第4章 1 电子的发现 2 原子的核式结构模型-【优化探究】2025-2026学年新教材高中物理选择性必修第三册同步导学案配套PPT课件（教科版）

1　电子的发现 2　原子的核式结构模型 第四章　原子结构 [学习目标]　1.知道阴极射线是由电子组成的,掌握微粒比荷的测定方法,知道电荷是量子化的(重点)。2.了解α粒子散射实验现象以及卢瑟福原子核式结构模型的主要内容(重点)。3.了解原子核式结构模型的局限性。 课时作业 巩固提升 要点1　电子的发现 要点2　原子的核式结构模型 内容索引 要点1　电子的发现 一 4 梳理 必备知识 自主学习 1.阴极射线 真空度很高的玻璃管　　　　发射出的一种射线,这种射线沿直线传播,撞击到玻璃壁上会产生黄绿色的荧光。  阴极 2.微粒比荷的测定　元电荷 (1)汤姆孙的探究 根据阴极射线在电场或磁场中的　　　　情况确定,它的本质是带 　　　　(选填“正电”或“负电”)的粒子流,并求出了这种粒子的比荷(带电粒子的电荷量与质量之比)。组成阴极射线的粒子被称为电子。  (2)密立根实验:电子电荷量的精确测量是由密立根通过著名的“油滴实验”实现的。 目前公认的电子电荷量的值为e=　　　 　(保留两位有效数字)。  偏转 负电 1.6×10-19 C (3)电荷的电荷量:电子所带的电荷量就是元电荷,e=　　　 　 C;任何带电体的电荷量是不连续的,都是元电荷的整数倍。  1.6×10-19 [思考与讨论] 如图所示为汤姆孙的气体放电管示意图,结合图中结构,思考讨论。 (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,所受电场力方向与电场线方向相反,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。 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,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,根据亮点位置的变化和左手定则确定带电的性质。 2.阴极射线的本质 阴极射线的本质是带负电的粒子流,汤姆孙把这种粒子命名为“电子”。 归纳 关键能力 合作探究 3.带电粒子比荷的测定方法 (1)利用磁偏转测量 ①让带电粒子通过相互垂直的匀强电场和匀强磁场(如图甲),让其做匀速直线运动,根据二力平衡,有qvB=qE,则粒子的运动速度v=。 ②撤去匀强电场(如图乙),保留匀强磁场,让带电粒子在匀强磁场中运动,由洛伦兹力提供向心力,有qvB=m,根据轨迹偏转情况,由几何知识求出其半径R。 ③由以上两式确定带电粒子的比荷表达式:=。 (2)利用电偏转测量 带电粒子在匀强电场中运动,沿电场方向的偏转距离y=at2=·()2,故=,所以在偏转电场中,U、d、L已知时,只需测量v和y即可。 [典例1]　在汤姆孙测量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出来的阴极射线经加速后,穿过小孔A、B,水平射入长度为L的D、G平行板间,接着在荧光屏中心F点出现荧光斑。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,从D、G间射出时偏转角为θ。试回答下列问题: (1)说明阴极射线的电性; (2)说明所加磁场沿什么方向; (3)根据L、E、B和θ,求出阴极射线粒子的比荷。 [答案]　(1)负电　(2)垂直纸面向里　(3) [解析]　(1)由于匀强电场方向向下,而阴极射线向上偏转,因此其所受电场力方向向上,即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,由左手定则得,磁场的方向垂直纸面向里。 (3)设此射线粒子带电荷量为q,质量为m,当射线粒子在D、G间做匀速直线运动时,有qE=Bqv 当射线粒子在D、G间的磁场中偏转时(如图所示),有Bqv= 由几何关系得L=r·sin θ 联立以上各式解得=。 [针对训练] 1.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.汤姆孙发现了电子,并精确测量了电子的电荷量 A 解析:阴极射线实质上就是高速运动的电子流,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;在汤姆孙实验证实阴极射线就是带负电的电子流时,并未得出电子的电荷量,最早精确测出电子电荷量的是密立根,D错误。 2.如图所示为测量某种离子比荷的装置。让中性气体分子进入电离室A被电离成离子。这些离子从电离室的小孔飘出,从缝S1进入加速电场被加速,然后让离子从缝S2垂直进入匀强磁场,最后打在底片上的P处。已知加速电压为U,磁场的磁感应强度为B,缝S2与P之间的距离为a,离子从缝S1进入电场时的速度不计,求该离子的比荷。 