学年新设计高中物理教科版选修33讲义第二章 原子结构21Word版含答案.docx
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学年新设计高中物理教科版选修33讲义第二章原子结构21Word版含答案
1 电 子
[目标定位] 1.了解阴极射线及电子发现的过程.2.知道汤姆孙研究阴极射线发现电子的实验及理论推导.3.知道电子电荷是1910年由密立根通过著名的“油滴实验”得出.
一、阴极射线
1.实验:
如图1所示,真空玻璃管中K是金属板制成的阴极,接感应线圈的负极,A是金属环制成的阳极,在K、A间加近万伏的高电压,可观察到玻璃壁上黄绿色的荧光及管中物体在玻璃壁上的影.
图1
2.阴极射线:
荧光的实质是由于玻璃受到阴极发出的某种射线的撞击而引起的,这种射线被命名为阴极射线.
二、电子的发现
1.让阴极射线分别通过电场或磁场,根据偏转情况,证明了它的本质是带负电的粒子流,并求出其比荷.
2.密立根通过著名的“油滴实验”精确地测出了电子电荷.电子电荷量一般取e=1.6×10-19_C,电子质量me=9.1×10-31_kg.
3.元电荷:
最小的电荷量,e=1.602×10-19C,所有物体所带电荷量是元电荷的整数倍.
想一想 电子发现的重大意义是什么?
答案 电子是人类发现的第一个比原子小的粒子.电子的发现,打破了原子不可再分的传统观念,使人们认识到原子不是组成物质的最小微粒,原子本身也有内部结构.从此,原子物理学飞速发展,人们对物质结构的认识进入了一个新时代.
预习完成后,请把你疑惑的问题记录在下面的表格中
问题1
问题2
问题3
一、对阴极射线性质的研究
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)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.
【例1】 (多选)如图2所示,一只阴极射线管的左侧不断有电子射出,如果在管的正上方放一通电直导线AB时,发现射线的径迹往下偏转,则下列判断正确的是( )
图2
A.导线中的电流从A流向B
B.导线中的电流从B流向A
C.电子束的径迹与AB中的电流无关
D.若要使电子束的径迹往上偏转,可以通过改变AB中的电流方向来实现
答案 AD
解析 由于电子带负电,并且向下偏转,由左手定则知该处的磁场方向应垂直纸面向里,又由安培定则可判断导线中的电流方向为由A到B.可以通过改变导线中的电流方向来改变粒子的径迹.故正确答案为A、D.
借题发挥 本题是运用左手定则和安培定则的综合性题目,在应用左手定则判断洛伦兹力的方向时,一定要注意运动电荷的正负.
针对训练1 阴极射线是从阴极射线管的阴极发出的高速运动的粒子流,这些微观粒子是________.若在图3所示的阴极射线管中部加上垂直于纸面向里的磁场,阴极射线将________(填“向下”、“向里”或“向外”)偏转.
图3
答案 电子 向下
解析 阴极射线的实质是电子流,电子流形成的等效电流方向向左,当加上垂直纸面向里的磁场后,由左手定则判知电子受到的洛伦兹力的方向向下,故阴极射线将向下偏转.
二、电子比荷的测定
实验探究
如图4所示为测定阴极射线粒子比荷的装置,从阴极K发出的阴极射线通过一对平行金属板D1、D2间的匀强电场,发生偏转.
图4
(1)在D1、D2间加电场后射线偏到P2,则由电场方向知,该射线带什么电?
(2)再在D1、D2间加一磁场,电场与磁场垂直,让射线恰好不偏转.设电场强度为E,磁感应强度为B,则电子的速度多大?
(3)撤去电场,只保留磁场,使射线在磁场中做圆周运动,若测出轨道半径为r,则粒子的比荷
是多大?
答案
(1)负电
(2)粒子受两个力作用:
电场力和磁场力,两个力平衡,即有qE=qvB,得:
v=
(3)由洛伦兹力充当向心力:
qvB=m
,得出:
=
.
又v=
,则
=
.测出E、B、r即可求出比荷
.
【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单位的观点.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,在实验中汤姆孙采用了如图5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、E平行板间,接着在荧光屏F中心出现荧光斑,若在D、E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、E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:
图5
(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.
答案
(1)垂直纸面向里
(2)
解析
(1)磁场方向垂直纸面向里.
(2)当电子在D、E间做匀速直线运动时有:
eE=Bev.
当电子在D、E间的磁场中偏转时有
Bev=
,同时又有:
L=r·sinθ,可得:
=
.
借题发挥
(1)比荷的测定问题只是带电粒子在磁场和电场中运动的一类典型例子,这种方法可以推广到带电粒子在复合场中运动,求其他相关的问题.
(2)解决带电粒子在电磁场中运动的问题时要注意以下几点:
①带电粒子的带电性质.②正确描绘运动轨迹.③能确定半径、圆心.④会利用几何知识把有关线段与半径联系起来.
针对训练2 如图6所示为测量某种离子的比荷的装置.让中性气体分子进入电离室A,在那里被电离成离子.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点.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
.
图6
答案
解析 离子在电场中qU=
mv2①
离子在磁场中Bqv=m
,②
2R=a,③
解①②③得
=
.
对阴极射线的理解
1.(多选)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
答案 AC
解析 通过让阴极射线在电场、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7所示.若要使射线向上偏转,所加磁场的方向应为( )
图7
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
答案 C
解析 由于阴极射线的本质是电子流,阴极射线方向向右传播,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,使电子所受洛伦兹力方向平行于纸面向上,由此可知磁场方向应为垂直于纸面向外,故选项C正确.
