高中物理第三章原子结构之谜第一节敲开原子的大门第二节原子的结构教学案粤教版选修35.docx

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高中物理第三章原子结构之谜第一节敲开原子的大门第二节原子的结构教学案粤教版选修35

第一节敲开原子的大门第二节原子的结构

[学习目标]1.知道阴极射线是由电子组成的，电子是原子的组成部分，知道电子的电荷量和荷质比.2.了解汤姆生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.3.知道α粒子散射实验的实验器材、实验原理和实验现象.4.知道卢瑟福的原子核式结构模型的主要内容，能说出原子核的数量级．

一、阴极射线　电子的发现

[导学探究]　

（1）在如图1所示的演示实验中，K是金属板制成的阴极，A是金属环制成的阳极．K和A之间加上近万伏的高电压后，管端玻璃壁上能观察到什么现象？

该现象说明了什么问题？

图1

（2）人们对阴极射线的本质的认识有两种观点，一种观点认为是一种电磁波，另一种观点认为是带电微粒，你认为应如何判断哪种观点正确？

答案　

（1）能看到玻璃壁上淡淡的荧光及管中物体在玻璃壁上的影，这说明阴极能够发出某种射线，并且撞击玻璃引起荧光．

（2）可以让阴极射线通过电场或磁场，若射线垂直于磁场（电场）方向射入之后发生了偏转，则该射线是由带电微粒组成的．

[知识梳理]

1．阴极射线

科学家用真空度很高的真空管做放电实验时，发现真空管阴极发射出的一种射线，叫做阴极射线．

2．阴极射线的特点

（1）在真空中沿直线传播；

（2）碰到物体可使物体发出荧光．

3．电子的发现

汤姆生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了其荷质比．

4．密立根通过著名的“油滴实验”精确地测出了电子电荷量．电子电荷量一般取e＝1.6×10－19C，电子质量me＝9.1×10－31kg.

[即学即用]　判断下列说法的正误．

（1）阴极射线在真空中沿直线传播．（　√　）

（2）英国物理学家汤姆生认为阴极射线是一种电磁辐射．（　×　）

（3）组成阴极射线的粒子是电子．（　√　）

（4）电子是原子的组成部分，电子电荷量可以取任意数值．（　×　）

二、α粒子散射实验

[导学探究]　如图2所示为1909年英国物理学家卢瑟福指导他的学生盖革和马斯顿进行α粒子散射实验的实验装置，阅读课本，回答以下问题：

图2

（1）什么是α粒子？

（2）实验装置中各部件的作用是什么？

实验过程是怎样的？

（3）实验现象如何？

（4）少数α粒子发生大角度散射的原因是什么？

答案　

（1）α粒子（

He）是从放射性物质中发射出来的快速运动的粒子，实质是失去两个电子的氦原子核，带有两个单位的正电荷，质量为氢原子质量的4倍、电子质量的7300倍．

（2）①α粒子源：

把放射性元素钋放在带小孔的铅盒中，放射出高能的α粒子．

②带荧光屏的放大镜：

观察α粒子打在荧光屏上发出的微弱闪光．

实验过程：

α粒子经过一条细通道，形成一束射线，打在很薄的金箔上，由于金原子中的带电粒子对α粒子有库仑力的作用，一些α粒子会改变原来的运动方向．带有放大镜的荧光屏可以沿图中虚线转动，以统计向不同方向散射的α粒子的数目．

（3）α粒子散射实验的实验现象：

绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于90°.

（4）α粒子带正电，α粒子受原子中带正电的部分的排斥力发生了大角度散射．

[知识梳理]

1．α粒子散射实验装置由α粒子源、金箔、带有荧光屏的放大镜等几部分组成，实验时从α粒子源到荧光屏这段路程应处于真空中．

2．实验现象：

绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于90°.

3．α粒子散射实验的结果用汤姆生的“枣糕模型”无法解释．

[即学即用]　判断下列说法的正误．

（1）α粒子散射实验证明了汤姆生的原子模型是符合事实的．（　×　）

（2）α粒子散射实验中大多数α粒子发生了大角度偏转或反弹．（　×　）

（3）α粒子大角度的偏转是电子造成的．（　×　）

（4）α粒子带有两个单位的正电荷，质量为氢原子质量的四倍．（　√　）

三、原子的核式结构模型　原子核的电荷与尺度

[导学探究]　

（1）原子中的原子核所带电荷量有何特点？

（2）核式结构模型是如何解释α粒子散射实验结果的？

答案　

（1）原子核带正电，所带电荷量与核外电子所带的电荷量相等．

（2）①由于原子核很小，大多数α粒子穿过金箔时都离核很远，受到的斥力很小，它们的运动方向几乎不改变．

②只有极少数α粒子有机会与原子核接近，受到原子核较大的斥力而发生明显的偏转．

[知识梳理]

