鲁科版（2019）高中物理 选择性必修第三册 第4章 第1节 电子的发现与汤姆孙原子模型学案word含解析

课标要求
1.了解人类探索原子及其结构的历史。
2.知道原子的核式结构模型。
3.通过对氢原子光谱的分析，了解原子的能级结构。
第1节　电子的发现与汤姆孙原子模型
核心素养 物理观念 科学思维 科学态度与责任
1.了解物质结构早期探究的基本历程。
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了解汤姆孙的原子模型。 了解汤姆孙发现电子的研究方法及蕴含的科学思想。 领会电子的发现对揭示原子结构的重大意义。
知识点一　物质结构的早期探究
1.古人对物质的认识
(1)我国古代的“五行说”认为万物是由金、木、水、火、土五种基本“元素”组成的。
(2)古希腊的亚里士多德认为万物的本质是土、水、火、空气四种“元素”，天体则由第五种“元素”——“以太”构成。
(3)古希腊哲学家德谟克利特等人建立了早期的原子论，认为宇宙间存在着一种或多种微小的实体，即“原子”。
2.大约在17世纪中叶，人们开始通过实验来了解物质的结构
(1)1661年，玻意耳以化学实验为基础建立了科学的元素论。
(2)19世纪初，道尔顿提出了原子论，认为原子是元素的最小单元。
(3)1811年，意大利化学家阿伏伽德罗提出了分子假说，指出分子可以由多个相同的原子组成。
[思考判断]
(1)玻意耳认为万物的本质是土、水、火、空气四种元素的元素论。(×)
(2)阿伏伽德罗提出分子可以由多个原子组成。(√)
(3)19世纪初期形成的原子论观点认为原子是构成物质的最小颗粒且不可分割。(√)
“五行学说”是我国古代的一种物质观。
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，而分子则由原子组成。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。
知识点二　电子的发现和汤姆孙原子模型
1.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，阴极发出一种射线，这种射线能使玻璃管壁发出荧光，这种射线称为阴极射线。
(2)汤姆孙对阴极射线本质的探究
①通过使阴极射线粒子受到的静电力和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：＝。
②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。
2.汤姆孙的原子模型
汤姆孙认为，原子带正电的部分充斥整个原子，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。
[思考判断]
(1)电子的发现，说明原子具有一定的结构。(√)
(2)英国物理学家汤姆孙认为阴极射线是一种电磁辐射。(×)
(3)电子的发现，是19世纪末的三大著名发现之一。(√)
我们看到的荧光并不是阴极射线。
阴极射线实验装置
电子的发现说明原子具有一定的结构，揭开了认识原子结构的序幕。
汤姆孙原子模型示意图
核心要点 　阴极射线的性质及特点
[问题探究]
如图所示，接通真空管(又称阴极射线管)的电源，将条形磁铁的一个磁极靠近射线管，观察阴极射线是否偏转，向什么方向偏转；把另一个磁极靠近射线管，观察射线的偏转情况。你认为射线的偏转是什么原因造成的？你能通过射线偏转的情况来确定射线粒子流携带的是哪种电荷吗？
答案　运动电荷在磁场中受到洛伦兹力。根据左手定则，结合磁场方向、粒子运动方向，可以判断出射线粒子流携带的电荷是正电荷还是负电荷。
[探究归纳]
1.阴极射线实质是电子束。
2.阴极射线的产生：玻璃管内的气体足够稀薄时，射线由阴极发出，它可使玻璃管壁发出荧光。
3.阴极射线带电性质的判断方法
(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粒子在电场中运动如图甲所示。带电粒子受电场力作用运动方向发生改变(粒子质量忽略不计)。带电粒子在不受其他力的作用时，若沿电场线方向偏转，则粒子带正电；若逆着电场线方向偏转，则粒子带负电。
②粒子在磁场中运动，如图乙所示。粒子将受到洛伦兹力作用F＝qvB，洛伦兹力方向始终与速度方向垂直，利用左手定则即可判断粒子的电性。不考虑其他力的作用，如果粒子按图示方向进入磁场，且做顺时针的圆周运动，则粒子带正电；若做逆时针的圆周运动，则粒子带负电。
　
甲　　　　　　　　　乙
[经典示例]
[例1] 如图所示，一玻璃管中有从左向右的阴极射线可能是电磁波或某种粒子流形成的射线，若在其下方放一通电直导线AB，射线发生如图所示的偏转，AB中的电流方向由B到A，则该射线的本质为(　　)
A.电磁波
B.带正电的高速粒子流
C.带负电的高速粒子流
D.不带电的高速中性粒子流
解析　射线在电流形成的磁场中发生偏转，即可确定该射线是由带电粒子构成的粒子流。根据安培定则可知，AB上方的磁场是垂直纸面向里的。粒子向下偏转，洛伦兹力方向向下，由左手定则可知射线所形成的电流方向向左，与粒子的运动方向相反，故粒子带负电。
