第4章 1.电子的发现 2.原子的核式结构模型-【金版教程】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册创新导学案word（教科版2019）

学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 DI SIZHANG 第四章 原子结构 1. 电子的发现 2. 原子的核式结构模型 [核心素养定位] 1知道阴极射线是由电子组成的,电子是原子的组成部分。2知道电荷量 是量子化的,即任何带电体的电荷量只能是e的整数倍。3.知道汤姆孙的原子结构模型,了 解a粒子散射实验的原理、现象和结论。4.知道卢瑟福的原子核式结构模型的主要内容,知 道原子和原子核大小的数量级。5.了解原子核式结构模型的局限性。 课前自主学习 电子的发现 1. 阴极射线 (1)定义:在研究稀薄气体放电时,发现真空度很高的玻璃管阴极会发射出一种射线,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,科学家们把这种射线称为阴极射线。 (2)阴极射线的带电性质:英国物理学家汤姆孙通过气体放电管中阴极射线在磁场或电场中 产生的偏转,确定射线微粒带负电荷。 2. 微粒比荷的测定 元电荷 (1)比荷:带电粒子的电荷量与质量之比称为比荷,比荷是带电微粒的基本属性之一。 (2)电子:汤姆孙根据对阴极射线管中微粒流在电场、磁场中的偏转情况的计算,发现这种 粒子的比荷是氢离子比荷的1000多倍,进一步的实验证实,阴极射线粒子的电荷与氢离子 的电荷大小基本上是相同的,由此可断定这种粒子的质量不到氢原子的1/1000,是比原子更 小的“微粒”,汤姆孙将这种粒子命名为电子 (3)电子发现的意义:电子的发现使人们认识到原子是可分的。 (4)电子电荷量的测量:最早是由美国科学家密立根采用“油滴实验”实现的 _ 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 D.zxxK.Com 您身边的互联网+教辅专家 ①元电荷;能独立存在的最小电荷被称为元电荷,电子所带的电荷就是元电荷,元电荷电 荷量约为e三16×109C(保留两位有效数字)。 ②任何带电体的电荷量是不连续的,都是元电荷的整数倍。 二 原子的核式结构模型 1. 汤姆孙原子模型 “枣糕模型”:如图所示,假想正电荷构成一个密度均匀的球体,电子“镶嵌”其中,并分 布在一些特定的同心圆环或球壳上。 2. a粒子散射实验 (1)实验装置 如图所示,由a粒子源、准直孔、金箔、探测器组成。探测器可以绕金箔中心点做圆周运动 从粒子源到探测器之间是真空的 测器 准 n粒子潮 金箔 (2)实验现象 ①绝大多数a粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进或只发生很小的偏转。 ②少数a粒子发生了较大的偏转。 ③极少数a粒子被“弹”回来。 (3)实验结论 原子内部的实际结构应该与汤姆孙建立的“枣糕模型”不符 3. 原子核式结构模型 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 D.zxxK.Com 您身边的互联网+教辅专家 (1)卢瑟福否定了汤姆孙的“枣糕模型”,提出了新的原子结构模型一一核式结构模型。 (2)原子核:原子中带正电部分体积很小,但几乎占有原子的全部质量,称之为原子核。 (3)原子核式结构模型:原子中间有一个体积很小、带正电荷的核,而电子在核外绕核运动。 (4)原子及原子核的大小:原子核的直径约为10m,只有原子直径的十万分之一。 (5)对于中性原子,所有电子带的负电荷之和等于原子核所带的正电荷 4. 原子核式结构模型的局限性 根据经典电磁理论,绕核运动的电子将不断地向外辐射电磁波,能量不断减少,轨道半径会 越来越小,电子会坠入原子核内,原子将不复存在!这个推论明显与事实不符,说明原子核 式结构模型有局限性 二画课前检测三 1. 判一判 (1)阴极射线管发出荧光是由于阴极射线撞击管壁而引起的。( ) (2)想知道阴极射线是电磁波还是带电粒子,可以使阴极射线垂直进入电场和磁场,通过荧 光屏上的亮点位置来判断。( ) (3)汤姆孙发现了电子,从而认识到原子是可以再分的。( ) (4)汤姆孙指出阴极射线的本质是带负电的粒子流,密立根求出了该粒子的比荷。( (5)汤姆孙的原子模型不能解释a粒子散射实验中少数a粒子发生大角度偏转甚至反向弹回 的现象。( (6)原子中心有一个很小的核,原子的全部正电荷和全部质量都集中在这个核里。( (7)a粒子散射实验是估算原子核半径的一种方法。( ) 提示:(1)v(2)(3)V(4)×(5)V(6)×(7) 2.想一想 在做i粒子散射实验时,&粒子射入金箔后为什么不考虑&粒子与电子的碰撞对粒子速度 的响? 提示:电子质量远小于a粒子质量,碰撞对a粒子的速度几乎没有影响。 课堂探究评价 探究 电子的发现 1n 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 仔细观察下列图片,认真参与“师生互动”。 