答案: 解析:离子在打到P处之前,经电场加速、磁场偏转两个过程,由离子在磁场中向P偏转可知,离子带正电,设它进入磁场时速度为v,在电场中加速时有qU=mv2 在磁场中发生偏转时有Bqv=,而r= 联立解得=。 二 要点2　原子的核式结构模型 22 1.汤姆孙原子模型 (1)模型特点:汤姆孙于1904年提出了原子模型,他认为原子是________ 构成的一个密度均匀的　　　　,　　　　镶嵌其中,并分布在一些特定的同心圆环或球壳上。  (2)成功之处:能够解释电子轨道半径与　　　 　的关系、解释元素的　　　　、定性解释原子的　　　　现象。  梳理 必备知识 自主学习 正电荷 球体 电子 电子数目 周期性 光辐射 2.卢瑟福的核式结构模型 (1)α粒子散射实验:　　　 　α粒子穿过金箔后仍沿原方向前进或只发生很小的偏转,　　　　α粒子发生了较大的偏转,极少数α粒子偏转角度甚至大于90°,有的甚至被弹回。  (2)卢瑟福的核式结构模型:原子中间有一个体积很小、带正电荷的核,原子核几乎集中了原子的全部质量,而电子在核外绕核运动。 (3)原子核的尺度:原子直径的数量级为　　　　 m,原子核直径的数量级为　　　　 m。  绝大多数 少数 10-10 10-15 (4)局限性:原子核式结构模型与经典理论之间存在一定的差异,根据经典理论,电子在绕原子核做圆周运动过程中向外　　 　　　　, 　　　　会越来越小,经大约　　　　 s,就会坠入原子核中,原子将不复存在,但事实是原子很稳定。  辐射电磁波 半径 10-11 [思考与讨论] 如图所示为α粒子散射的实验装置。实验过程中,少数α粒子会发生大角度偏转现象。思考讨论以下问题: (1)按照汤姆孙的原子模型,正电荷均匀分布在整个原子球体内。α粒子穿过金箔,受到电荷的作用力后,沿哪些方向前进的可能性较大,最不可能沿哪些方向前进。 (2)极少数α粒子发生大角度偏转的原因是什么? 提示:(1)α粒子受到电荷的作用力后,沿直线前进的可能性最大,不可能发生大角度偏转。 (2)α粒子带正电,α粒子受原子中带正电的占原子质量绝大部分的原子核的排斥力发生了大角度偏转。 1.实验装置 (1)放射源:放出α粒子He)。 (2)金箔:靶子。 (3)显微镜、荧光屏(可转动):观察工具。 归纳 关键能力 合作探究 2.实验现象的分析 (1)核外电子不会使α粒子的速度发生明显改变。 (2)极少数α粒子发生了大角度偏转,甚至反弹回来,表明这些α粒子在原子中的某个地方受到了质量比它本身大得多的物质的作用。汤姆孙的原子模型不能解释α粒子的大角度散射。 (3)绝大多数α粒子在穿过厚厚的金原子层时运动方向没有明显变化,说明原子中绝大部分是空的,原子的正电荷和几乎全部质量都集中在体积很小的核内。 [典例2]　关于原子结构的认识历程,下列说法正确的有(　　) A.汤姆孙发现电子后猜想出原子内的正电荷集中在很小的核内 B.汤姆孙通过著名的“油滴实验”精确测定了电子电荷量 C.卢瑟福的原子核式结构模型能够很好地解释原子中带正电部分的体积、质量占比都很小 D.α粒子散射实验中极少数α粒子发生了较大偏转是卢瑟福猜想原子核式结构模型的主要依据 D [解析]　汤姆孙发现电子后猜想出原子内的正电荷是均匀分布的,故A错误;密立根通过著名的“油滴实验”精确测定电子电荷量,故B错误;卢瑟福提出的原子核式结构模型解释了原子中带正电部分的体积很小,但几乎占有全部质量,故C错误;α粒子散射实验中极少数α粒子发生了较大偏转是卢瑟福猜想原子核式结构模型的主要依据,故D正确。 [典例3]　(多选)根据卢瑟福的原子核式结构模型,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 ABC [解析]　卢瑟福α粒子散射实验的结果否定了汤姆孙的原子模型,提出了原子的核式结构模型,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10-10 m,则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,A正确,D错误;核外带负电的电子由于受到带正电的原子核的吸引(库仑力)而绕核旋转,B正确;原子核带有原子的全部正电荷,C正确。 [针对训练] 3.(多选)如图所示为卢瑟福和他的助手做α粒子散射实验的装置示意图。荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时,关于观察到的现象,下列说法中正确的是(　　) A.相同的时间内放在A位置时观察到屏上的闪光次数最多 B.相同的时间内放在B位置时观察到屏上的闪光次数只比放在A位置时稍少些 C.放在C、D位置时屏上观察不到闪光 D.