2020高中物理第十八章原子结构第1节电子的发现课时训练含解析 人教版选修3-5

2020高中物理第十八章原子结构第1节电子的发现课时训练含解析 人教版选修3-5

第1节　电子的发现 ‎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．知道电荷是量子化的，即任何电荷只能是e的整数倍。‎ ‎3．理解电子的发现对揭示原子结构的重大意义。‎ ‎4．体会电子的发现过程中蕴含的科学方法。‎ 一、阴极射线 在充有稀薄气体的玻璃管两端安装电极，当两极间加上一定电压时，阴极便发出一种看不见的射线，这种射线叫做阴极射线。‎ 二、电子的发现 ‎1．汤姆孙的探究方法及结论 汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转判定，它的本质是带负电的粒子流，并求出了这种粒子的比荷。‎ 汤姆孙用不同材料的阴极做实验，所得的比荷都是相同的，是氢离子比荷的近两千倍。‎ 汤姆孙直接测量了阴极射线粒子的电荷量，得到这种粒子的电荷量大小与氢离子大致相同。后来把组成阴极射线的粒子称为电子。‎ ‎2．汤姆孙的进一步研究 汤姆孙进一步研究发现，不论是阴极射线、β射线、光电效应中的光电流还是热离子发射效应中的离子流，它们都包含电子。‎ 结论：电子是从原子中发射出来的，它的质量只比最轻原子的质量的两千分之一稍多一点，由此可见，电子是原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元。‎ ‎3．对电子的认识 电子电荷量e＝1.602×10－19_C，是由密立根通过著名的“油滴实验”精确测定出来的。‎ 密立根发现，电荷是量子化的，任何电荷只能是e的整数倍。‎ 质子的质量与电子的质量的比值：1836∶1。‎ 判一判 ‎(1)阴极射线管发出荧光的原因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，密立根求出了粒子的比荷。(　　)‎ 11‎ 提示：(1)√　(2)√　(3)√　(4)×‎ 想一想 ‎(1)气体放电管中的气体为什么会导电？‎ 提示：气体分子内部有电荷，正电荷和负电荷的数量相等，对外呈电中性，当分子处于电场中时，正电荷和负电荷所受电场力的方向相反，电场很强时正、负电荷被“撕”开，于是出现了等量的正、负电荷，在电场力作用下做定向运动，气体就导电了。‎ ‎(2)只有阴极射线中包含电子吗？‎ 提示：不是只有阴极射线中包含电子。β射线、光电效应中的光电流、热离子发射效应中的离子流，都包含电子。‎ 11‎ 课堂任务　阴极射线 ‎1．演示实验：如图所示，真空玻璃管中，K是金属板制成的阴极，接在感应线圈的负极上，金属环制成的阳极A，接感应线圈的正极，管中十字状物体是一个金属片，接通电源后，观察管端玻璃壁上亮度的变化。‎ ‎2．实验现象：德国物理学家普吕克尔在类似的实验中看到了玻璃壁上淡淡的荧光及管中物体在玻璃壁上的影。‎ ‎3．实验分析：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。‎ ‎4．对阴极射线本质的认识：对于阴极射线的本质，科学家做了大量的科学研究，主要形成了两种观点。‎ ‎(1)电磁波说：代表人物——赫兹，他认为这种射线的本质是一种电磁辐射。‎ ‎(2)粒子说：代表人物——汤姆孙，他认为这种射线的本质是一种带电粒子流。‎ 例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．阴极射线就是X射线 ‎(1)阴极射线是如何产生的？‎ 提示：在研究气体导电的玻璃管内有阴、阳两极。当两极间加一定电压时，阴极便发出一种射线，这种射线为阴极射线。‎ ‎(2)阴极射线的本质是什么？‎ 提示：电子流。‎ ‎[规范解答]　阴极射线是在真空管中由负极发出的电子流，故A、B错误；阴极射线是由德国物理学家戈德斯坦在1876年提出并命名，故C正确；阴极射线本质是电子流，故D错误。‎ ‎[完美答案]　C 11‎ 对阴极射线的理解及带电性质的判断方法 ‎(1)阴极射线实际上就是电子流。‎ ‎(2)辉光现象产生的条件：玻璃管中气体稀薄。‎ ‎(3)阴极射线的来源：若真空度高，阴极射线的粒子主要来自阴极；若真空度不高，粒子还可能来自管中气体。‎ ‎(4)阴极射线不是X射线。‎ ‎(5)阴极射线带电性质的判断方法 阴极射线的本质是电子流，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，其带电性质的判断方法如下：‎ ‎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位置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。‎ 　如图所示，在阴极射线管正上方平行放一通有向左的强电流的长直导线，则阴极射线将(　　)‎ A．向纸内偏转 B．向纸外偏转 C．向下偏转 D．