甲 阴极射线实验 乙 测定微粒比荷的实验原理示意图 师 生互动 活动1:科学家在研究稀薄气体放电时,发现真空度很高的玻璃管阴极会发射出一种射线一 一阴极射线,撞到玻璃壁上会产生黄绿色荧光。关于这种射线的本质,曾经有两种观点:电 磁辐射、带电微粒,有什么办法可以判别吗? 提示:根据带电粒子在磁场或电场中会偏转,而电磁波不会偏转可以判别 活动2:如图甲所示,给阴极射线管加上高压,会看到阴极射线的径迹。将条形磁铁的一个 磁极靠近阴极射线管,会有什么现象产生?把另一个磁极靠近射线管,射线的偏转情况是否 相同? 提示:发生偏转,不相同 活动3:如图乙所示,阴极K发出的微粒经加速后,穿过小孔A、C,沿中心轴线OP进入 到两块水平正对放置的极板D、D:间的区域,射出后到达右端的荧光屏上形成光点。当 D.、D.两块金属极板之间不加电压时,射线打到荧光屏上的中心P点。当D、D.间加上方 向向下的电场E时,带电粒子将会向上偏转。由此现象可知组成阴极射线的粒子带哪种电 荷? 提示:根据D、D:间电场的方向可知该微粒带负电荷。 活动4:在活动3的基础上,为了抵消射线由于电场作用产生的偏转,再在D、D.两块金属 ,。~ 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 D.zxxK.Com 您身边的互联网+教辅专家 极板之间加上一个大小为B、方向垂直纸面向里的磁场,使射线又重新回到P点。然后去 掉D.D,之间的电场E,只保留原磁场B,测出带电粒子在磁场区域内做圆周运动的半径R。 试求解该粒子的比荷。 提示:当运动电荷受到的电场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v。只保留原磁场B时,则有qB三,由以上两式可得三。 活动5:汤姆孙测得阴极射线粒子的比荷是氢离子比荷的1000多倍,进一步的实验证实 阴极射线粒字的电荷与氢离子的电荷大小基本上是相同的,根据这一情况可以得到什么结论 提示:阴极射线粒子的质量不到氢原子的1/1000,是比原子更小的“微粒”。 活动6:组成阴极射线的上述粒子被称为电子。汤姆孙在实验中又变换了几种阴极材料,发 现实验结果是相同的,由此可以有什么猜测? 提示:电子广泛地存在于各种不同的原子之中,原子是可分的. 得 出结论 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”。 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qoB一aE,则粒子的运动速度o一 ## 乙 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aoB一m,根据轨迹偏转情况,由几何知识求出其半径R。 5 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 ③由以上两式确定带电粒子的比荷表达式:三。 (2)利用电偏转测量 带电粒子在匀强电场中运动,沿电场方向偏转距离v三ar三,故三,所以在偏转电场中, V、d、乙已知时,只需测量v和v即可。 4. 电子的发现的意义 电子的发现是物理学史上的重要事件。人们由此认识到原子不是组成物质的最小微粒,原子 本身也有结构 5. 电子的认识 (1)电子电荷量的测量最早(1913年)是由美国科学家密立根采用“油滴实验”实现的。目前 精确测定的电子电荷量e=1.602176462(63)X10-1^C。 (2)密立根实验更重要的发现是:电荷量是量子化的,即任何带电体的电荷量只能是e的整 数倍。从实验测到的比荷及e的数值,可以确定电子的质量。目前测量到的电子静质量为 m.-9.10938188(72)X10-”kg (3)质子质量与电子质量的比值为一1836 实 践提升 例1 如图所示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到 O点的竖直距离为d,水平距离可忽略不计;此时在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L,极板间距为,极板右端到荧光屏的距离为L。 (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 olDl (1)如何计算电子在正交的电场和磁场中的速度? 提示:因为电子在正交电场和磁场中做匀速直线运动,所以根据受力平衡可得:evB=Ee. 。 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 又E=,可得:v=。 (2)在仅有电场时,电子在电场中做什么运动 提示:做类平抛运动 [规范解答(1)设电子的速度为v 则有euB=eE,所以v==。 (2)当极板间仅有偏转电场时,电子在电场中竖直方向上的偏转距离为v三at三= 电子离开电场时竖直方向上的分速度头 .