放在D位置时屏上仍能观察到一些闪光,但次数极少 答案:AD 解析:由α粒子散射实验的结论:绝大多数α粒子仍沿原方向运动,少数α粒子运动方向发生改变,极少数α粒子运动方向发生大角度的偏转,甚至是180°。由A、B、C、D的位置可知绝大多数α粒子打到A位置的荧光屏上,少数α粒子打到B位置的荧光屏上,而极少数α粒子能打到C、D位置的荧光屏上,故选项A、D正确。 三 课时作业 巩固提升 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 [A组　基础巩固练] 1.下列关于阴极射线的说法正确的是(　　) A.阴极射线是高速的质子流 B.阴极射线可以用人眼直接观察到 C.阴极射线是高速运动的电子流 D.阴极射线是电磁波 C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 解析:阴极射线是高速运动的电子流,人们只有借助于它与物质相互撞击时,使一些物质发出荧光等现象才能观察到,故选项C正确,A、B、D错误。 2.汤姆孙对阴极射线本质的研究,采用的科学方法是(　　) A.用阴极射线轰击金箔,观察其散射情况 B.用“油滴实验”精确测定电子的带电荷量 C.用阴极射线轰击荧光物质,对荧光物质发出的光进行光分析 D.让阴极射线通过电场和磁场,通过阴极射线的偏转情况判断其电性和计算其比荷 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 解析:汤姆孙对阴极射线本质的研究采用的主要方法是:让阴极射线通过电场和磁场,通过偏转情况判断其电性,结合类平抛运动与圆周运动的公式,即可计算其比荷,故D正确。 3.卢瑟福提出了原子的核式结构模型,这一模型建立的基础是(　　) A.质子的发现 B.α粒子的散射实验 C.对阴极射线的研究 D.天然放射性现象的发现 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 解析:卢瑟福在α粒子散射实验的基础上提出了原子的核式结构模型,故B正确,A、C、D错误。 4.(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、D2两极板之间不加电场和磁场,则阴极射线应打到最右端的中心P1点 B.若在D1、D2两极板之间仅加上竖直向下的电场,则阴极射线应向下偏转 C.若在D1、D2两极板之间仅加上竖直向下的电场,则阴极射线应向上偏转 D.若在D1、D2两极板之间仅加上垂直纸面向里的磁场,则阴极射线不偏转 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 AC 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 解析:阴极射线是电子流,当D1、D2两极板之间不加电场和磁场时,因电子所受的重力可以忽略不计,阴极射线不发生偏转,将打到最右端的中心P1点,选项A正确;在D1、D2两极板间仅加上竖直向下的电场时,阴极射线受到竖直向上的电场力,应向上偏转,选项C正确,B错误;加上与电子运动方向垂直的磁场时,电子在磁场中受洛伦兹力作用,要发生偏转,选项D错误。 5.(多选)如图是卢瑟福的α粒子散射实验装置示意图,在一个小铅盒里放有少量的放射性元素钋,它发出的α粒子从铅盒的小孔射出,形成很细的一束射线,射到金箔上,最后打在荧光屏上产生闪烁的光点。下列说法正确的是(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 A.该实验是卢瑟福建立原子核式结构模型的重要依据 B.该实验证实了汤姆孙原子模型的正确性 C.α粒子与原子中的电子碰撞会发生大角度偏转 D.只有少数的α粒子发生大角度偏转 答案:AD 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 解析:α粒子散射实验的现象是:绝大多数α粒子几乎不发生偏转;少数α粒子发生了较大角度偏转;极少数α粒子发生了大角度偏转(偏转角度超过90°,有的甚至几乎达到180°,被反弹回来),该实验是卢瑟福建立原子核式结构模型的重要依据,A、D正确;通过α粒子散射实验,卢瑟福提出了原子核式结构模型的假设,从而否定了汤姆孙原子模型的正确性,B错误;α粒子发生偏转,主要是α粒子和原子核发生碰撞的结果,C错误。 6.如图所示为密立根油滴实验装置,关于该实验的意义下列说法正确的是(　　) A.研究悬浮油滴所带电性 B.测量悬浮油滴的电荷量 C.测出了元电荷的值 D.利用二力平衡测出电场的场强大小 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 解析:此实验的目的是要测量单一电子的电荷量。方法是平衡重力与电场力,使油滴悬浮于两片金属电极之间,并根据已知的电场强度,计算出整颗油滴的总电荷量。