答案　C
借题发挥　应用左手定则时，要注意负电荷运动的方向与它形成的电流方向相反，即应用左手定则时负电荷运动的方向应与四指所指的方向相反。
[针对训练1] 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
解析　阴极射线是原子受激发发射出的电子流，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。
答案　C
核心要点 　带电粒子比荷的测定
[要点归纳]
1.让带电粒子通过相互垂直的电场和磁场(如图甲)，让其做匀速直线运动，根据二力平衡，即F电＝F洛(qE＝qvB)，得到粒子的运动速度v＝。
2.撤去电场(如图乙)，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qvB＝m，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：＝。
[经典示例]
[例2] 1897年，物理学家汤姆孙正式测定了电子的比荷，打破了原子是不可再分的最小颗粒的观点。因此，汤姆孙的实验是物理学发展史上最著名的经典实验
之一。
在汤姆孙测电子比荷的实验中，采用了如图所示的阴极射线管，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、G平行板间，接着在荧光屏中心F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，电子将向上偏转；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，电子向下偏转，偏转角为θ，试解决下列问题：
(1)说明图中磁场沿什么方向；
(2)根据L、E、B和θ，求出电子的比荷。
思路点拨　两板间只加电场时电子在电场力作用下做类平抛运动，同时加上电场和磁场后电场力和洛伦兹力大小相等，做匀速直线运动，只加磁场时做匀速圆周运动。
解析　(1)两板D、G间只加磁场时，电子向下偏转，说明电子所受洛伦兹力的方向向下，由左手定则可判定磁场方向垂直纸面向里。
(2)电子在两板间做匀速直线运动，eE＝evB，电子在磁场中偏转时如图所示，
evB＝
由图可知：L＝r·sin θ
由以上各式得＝。
答案　(1)垂直纸面向里　(2)
规律总结　测量带电粒子比荷常用的两种方法
方法一：利用磁偏转测比荷，由qvB＝m得＝，只需知道磁感应强度B、带电粒子的初速度v和偏转半径R即可。
方法二：利用电偏转测比荷，偏转量y＝at2＝·，故＝。所以在偏转电场U、d、L已知时，只需测量v和y即可。
[针对训练2] 为了测定带电粒子的比荷，让这个带电粒子垂直电场方向飞进平行金属板间，已知匀强电场的场强为E，在通过长为L的两金属板间后，测得偏离入射方向的距离为d，如果在两板间加垂直于电场方向的匀强磁场，磁场方向垂直于粒子的入射方向，磁感应强度为B，则粒子恰好不偏离原来的方向，求为多少？
解析　设带电粒子以速度v0垂直电场方向进入匀强电场，则d＝at2＝①
此带电粒子垂直入射到正交的电磁场区域时不发生偏转，
由平衡条件qE＝qv0B，得v0＝②
由①②两式得＝
解得＝。
答案　
1.(对阴极射线的认识)关于阴极射线，下列说法正确的是(　　)
A.阴极射线在真空中沿直线传播
B.英国物理学家汤姆孙认为阴极射线是一种电磁辐射
C.阴极射线在电场中受到的电场力方向与电场方向相同
D.阴极射线进入磁场中总不发生偏转
解析　英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线本质时，通过实验证明阴极射线是带负电的粒子流，并测量了其比荷，他把这种粒子称为电子，B、C、D项错误；阴极射线在真空中不受力，做直线运动，A项正确。
答案　A
2.(电子电荷量)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＝1.602×10－19 C
B.电子电荷量的精确值是卢瑟福测出的
C.物体所带电荷量可以是任意值
D.物体所带的电荷量都是元电荷的整数倍
解析　密立根通过油滴实验精确测得了电子的电荷量并提出了电荷量是量子化的，A、B错误；物体所带电荷量的最小值是e，所带电荷量只能是元电荷的整数倍，C错误，D正确。
答案　D
3.(汤姆孙原子模型)(多选)下列说法正确的是(　　)
A.汤姆孙研究阴极射线，用测定粒子比荷的方法发现了电子
B.电子的发现证明了原子是可分的
C.汤姆孙认为原子里面带正电荷的物质应充斥整个原子，而带负电的电子，则镶嵌在球体的某些固定位置
D.汤姆孙原子模型是正确的
解析　通过物理学史可得，选项A正确；根据电子发现的重要意义可得，选项B正确；选项C描述的是汤姆孙原子模型，选项C正确；汤姆孙原子模型本身是错的，选项D错误。
答案　ABC
4.(电子比荷的测定)如图所示，让一束均匀的阴极射线从两极板正中间垂直穿过正交的电磁场，选择合适的磁感应强度B和两极之间的电压U，带电粒子不发生偏转，然后撤去电压，粒子做匀速圆周运动，并垂直打到极板上，两极板之间的距离为d，求阴极射线中带电粒子的比荷。