=at=: 电子离开电场后做匀速直线运动,到荧光屏的时间为/= 这段时间内竖直方向上运动的距离为 y=vit= 这样,电子在竖直方向上偏转的总距离为 =y=y+y=L 可解得:=。 [答案](1)(2)一 规律点拨 常见的三种测量带电粒子比荷的方法 (1)利用磁偏转测比荷:由B三n得三,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。 (2)利用电偏转测比荷:偏转量y三ar*三,故=。所以在偏转电场V、d、L已知时,只需测 量v和v即可。 (3)利用加速电场测比荷:由动能定理得qU=mv”,因此=,只需再测出v即可。 [变式训练1] 密立根油滴实验首先精确地测出了元电荷的数值,其实验装置如图所示,油 滴从喷雾器喷出,以某一速度进入水平放置的平行板之间。今有一带负电的油滴,不加电场 时,油滴由于受到重力作用加速下落,速率变大,受到的空气阻力也变大,因此油滴很快会 以一恒定速率v匀速下落。若在两板间加一电压,使板间形成向下的电场E,油滴下落的最 终速率为v。已知运动过程中油滴受到的阻力可由斯托克斯公式/一6n/o计算(其中,为油 滴半径,”为空气粘滞系数)。实验时已测出^、vV、v、E、” 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 喷雾器 ,. 油滴室 金属板 显镜 金属板 (1)油滴的电荷量q= (2)经多次测量得到许多油滴的总电荷量O的测量值如下表(单位10-*C) 6.41 8.01 9.65 11.23 12.83 14.48 分析这些数据可知 答案(1) (2)电荷的最小电荷量即元电荷为1.6×10-C 解析 (1)没有加电压时,有ng三f=6xr,加上电压后,油滴受到向上的阻力和电场力 有mg=f+qE=6rurr;+qE,联立解得油滴的电荷量q=。 (2)在误差范围内,可以认为油滴的带电荷量总是1.6×10”C的整数倍,故电荷的最小电荷 量即元电荷为1.6×10C. 探究 原子的核式结构模型 仔细观察下列图片,认真参与“师生互动”。 子 甲枣糕模 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 a粒子流 可移动探测器 a粒子源 金箔 真空 大角度 →无偏转 小角度 乙 a粒子散射实验装置示意图 原子 原子核 直径约10”. 直径约10”. 丙 核式结构模型示意图 师生互动 活动1:我们知道原子是电中性的,电子带负电且质量非常小,据此猜想原子的组成和结构 是什么样的? 提示:原子中一定存在带等量正电荷的部分,它具有原子的大部分质量 活动2:如图甲是汤姆孙提出的原子的“枣糕模型”--假想正电荷构成一个密度均匀的球 体,电子“镶嵌”其中,并分布在一些特定的同心圆环或球壳上。a粒子是放射性物质发射 出来的高速粒子,带两个单位正电荷,它的质量是氢原子的4倍、电子的7300倍,如果用 一束平行的a粒子轰击大量图甲中固定的原子,则a粒子的运动情况是什么样的? 提示:因为a粒子的质量远大于电子,所以带负电的电子对a粒子的运动基本没有影响。正 电荷均匀分布在原子中,a粒子穿过原子时受到的各方向正电荷的斥力基本上会相互平衡, 所以a粒子应该沿原来的方向运动. 活动3;卢瑟福及其助手曾用如图乙所示的装置做探究原子结构的实验, 粒字穿过金箔打 在探测器上时会发出荧光。实验发现,绝大多数a粒子穿过金箔后,仍沿原方向前进或只有 很小的偏转,但有少数的a粒子发生了较大的偏转,极少数a粒子甚至被“弹”回来,如图 乙。据此分析图甲模型是否正确 T 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 D.zxxK.Com 您身边的互联网+教辅专家 提示:根据活动2的分析,以及实验结果,可知图甲模型不正确。 活动4:图丙是卢瑟福根据实验结果提出的原子模型一一原子中带正电部分(原子核)的体积 很小,但几乎占有全部质量,电子在正电体的外面运动。请分析此模型是否与实验吻合? 提示:大量a粒子进入原子区域后,电子对它的影响基本可以忽略。由于原子核很小,所以 只有极少量a粒子能靠近原子核而在库仑斥力的作用下发生大角度偏转,大部分a粒子离原 子核很远,受到的库仑力很小,运动方向几乎不变。由此可见图丙的原子模型与实验吻合 活动5:卢瑟福推算出原子核的直径约为10-1*m,只有原子直径的十万分之一,从中你有 什么认识? 提示:原子内部是十分“空旷”的 得出结论 1. 粒子散射实验 (1)实验过程:a粒子从铅盒射出,打到前方的金箔中心,被散射的a粒子打在绕着金箔中心 点做圆周运动的探测器上发出荧光。 (2)现象 ①绝大多数a粒子穿过金箔后,仍沿原来的方向前进或只有很小的偏转。 ②少数a粒子发生较大的偏转。 ③极少数粒子甚至被“弹”回来。如图所示 偏转_ 弹回 转 转 。金原子核 (3)a粒子散射实验与汤姆孙的原子模型的冲突分析 ①由于电子质量远小于&粒子质量,所以电子不可能使a粒子发生大角度偏转。 ②使a粒子发生大角度偏转的只能是原子中带正电的部分,按照汤姆孙的模型,正电荷在 原子内是均匀分布的,a粒子穿过原子时,它受到的正电荷的斥力基本上会相互平衡,因而 10