1．核式结构模型：

1911年由卢瑟福提出．在原子中心有一个很小的核，叫原子核．它集中了全部的正电荷和几乎全部的质量，电子在核外空间运动．

2．原子核的电荷与尺度

[即学即用]　判断下列说法的正误．

（1）卢瑟福的核式结构模型认为原子中带正电的部分体积很小，电子在正电体外面运动．（　√　）

（2）原子核的电荷数等于核中的中子数．（　×　）

（3）对于一般的原子，由于原子核很小，所以内部十分空旷．（　√　）

一、对阴极射线的认识

例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

答案　CD

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．

二、带电粒子荷质比的测定

1．利用磁偏转测量

（1）让带电粒子通过相互垂直的电场和磁场（如图3），让其做匀速直线运动，根据二力平衡，即F洛＝F电（Bqv＝qE），得到粒子的运动速度v＝

.

图3

（2）撤去电场（如图4），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Bqv＝m

，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径r.

图4

（3）由以上两式确定粒子的荷质比表达式：

＝

.

2．利用电偏转测量

带电粒子在匀强电场中运动，偏转量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．

例2

　在再现汤姆生测阴极射线荷质比的实验中，采用了如图5所示的阴极射线管，从C出来的阴极射线经过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F中心出现荧光斑．若在D、G间加上方向向上、场强为E的匀强电场，阴极射线将向下偏转；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，阴极射线向上偏转，偏转角为θ，试解决下列问题：

图5

（1）说明阴极射线的电性．

（2）说明图中磁场沿什么方向．

（3）根据L、E、B和θ，求出阴极射线的荷质比．

答案　

（1）负电　

（2）垂直纸面向外　（3）

解析　

（1）由于阴极射线在电场中向下偏转，因此阴极射线受电场力方向向下，又由于匀强电场方向向上，则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上的洛伦兹力，而与电场力平衡，由左手定则得磁场的方向垂直纸面向外．

（3）设此射线带电量为q，质量为m，当射线在D、G间做匀速直线运动时，有qE＝Bqv.当射线在D、G间的磁场中偏转时，有Bqv＝

.同时又有L＝r·sinθ，如图所示，解得

＝

.

解决带电粒子在电场中运动的三个步骤

1．确定研究对象，并根据题意判断是否可以忽略带电粒子的重力．

2．对研究对象进行受力分析，必要时要画出力的示意图；分析判断粒子的运动性质和过程，画出运动轨迹示意图．

3．选用恰当的物理规律列方程求解．

三、对α粒子散射实验的理解

1．实验现象

（1）绝大多数的α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进．

（2）少数α粒子发生较大的偏转．

（3）极少数α粒子偏转角度超过90°，有的几乎达到180°.

2．理解

（1）核外电子不会使α粒子的速度发生明显改变．

（2）汤姆生的原子模型不能解释α粒子的大角度散射．

（3）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、电荷量均比它本身大得多的物体的作用．

（4）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，原子的质量、电荷量都集中在体积很小的核内．

例3

　如图6所示为卢瑟福α粒子散射实验装置的示意图，图中的显微镜可在圆周轨道上转动，通过显微镜前相连的荧光屏可观察α粒子在各个角度的散射情况．下列说法中正确的是（　　）

图6

A．在图中的A、B两位置分别进行观察，相同时间内观察到屏上的闪光次数一样多

B．在图中的B位置进行观察，屏上观察不到任何闪光

C．卢瑟福选用不同金属箔片作为α粒子散射的靶，观察到的实验结果基本相似

D．α粒子发生散射的主要原因是α粒子撞击到金箔原子后产生的反弹

答案　C

解析　α粒子散射实验现象：

绝大多数α粒子沿原方向前进，少数α粒子有大角度散射．所以A处观察到的粒子数多，B处观察到的粒子数少，所以选项A、B错误．α粒子发生散射的主要原因是受到原子核库仑斥力的作用，所以选项D错误，C正确．

解决这类问题的关键是理解并熟记以下两点：

（1）明确实验装置中各部分的组成及作用．

（2）弄清实验现象，知道“绝大多数”、“少数”和“极少数”α粒子的运动情况及原因．

四、原子的核式结构分析

1．原子内的电荷关系：

原子核的电荷数与核外的电子数相等，非常接近原子序数．

2．原子核的组成：

原子核由质子和中子组成，原子核的电荷数等于原子核的质子数．

3．原子的核式结构模型对α粒子散射实验结果的解释：

（1）当α粒子穿过原子时，如果离核较远，受到原子核的斥力很小，α粒子就像穿过“一片空地”一样，无遮无挡，运动方向改变很小．因为原子核很小，所以绝大多数α粒子不发生偏转．

（2）只有当α粒子十分接近原子核穿过时，才受到很大的库仑力作用，发生大角度偏转，而这种机会很少，所以有少数粒子发生了大角度偏转．

（3）如果α粒子正对着原子核射来，偏转角几乎达到180°，这种机会极少，如图7所示，所以极少数粒子的偏转角度甚至大于90°.

