力為向心力，則evBm由兩式得：又知，亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)與電流成正比，即BkI，則.創(chuàng)新應(yīng)用題組6湯姆生1897年用陰極射線管測(cè)量了電子的荷質(zhì)比(電子電荷量與質(zhì)量之比)，其實(shí)驗(yàn)原理如圖5所示電子流平行于極板射入，極板P、P間同時(shí)存在勻強(qiáng)電場(chǎng)E和