解析　设阴极射线粒子的电荷量为q，质量为m，则在电磁场中由平衡条件得
q＝qvB
撤去电场后，粒子做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，
得qvB＝
又R＝
解得＝。
答案　
基础过关
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.阴阳两极间加有高电压时，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；只有当两极间有高电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
2.(多选)下列说法正确的是(　　)
A.电子是原子的组成部分
B.电子电荷量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.电子电荷量的数值约为1.602×10－19 C
D.电子质量与电荷量的比值称为电子的比荷
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，选项A正确；电子电荷量的精确测定是由密立根通过著名的“油滴实验”测出的，其测得电子电荷量的值约为1.602×10－19 C，选项B、C正确；电子的电荷量与质量的比值称为电子的比荷，选项D错误。
答案　ABC
3.对于电子的发现，以下说法中正确的是(　　)
A.汤姆孙通过对阴极射线的研究，发现了电子
B.汤姆孙通过实验测定了阴极射线的电荷量
C.密立根通过油滴实验测定了阴极射线的比荷值
D.原子的葡萄干面包模型是道尔顿提出的
解析　1897年汤姆孙通过对阴极射线的研究，发现了电子，并测出了电子的比荷，提出了葡萄干面包模型。故选A。
答案　A
4.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.汤姆孙已准确得出阴极射线粒子的电荷量
解析　汤姆孙利用其设计的阴极射线管，将不同的气体充入管内，用多种不同的金属分别制成阴极，结果证明比荷大体相同，C错误；汤姆孙和他的学生通过测量得知阴极射线粒子的电荷量与氢离子的电荷量大小基本相同，最早精确测出电子电荷量的是密立根，D错误；阴极射线带负电，A正确，B错误。
答案　A
5.(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.电子的质量比最轻的氢原子的质量小得多
D.电子是一种粒子，是构成物质的基本单元
解析　汤姆孙对不同材料的阴极发出的射线进行研究，发现均为相同的粒子——电子，所以选项A正确，B错误；电子是构成物质的基本单元，其质量约为氢原子质量的，故选项C、D正确。
答案　ACD
能力提升
6.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(　　)
A.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
解析　由于电子沿x轴正方向运动，若所受洛伦兹力向下，使电子射线向下偏转，由左手定则可知磁场方向应沿y轴正方向；若加电场使电子射线向下偏转，所受电场力方向向下，则所加电场方向应沿z轴正方向，由此可知B正确。
答案　B
7.(多选)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、D2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、D2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、D2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、D2之间加上垂直纸面向里的磁场，则阴极射线不偏转
解析　实验证明，阴极射线是电子流，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，B错误；加上垂直纸面向里的磁场时，电子在磁场中受洛伦兹力，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正确。
答案　AC
8.(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
解析　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，故磁感应强度应先由大变小，再由小变大，故D错误。
答案　AC
9.如图所示，让一束均匀的阴极射线以速率v垂直进入正交的电、磁场中，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　因为带电粒子在复合场中时不偏转，
所以qE＝qvB，即v＝，
撤去电场后，粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，
则qvB＝m。由此可得＝。
答案