图7

例4

　（多选）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10－10m

答案　ABC

解析　卢瑟福α粒子散射实验的结果否定了关于原子结构的汤姆生模型，提出了关于原子的核式结构学说，并估算出原子核直径的数量级为10－15m，原子直径的数量级为10－10m，原子直径是原子核直径的十万倍，所以原子内部是十分“空旷”的，核外带负电的电子由于受到带正电的原子核的吸引而绕核旋转，所以A、B、C正确，D错误.

1．（多选）英国物理学家汤姆生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荷质比不同

D．汤姆生并未精确得出阴极射线粒子的电荷量

答案　AD

解析　阴极射线实质上就是高速电子流，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，所以它们的荷质比是相同的，C错误．最早精确测出电子电荷量的是美国物理学家密立根，D正确．

2．（多选）关于α粒子散射实验，下列说法正确的是（　　）

A．在实验中，观察到的现象是：

绝大多数α粒子穿过金箔后，仍沿原来的方向前进，极少数发生了较大角度的偏转

B．使α粒子发生明显偏转的力来自带正电的核和核外电子，当α粒子接近核时，是核的斥力使α粒子发生明显偏转；当α粒子接近电子时，是电子的吸引力使之发生明显偏转

C．实验表明：

原子中心有一个极小的核，它占有原子体积极小的一部分

D．实验表明：

原子中心的核带有原子的全部正电荷和全部原子的质量

答案　AC

3．X表示金原子核，α粒子射向金核被散射，若它们入射时的动能相同，其偏转轨道可能是下图中的（　　）

答案　D

解析　α粒子离金核越远其所受斥力越小，轨道弯曲程度就越小，故选项D正确．

4．如图8所示，电子以初速度v0从O点进入长为l、板间距离为d、电势差为U的平行板电容器中，出电场时打在屏上P点，经测量O′P距离为Y0，求电子的荷质比．

图8

答案　

解析　由于电子在电场中做类平抛运动，沿电场线方向做初速度为零的匀加速直线运动，满足

Y0＝

at2＝

（

）2＝

，

则

＝

.

一、选择题（1～7题为单选题，8～9题为多选题）

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

答案　C

2．卢瑟福提出原子的核式结构模型的依据是用α粒子轰击金箔，实验中发现α粒子（　　）

A．全部穿过或发生很小偏转

B．绝大多数穿过，只有少数发生较大偏转，有的甚至被弹回

C．绝大多数发生很大偏转，甚至被弹回，只有少数穿过

D．全部发生很大偏转

答案　B

解析　卢瑟福的α粒子散射实验结果是绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，故选项A错误．α粒子被散射时只有少数发生了较大角度偏转，并且有极少数α粒子偏转角超过了90°，有的甚至被弹回，故选项B正确，C、D错误．

3．α粒子散射实验中，使α粒子散射的原因是（　　）

A．α粒子与原子核外电子碰撞

B．α粒子与原子核发生接触碰撞

C．α粒子发生明显衍射

D．α粒子与原子核的库仑斥力的作用

答案　D

解析　α粒子与原子核外的电子的作用是很微弱的，A错误．α粒子与原子核很近时，库仑斥力很强，足以使α粒子发生大角度偏转甚至反向弹回，使α粒子散射的原因是库仑斥力的作用，B、C错误，D正确．

4.在卢瑟福的α粒子散射实验中，某一α粒子经过某一原子核附近时的轨迹如图1所示，图中P、Q两点为轨迹上的点，虚线是过P、Q两点并与轨道相切的直线．两虚线和轨迹将平面分成四个区域，不考虑其他原子核对α粒子的作用，那么关于该原子核的位置，下列说法正确的是（　　）

图1

A．可能在①区域B．可能在②区域

C．可能在③区域D．可能在④区域

答案　A

解析　因为α粒子与此原子核之间存在着斥力，如果原子核在②、③或④区，α粒子均应向①区偏折，所以不可能．

5．如图2所示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2

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

6．密立根油滴实验原理如图3所示，两块水平放置的金属板分别与电源的正负极相接，板间电压为U，形成竖直向下、场强为E的匀强电场．用喷雾器从上板中间的小孔喷入大小、质量和电荷量各不相同的油滴．通过显微镜可找到悬浮不动的油滴，若此悬浮油滴的质量为m，重力加速度为g，则下列说法正确的是（　　）