向上偏转 答案　D 解析　由安培定则可知，阴极射线管处磁场方向垂直纸面向外，而阴极射线方向向右，即电子速度方向向右，由左手定则可知，电子所受洛伦兹力方向向上。故D正确。‎ 课堂任务　带电粒子比荷的测定 ‎1．让粒子垂直通过方向垂直的电场、磁场复合区域(如图所示)，让粒子做直线运动，根据二力平衡，即F洛＝F电(Bqv＝qE)得到粒子的运动速度v＝。‎ 11‎ ‎2．在其他条件不变的情况下，撤去电场(如图所示)，保留磁场，让粒子垂直磁场方向，在磁场中运动，由洛伦兹力提供向心力即Bqv＝，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：＝。‎ 例2　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L1，极板间距为b，极板右端到荧光屏的距离为L2。‎ ‎(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。‎ ‎(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，所以根据受力平衡求解：evB＝Ee，又E＝，可得：v＝。‎ ‎(2)在仅有电场时，电子在电场中做类平抛运动时，速度方向有什么特点？‎ 提示：物体做类平抛运动时，速度方向的反向延长线过水平位移中点。‎ ‎[规范解答]　(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，电子在电场中竖直方向上的偏转距离为y1＝at＝2＝ 电子离开电场时竖直方向上的分速度为 v1＝at1＝· 11‎ 电子离开电场后做匀速直线运动，到荧光屏的时间为t2，这段时间内竖直方向上运动的距离为y2＝v1t2＝，这样，电子在竖直方向上偏转的总距离为d＝y＝y1＋y2＝L1 可解得：＝。‎ ‎[完美答案]　(1)v＝　(2)＝ 带电粒子的比荷常见的三种测量方法 ‎(1)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。‎ ‎(2)利用电偏转测比荷：偏转量y＝at2＝·2，故＝。所以在偏转电场U、d、L已知时，只需测量v和y即可。‎ ‎(3)利用加速电场测比荷：由动能定理qU＝mv2，因此＝，只需再测出v即可。‎ 　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所示，A、B是两块平行放置的水平金属板，A板带正电荷，B板带负电荷，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荷，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1.92×102 N/C。油滴半径是1.64×10－1 cm。油的密度是0.851 g/cm3，求油滴所带的电荷量。这个电荷量是电子电荷量的多少倍？(g取9.8 m/s2)‎ 11‎ 答案　8.02×10－7 C　5×1012倍 解析　小油滴质量m＝ρV＝ρ·πr3。‎ 由题意知mg－Eq＝0。‎ 由两式可得 q＝ ‎＝ C ‎≈8.02×10－7 C。‎ 小油滴所带电荷量q是电子电荷量e的倍数为 n＝≈5×1012倍。‎ A组：合格性水平训练 ‎1．(电子、阴极射线)(多选)下列说法中正确的是(　　)‎ A．电子的发现说明原子是可以再分的 B．在强电场中气体能够被电离而导电 C．阴极射线的实质是电磁波 D．阴极射线在真空中通过磁场时速度方向一定发生偏转 答案　AB 解析　电子的发现说明原子可再分，A正确。在强电场中气体能够被电离而导电，B正确。阴极射线的本质是电子流，C错误。当射线速度方向与磁场方向平行时不发生偏转，D错误。‎ ‎2．(电荷量)(多选)关于电荷量，下列说法正确的是(　　)‎ A．物体的电荷量可以是任意值 B．物体的电荷量只能是某些值 C．物体的电荷量的最小值为1.6×10－19 C D．一个物体带1.6×10－9 C的正电荷，这是它失去了1010个电子的缘故 答案　BCD 解析　电子的电荷量是1.6×10－19 C，物体的电荷量只能是它的整数倍，故A错误，B、C正确；一个物体带正电，是因为失去电子的缘故，计算可得D正确。‎ ‎3．(电子的发现)(多选)1897年英国物理学家汤姆孙发现了电子并被称为“电子之父”，下列关于电子的说法正确的是(　　)‎ A．汤姆孙通过阴极射线在电场和磁场中的运动得出了阴极射线是带负电的粒子的结论，并求出了阴极射线的比荷 B．汤姆孙通过光电效应的研究，发现了电子 C．电子的质量是质子质量的1836倍 D．汤姆孙用不同材料的阴极做实验，并研究光电效应等现象，说明电子是原子的组成部分，是比原子更小的基本的物质单元 答案　AD 11‎ 解析　汤姆孙采用阴极射线管装置，通过提高放电管的真空度而取得了成功，汤姆孙不仅使阴极射线在磁场中发生了偏转，而且还使它在电场中发生了偏转，由此进一步证实了阴极射线是带负电的粒子流的结论，他运用实验测出阴极射线粒子的电荷与质量的比值，也就是比荷。由此发现了电子，A正确，B错误。质子质量是电子的1836倍，C错误。