重复对许多油滴进行实验之后,密立根发现所有油滴的总电荷量值皆为同一数值的倍数,因此认定此数值为单一电子的电荷量,故C正确。 7.如图,在α粒子散射实验中,图中实线表示α粒子的运动轨迹,假定金原子核位置固定,a、b、c为某条轨迹上的三个点,其中a、c两点距金原子核的距离相等。下列说法正确的是(　　) A.卢瑟福根据α粒子散射实验提出了能量量子化理论 B.大多数α粒子击中金箔后几乎沿原方向返回 C.从a经过b运动到c的过程中,α粒子的电势能先减小后 增大 D.α粒子经过a、c两点时动能相等 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 解析:α粒子的散射实验说明了原子具有核式结构,而普朗克提出了能量量子化理论,故A错误;根据α粒子散射现象可知,大多数α粒子穿过金箔后几乎沿原方向前进,只有当击中金原子核时才会沿原方向返回,故B错误;α粒子受到斥力作用,根据电场力做功特点可知,从远处运动到近处过程中电场力做负功,电势能增加,所以α粒子的电势能先增大后减小,故C错误;a、c两点距金原子核的距离相等,则α粒子经过a、c两点时动能相等,故D正确。 [B组　综合强化练] 8.在α粒子散射实验中,我们并没有考虑电子对α粒子偏转角度的影响,这是因为(　　) A.电子的体积非常小,以致α粒子碰不到它 B.电子的质量远比α粒子的小,所以它对α粒子运动的影响极其微小 C.α粒子使各个电子碰撞的效果相互抵消 D.电子在核外均匀分布,所以α粒子受电子作用的合外力为零 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 解析:电子虽然很小,但数量很多,α粒子仍能碰到,α粒子的质量是电子质量的7 300倍,影响可以忽略,选项B正确。 9.(多选)如图所示为α粒子散射实验中一个α粒子穿过某一金原子核附近时的示意图,A、B、C三点分别位于两个等势面上,则以下说法正确的是(　　) A.α粒子在A处的速率比在B处的速率小 B.α粒子在B处的速率最大 C.α粒子在A、C处的速度大小相等 D.α粒子在B处的速率比在C处的速率小 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 CD 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 解析:对于A、B、C三点,A、C位于同一等势面上,A、C两点间电势差为0,则α粒子在A、C两点的动能相等,在A、C两点时的速率也相等,C正确;由A到B,α粒子克服库仑力做功,动能减小,由B到C,库仑力做正功,α粒子动能增大,故在B点处时速率最小,D正确,A、B错误。 10.如图所示,A、B为两块足够大的、相距为d的平行金属板,接在电压为U的电源上。在A板的中央P点放置一个电子发射源,可以向各个方向释放电子,射出电子的初速度大小均为v,电子打在B板上的区域面积为S。不计电子的重力,试求电子的比荷。 答案: 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 解析:打在最边缘的电子,其初速度方向平行于金属板,在电场中做类平抛运动, 在垂直于电场方向上做匀速运动,即r=vt 在平行于电场方向上做初速度为零的匀加速运动,即d=at2 电子在平行于电场方向上的加速度a== 电子打在B板上的区域面积S=πr2 由以上几式得=。 [C组　培优选做练] 11.如图为汤姆孙用来测定电子比荷的装置。当极板P和P'间不加偏转电压时,电子束打在荧光屏的中心O点处,形成一个亮点;加上偏转电压U后,亮点偏离到O'点,O'点到O点的竖直距离为d,水平距离可忽略不计。此时再在P与P'之间的区域里再加上一个方向垂直于纸面向里的匀强磁场,调节磁感应强度,当其大小为B时,亮点重新回到O点。已知极板水平方向长度为L1,极板间距为b,极板右端到荧光屏的距离为L2,不计电子重力。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 (1)求打在荧光屏O点的电子速度的大小; (2)推导出电子比荷的表达式。 答案:(1)　(2) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 解析:(1)设电子的速度为v,则有evB=eE 所以v==。 (2)当极板间仅有偏转电场时,电子在电场中沿竖直方向的偏转距离为 y1=a=·()2= 电子离开偏转电场时竖直方向上的分速度为 v1=at1= 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 电子离开偏转电场后做匀速直线运动,到荧光屏的时间为t2,这段时间内沿竖直方向运动的距离为 y2=v1t2=·= 电子在竖直方向上偏转的总距离为 d=y1+y2=L1(L2+) 解得=。 $$