图3

A．悬浮油滴带正电

B．悬浮油滴的电荷量为

C．增大场强，悬浮油滴将向上运动

D．油滴的电荷量不一定是电子电荷量的整数倍

答案　C

解析　带电油滴在两板间静止时，电场力向上，应带负电，A错；qE＝mg，即q

＝mg，所以q＝

，B项错误；当E变大时，qE变大，合力向上，油滴向上运动，任何带电物体的电荷量都是电子电荷量的整数倍，D项错．

7．如图4所示，根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型．图中虚线表示原子核所形成的电场的等势线，实线表示一个α粒子的运动轨迹．在α粒子从a运动到b再运动到c的过程中，下列说法中正确的是（　　）

图4

A．动能先增大后减小

B．电势能先减小后增大

C．电场力先做负功后做正功，总功等于零

D．加速度先减小后增大

答案　C

解析　α粒子及原子核均带正电，故α粒子受到原子核的斥力，α粒子从a运动到b，电场力做负功，动能减小，电势能增大，从b运动到c，电场力做正功，动能增大，电势能减小，a、c在同一条等势线上，a、c两点的电势差为零，则α粒子从a到c的过程中电场力做的总功等于零，A、B错误，C正确；α粒子所受的库仑力F＝

，b点离原子核最近，所以α粒子在b点时所受的库仑力最大，加速度最大，故加速度先增大后减小，D错误．

8．关于原子核式结构理论，下列说法正确的是（　　）

A．是通过天然放射性现象得出来的

B．原子的中心有个核，叫做原子核

C．原子的正电荷均匀分布在整个原子中

D．原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核上，带负电的电子在核外旋转

答案　BD

解析　原子的核式结构理论是在α粒子散射实验的基础上提出的，A错；原子所带的正电荷都集中在一个很小的核里面，不是均匀分布在原子中，C错，所以选B、D.

9．下列说法中正确的是（　　）

A．汤姆生精确地测出了电子电荷量e＝1.6022×10－19C

B．电子电荷量的精确值是密立根通过“油滴实验”测出的

C．汤姆生油滴实验更重要的发现是：

电荷是量子化的，即任何电荷量只能是e的整数倍

D．通过实验测出电子的荷质比和电子电荷量e的值，就可以确定电子的质量

答案　BD

解析　电子电荷量的精确值是密立根通过“油滴实验”测出的，电荷是量子化的也是密立根发现的，A、C错误，B正确；测出电子荷质比的值

和电子电荷量e的值，可以确定电子的质量，故D正确．

二、非选择题

10．假设α粒子以速率v0与静止的电子或金原子核发生弹性正碰，α粒子的质量为mα，电子的质量me＝

mα，金原子核的质量mAu＝49mα.求：

（1）α粒子与电子碰撞后的速度变化；

（2）α粒子与金原子核碰撞后的速度变化．

答案　

（1）－2.7×10－4v0　

（2）－1.96v0

解析　α粒子与静止的粒子发生弹性碰撞，系统的动量和能量均守恒，由动量守恒定律有

mαv0＝mαv1′＋mv2′

由能量守恒定律有

mαv02＝

mαv1′2＋

mv2′2

解得v1′＝

v0

速度变化Δv＝v1′－v0＝－

v0

（1）若α粒子与电子碰撞，将me＝

mα代入，得

Δv1≈－2.7×10－4v0

（2）若α粒子与金原子核碰撞，将mAu＝49mα代入，得

Δv2＝－1.96v0.

11．电子的荷质比最早由美国科学家密立根通过油滴实验测出，如图5所示，两块水平放置的平行金属板上、下极板与电源正负极相接，上、下极板分别带正、负电荷，油滴从喷雾器喷出后，由于摩擦而带负电，油滴进入上极板中央小孔后落到匀强电场中，通过显微镜可以观察到油滴的运动，两金属板间距为d，不计空气阻力和浮力．

图5

（1）调节两板的电势差u，当u＝U0时，使得某个质量为m1的油滴恰好做匀速直线运动，求油滴所带的电荷量q为多少？

（2）若油滴进入电场时的速度可以忽略，当两金属板间的电势差u＝U时，观察到某个质量为m2的油滴进入电场后做匀加速运动，经过时间t运动到下极板，求此油滴的电荷量Q.

答案　

（1）

（2）

（g－

）

解析　

（1）油滴匀速下落过程受到的电场力和重力平衡，由平衡条件得：

q

＝m1g，得q＝m1g

.

（2）油滴加速下落，其所带电荷量为Q，因油滴带负电，则油滴所受的电场力方向向上，设此时的加速度大小为a，由牛顿第二定律和运动学公式得：

m2g－Q

＝m2a，d＝

at2，解得Q＝

（g－

）．