发现电子后，汤姆孙又研究了光电效应、热离子发射效应和β射线等，得出电子是原子的组成部分，D正确。‎ ‎4．(阴极射线) 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，如图所示。若要使射线向上偏转，所加磁场的方向应为(　　)‎ 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C正确。‎ ‎5．(电子发现的意义)(多选)关于电子的发现，下列说法正确的是(　　)‎ A．电子的发现，说明原子是由电子和原子核组成的 B．电子的发现，说明原子具有一定的结构 C．在电子被人类发现前，人们认为原子是组成物质的最小微粒 D．电子带负电，使人们意识到原子内应该还有带正电的部分 答案　BCD 解析　发现电子时，人们对原子的结构仍然不清楚，但人们意识到电子应该是原子的组成部分，原子具有一定的结构，故A错误，B正确；在电子被人类发现前，人们认为原子是组成物质的最小微粒，C正确；原子对外显电中性，而电子带负电，使人们意识到，原子中应该还有带正电的部分，D正确。‎ ‎6．(电子比荷的测定)如图所示，电子以初速度v0从O点沿OO′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的距离为y0，求电子的比荷。‎ 答案　 解析　‎ 11‎ 由于电子进入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＝。‎ B组：等级性水平训练 ‎7．(阴极射线)(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 答案　AC 解析　实验证明，阴极射线是电子，它在电场中偏转时应偏向带正电的极板一侧，C正确，B错误。加上磁场时，电子在磁场中受洛伦兹力，要发生偏转，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，A正确。‎ ‎8．(空气的导电性能)(多选)关于空气导电性能，下列说法正确的是(　　)‎ A．空气导电，是空气分子中有的带正电，有的带负电，在强电场作用下向相反方向运动的结果 B．空气能够导电，是空气分子在射线或强电场作用下电离的结果 C．空气密度越大，导电性能越好 D．空气变得越稀薄，越容易发出辉光 答案　BD 解析　空气是混合气体，通常情况下，空气是绝缘体，但在射线、受热或强电场作用下，空气被电离才具有导电功能。空气密度较大时，电离的自由电荷很容易与其他空气分子碰撞，正、负离子重新复合，难以形成稳定电流，电离后的自由电荷在稀薄气体环境中导电性能更好，B、D正确。‎ ‎9．(阴极射线管)(多选)阴极射线管中加高电压的作用是(　　)‎ A．使管内气体电离 B．使管内正离子加速撞击阴极产生阴极射线 C．电弧放电 D．使电子减速 答案　AB 解析　阴极射线管加上高电压时，管中残存气体分子被电离成正离子和电子分别向两极运动，正离子在电场加速下撞击阴极而使阴极释放出更多电子形成阴极射线，A、B正确。‎ 11‎ ‎10．(电荷量)密立根用喷雾的方法获得了带电液滴，然后把这些带有不同电荷量和质量的液滴置于电场中，通过电场力和重力平衡的方法最终测得了带电液滴带的电荷量。某次测量中，他得到了如下数据，则可得出结论为：______________________________________。‎ 液滴编号 电荷量/C ‎1‎ ‎6.41×10－19‎ ‎2‎ ‎9.70×10－19‎ ‎3‎ ‎1.6×10－19‎ ‎4‎ ‎4.82×10－19‎ ‎…‎ ‎…‎ 答案　电荷量都是元电荷e的整数倍 解析　元电荷是电荷量的最小值，最早是由美国科学家密立根用实验测得。分析表格数据可知电荷量都是元电荷的整数倍。‎ ‎11．(综合)如图所示为一种可用于测量电子电荷量e与质量m比值的阴极射线管，管内处于真空状态。图中L是灯丝，当接上电源时可发射电子。A是中央有小圆孔的金属板，当L和A间加上电压时(其电压值比灯丝电压大很多)，电子将被加速并沿图中虚直线所示的路径到达荧光屏S上的O点，发出荧光。P1、P2为两块平行于虚直线的金属板，已知两板间距为d。在虚线所示的椭圆形区域内可施加一匀强磁场，已知其磁感应强度为B，方向垂直纸面向外。a、b1、b2、C1、C2都是固定在管壳上的金属引线。E1、E2、E3是三个电压可调并可读出其电压值的直流电源。‎ ‎(1)试在图中画出三个电源与阴极射线管的有关引线的连线；‎ ‎(2)导出计算的表达式。要求用应测物理量及题给已知量表示。‎ 答案　(1)见解析　(2)＝ 解析　(1)在b1、b2间接E1作为灯丝的加热电源，对于电源的极性没有要求；在a、b2间接E2作为加速电压，要求a接E2的正极；在C1、C2间接E3作为速度选择器的偏转电压，要求C2接E3的正极。具体连线如图所示。‎ 11‎ ‎(2)设电子经过E2加速以后获得的速度为v，根据动能定理可得eE2＝mv2。‎ 调节E3使电子在P1、P2间不发生偏转，电场力和洛伦兹力平衡，则e＝eBv。‎ 由以上两式得＝。‎ ‎ ‎ 11‎