【導(dǎo)學(xué)練】高中物理魯科版(2019)選擇性必修3：4.1 電子的發(fā)現(xiàn)與湯姆孫原子模型 2 原子的核式結(jié)構(gòu)模型學(xué)案

第1節(jié)電子的發(fā)現(xiàn)與湯姆孫原子模型第2節(jié)原子的核式結(jié)構(gòu)模型[核心素養(yǎng)·明目標(biāo)]核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)目標(biāo)物理觀念知道陰極射線及本質(zhì)，了解電子及其比荷，知道原子的核式結(jié)構(gòu)模型及原子核的電荷與尺度?？茖W(xué)思維掌握電子的電荷量、原子的核式結(jié)構(gòu)模型，能夠通過(guò)科學(xué)推理解決相關(guān)的問(wèn)題?？茖W(xué)探究探究陰極射線的本質(zhì)，理解α粒子散射實(shí)驗(yàn)，揭示實(shí)驗(yàn)本質(zhì)，得出結(jié)論，學(xué)習(xí)科學(xué)家的探索方法，提高觀察與實(shí)驗(yàn)的能力?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任通過(guò)學(xué)習(xí)了解科學(xué)家探索科學(xué)的艱辛，堅(jiān)持實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)積極探索科學(xué)的興趣。知識(shí)點(diǎn)一電子的發(fā)現(xiàn)與湯姆孫原子模型1．物質(zhì)結(jié)構(gòu)的早期探究(1)古人對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)①我國(guó)古代的“五行說(shuō)”認(rèn)為萬(wàn)物是由金、木、水、火、土五種基本“元素”組成的。②古希臘的亞里士多德認(rèn)為萬(wàn)物的本質(zhì)是土、水、火、空氣四種“元素”，天體則由第五種“元素”——“以太”構(gòu)成。③古希臘哲學(xué)家德謨克利特等人建立了早期的原子論，認(rèn)為宇宙間存在著一種或多種微小的實(shí)體，即“原子”。(2)大約在17世紀(jì)中葉，人們開(kāi)始通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)了解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)①1661年，玻意耳以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)建立了科學(xué)的元素論。②19世紀(jì)初，道爾頓提出了原子論，認(rèn)為原子是元素的最小單元。③1811年，意大利化學(xué)家阿伏伽德羅提出了分子假說(shuō)，指出分子可以由多個(gè)相同的原子組成。2．電子的發(fā)現(xiàn)和湯姆孫原子模型(1)電子的發(fā)現(xiàn)①陰極射線：科學(xué)家在研究稀薄氣體放電時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)玻璃管內(nèi)的氣體足夠稀薄時(shí)，陰極發(fā)出一種射線，這種射線能使玻璃管壁發(fā)出熒光，這種射線稱為陰極射線。②湯姆孫對(duì)陰極射線本質(zhì)的探究a．通過(guò)使陰極射線粒子受到的靜電力和洛倫茲力平衡等方法，確定了陰極射線粒子的本質(zhì)是帶負(fù)電的粒子流，并確定了其速度，測(cè)量出了這些粒子的比荷：eq\f(q,m)＝eq\f(E,RB2)。b．用不同的金屬分別制成陰極，實(shí)驗(yàn)測(cè)出的比荷大體相同，說(shuō)明這種帶電粒子是組成各種物質(zhì)的共同成分。c．陰極射線粒子是電荷量大小與氫離子相同、而質(zhì)量比氫離子小得多的粒子，他把這種帶電粒子稱為電子。(2)湯姆孫的原子模型湯姆孫認(rèn)為，原子帶正電的部分充斥整個(gè)原子，很小很輕的電子鑲嵌在球體的某些固定位置，正像葡萄干嵌在面包中那樣，這就是原子的“葡萄干面包”模型。說(shuō)明：陰極射線實(shí)質(zhì)是帶負(fù)電的電子流。1：思考辨析(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)陰極射線撞擊玻璃管壁會(huì)發(fā)出熒光。 (√)(2)電子的電荷量是湯姆孫首先精確測(cè)定的。 (×)(3)物體所帶電荷量的最小值為1.6×10－19C。 (√)知識(shí)點(diǎn)二原子的核式結(jié)構(gòu)模型1．α粒子散射實(shí)驗(yàn)(1)實(shí)驗(yàn)裝置(2)實(shí)驗(yàn)方法在一個(gè)小鉛盒里放有少量的放射性元素釙(Po)，它發(fā)出的α粒子從鉛盒的小孔射出，形成很細(xì)的一束射線，射到金箔上。α粒子穿過(guò)金箔后，打到環(huán)形熒光屏上，產(chǎn)生一個(gè)個(gè)閃爍的光點(diǎn)，這些光點(diǎn)可用顯微鏡觀察到。(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果絕大多數(shù)α粒子穿過(guò)金箔后，仍沿原來(lái)的方向前進(jìn)，但有少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)，有極少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)角超過(guò)了90°，有的甚至被原路彈回，α粒子被反射回來(lái)的概率有eq\f(1,8000)。2．盧瑟福原子模型(1)核式結(jié)構(gòu)模型①原子內(nèi)部有一個(gè)很小的核，稱為原子核，原子的全部正電荷及幾乎全部的質(zhì)量都集中在原子核內(nèi)，電子在原子核外面運(yùn)動(dòng)。②原子核式結(jié)構(gòu)模型又被稱為行星模型。(2)原子的大小①原子直徑數(shù)量級(jí)：10－10_m。②原子核直徑數(shù)量級(jí)：10－15_m。說(shuō)明：原子半徑與原子核半徑相差十萬(wàn)多倍，因此原子內(nèi)部是十分“空曠”的。