电子的电荷量
3.(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.电子是原子核的组成部分
B.电子电荷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1.602×10-19C
D.电子质量与电荷量的比值称为电子的比荷
答案 BC
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.电子的电荷量与质量的比值称为电子的比荷,也叫荷质比.
4.关于电荷量,下列说法中错误的是( )
A.物体所带电荷量可以是任意值
B.物体所带电荷量只能是某些值
C.物体所带电荷量的最小值为1.6×10-19C
D.一个物体带1.6×10-9C的正电荷,这是它失去了1.0×1010个电子的缘故
答案 A
解析 电荷量是量子化的,即物体的带电量只能是某一最小电荷量的整数倍,这一最小电荷量是1.6×10-19C,A错误,B、C正确;物体带正电,是由于它失去了带负电的电子,D正确.
(时间:
60分钟)
题组一 阴极射线
1.关于阴极射线,下列说法正确的是( )
A.阴极射线就是稀薄气体导电时的辉光放电现象
B.阴极射线是在真空管内由正极放出的电子流
C.阴极射线是由德国物理学家戈德斯坦命名的
D.阴极射线的比荷比氢原子的比荷小
答案C
解析 阴极射线是在真空管中由负极发出的电子流,故A、B错;最早由德国物理学家戈德斯坦在1876年提出并命名为阴极射线,故C对;阴极射线本质是电子流,故其比荷比氢原子比荷大的多,故D错.
2.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
答案 C
解析 阴极射线是原子受激发射出的电子,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.
3.下列关于对阴极射线的说法,正确的是( )
A.是由很小的不带电的粒子构成的
B.是由原子构成的
C.是由电子构成的
D.以上说法都不对
答案 C
解析 对阴极射线的研究结果显示,阴极射线是由电子构成的.这是英国物理学家汤姆孙在1897年得出的结论.
题组二 电子的发现
4.(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”.下列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.电子质量是质子质量的1836倍
D.电子是一种粒子,是构成物质的基本单元
答案 AD
解析 汤姆生对不同材料的阴极发出的射线进行研究,均为同一种粒子—即电子,电子是构成物质的基本单元,它的质量远小于质子质量;由此可知A、D正确,B、C错误.
5.下列关于电子的说法中不正确的是( )
A.发现电子是从研究阴极射线开始的
B.任何物质中均有电子,它是原子的组成部分
C.电子发现的意义是使人们认识到原子不是组成物质的最小微粒,原子本身也具有复杂的结构
D.电子是带正电的,它在电场中受到的电场力方向与电场线的切线方向相同
答案 D
解析 研究表明电子是物质的组成部分,电子的发现使人们认识到原子不是组成物质的最小微粒,是可以再分的.
题组三 电子在电磁场中的运动
6.如图1是阴极射线管示意图.接通电源后,阴极射线由阴极沿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( )
图1
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
答案 B
解析 若加磁场,由左手定则可知,所加磁场方向沿y轴正方向,B正确;若加电场,因电子向下偏转,则电场方向沿z轴正方向.
7.(多选)如图2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( )
图2
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向A点移动,则偏移磁场强度应该先由小到大,再由大到小
答案 AC
解析 由粒子的电性及左手定则可知B项错误;由R=
可知,B越小R越大,故D项错误.
8.图3为示波管中电子枪的原理示意图.示波管内被抽成真空,A为发射电子的阴极,K为接在高电势点的加速阳极,A、K间电压为U.电子离开阴极时的速度可以忽略,电子经加速后从K的小孔中射出时的速度大小为v.下面的说法中正确的是( )
图3
A.如果A、K间距离减半而电压仍为U不变,则电子离开K时的速度变为2v
B.如果A、K间距离减半而电压仍为U不变,则电子离开K时的速度变为
C.如果A、K间距离保持不变而电压减半,则电子离开K时的速度变为
D.如果A、K间距离保持不变而电压减半,则电子离开K时的速度变为
v
答案 D
解析 由qU=
mv2得v=
,由公式可知,电子经加速电场加速后的速度与加速电极之间的距离无关,对于确定的加速粒子——电子,其速度只与电压有关,由此不难判定D正确.
9.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?
答案
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=
2①
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
=
.
10.电子所带电荷量的精确数值最早是由美国物理学家密立根通过油滴实验测得的,他测定了数千个带电油滴的电荷量,发现这些电荷量都等于某个最小电荷量的整数倍,这个最小电荷量就是电子所带的电荷量.密立根实验的原理如图4所示,A、B是两块平行放置的水平金属板,A板带正电,B板带负电.从喷雾器嘴喷出的小油滴,落到A、B两板之间的电场中,小油滴由于摩擦而带负电,调节A、B两板间的电压,可使小油滴受到的电场力和重力平衡,已知小油滴静止处的电场强度是1.92×105N/C,小油滴半径是1.64×10-4cm,油的密度是0.851g/cm3,求:
小油滴所带的电荷量;这个电荷量是电子电荷量的多少倍?
图4
答案 8.02×10-19C 5
解析 小油滴的质量m=ρV=ρ·
πr3①
由题意知mg=Eq②
由①②两式可得:
q=
=
C
≈8.02×10-19C
小油滴所带电荷量q是电子电荷量e的
≈5倍.
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