2：思考辨析(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)α粒子散射實(shí)驗(yàn)中，大多數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)或反彈。 (×)(2)原子中所有正電荷都集中在原子核內(nèi)。 (√)3：填空盧瑟福通過(guò)對(duì)α粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，提出了原子內(nèi)部存在原子核。考點(diǎn)1電子的發(fā)現(xiàn)電子所帶電荷量最早是由美國(guó)科學(xué)家密立根通過(guò)油滴實(shí)驗(yàn)測(cè)出的。油滴實(shí)驗(yàn)的原理如圖所示，兩塊水平放置的平行金屬板與電源連接，上、下板分別帶正、負(fù)電荷。油滴從噴霧器噴出后，由于摩擦而帶電，油滴進(jìn)入上板中央小孔后落到勻強(qiáng)電場(chǎng)中，通過(guò)顯微鏡可以觀察到油滴的運(yùn)動(dòng)情況。兩金屬板間的距離為d，忽略空氣對(duì)油滴的浮力和阻力。試探究：(1)如何判定油滴的電性？(2)調(diào)節(jié)兩金屬板間的電勢(shì)差U，當(dāng)U＝U0時(shí)，使得某個(gè)質(zhì)量為m1的油滴恰好做勻速運(yùn)動(dòng)，則該油滴所帶電荷量q為多少？提示：(1)因要求油滴勻速運(yùn)動(dòng)，電場(chǎng)力與重力平衡，而電場(chǎng)上端為正極，故油滴帶負(fù)電。(2)由平衡條件知m1g＝eq\f(U0,d)q，得q＝eq\f(m1gd,U0)。1．對(duì)陰極射線本質(zhì)的認(rèn)識(shí)——兩種觀點(diǎn)(1)電磁波說(shuō)，代表人物——赫茲，他認(rèn)為這種射線是一種電磁輻射。(2)粒子說(shuō)，代表人物——湯姆孫，他認(rèn)為這種射線是一種帶電粒子流。2．陰極射線帶電性質(zhì)的判斷方法(1)方法一：在陰極射線所經(jīng)區(qū)域加上電場(chǎng)，通過(guò)打在熒光屏上的亮點(diǎn)的變化和電場(chǎng)的情況確定帶電的性質(zhì)。(2)方法二：在陰極射線所經(jīng)區(qū)域加一磁場(chǎng)，根據(jù)亮點(diǎn)位置的變化和左手定則確定帶電的性質(zhì)。3．實(shí)驗(yàn)結(jié)果根據(jù)陰極射線在電場(chǎng)中和磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)情況，判斷出陰極射線是粒子流，并且?guī)ж?fù)電。4．帶電油滴的電荷量都等于某個(gè)最小電荷量的整數(shù)倍，從而證實(shí)了電荷是量子化的，并求得了其最小值即電子所帶的電荷量e。【典例1】如圖所示為湯姆孫用來(lái)測(cè)定電子比荷的裝置。當(dāng)極板P和P′間不加偏轉(zhuǎn)電壓時(shí)，電子束打在熒光屏的中心O點(diǎn)處，形成一個(gè)亮點(diǎn)；加上偏轉(zhuǎn)電壓U后，亮點(diǎn)偏離到O′點(diǎn)，O′點(diǎn)到O點(diǎn)的豎直距離為d，水平距離可忽略不計(jì)；此時(shí)在P與P′之間的區(qū)域里再加上一個(gè)方向垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，調(diào)節(jié)磁感應(yīng)強(qiáng)度，當(dāng)其大小為B時(shí)，亮點(diǎn)重新回到O點(diǎn)。已知極板水平方向長(zhǎng)度為l1，極板間距為b，極板右端到熒光屏的距離為l2。(1)求打在熒光屏O點(diǎn)的電子速度的大小；(2)推導(dǎo)出電子比荷的表達(dá)式。思路點(diǎn)撥：(1)在復(fù)合場(chǎng)中洛倫茲力與電場(chǎng)力是一對(duì)平衡力。(2)由類平拋規(guī)律及運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可得表達(dá)式。[解析](1)電子在正交的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速直線運(yùn)動(dòng)，有Bev＝Ee＝eq\f(U,b)e，得v＝eq\f(U,Bb)即打到熒光屏O點(diǎn)的電子速度的大小為eq\f(U,Bb)。(2)由d＝eq\f(Ue,2bm)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(l1,v)))eq\s\up10(2)＋eq\f(Ue,bm)·eq\f(l1,v)·eq\f(l2,v)可得eq\f(e,m)＝eq\f(2dbv2,Ul1（l1＋2l2）)＝eq\f(2dU,B2bl1（l1＋2l2）)。[答案](1)eq\f(U,Bb)(2)eq\f(2dU,B2bl1（l1＋2l2）)巧妙運(yùn)用電磁場(chǎng)測(cè)定電子比荷(1)當(dāng)電子在復(fù)合場(chǎng)中做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，qE＝qvB，可以測(cè)出電子速度的大小。(2)電子在熒光屏上的落點(diǎn)到屏中心的距離等于電子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)位移與電子出電場(chǎng)到屏之間的勻速直線運(yùn)動(dòng)偏轉(zhuǎn)位移的和。eq\a\vs4\al([跟進(jìn)訓(xùn)練])1．(多選)英國(guó)物理學(xué)家湯姆孫通過(guò)對(duì)陰極射線的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)()A．陰極射線在電場(chǎng)中偏向正極板一側(cè)B．陰極射線在磁場(chǎng)中受力情況跟正電荷受力情況相同C．不同材料所產(chǎn)生的陰極射線的比荷不同D．湯姆孫并未得出陰極射線粒子的電荷量AD[陰極射線實(shí)質(zhì)上就是高速電子流，所以在電場(chǎng)中偏向正極板一側(cè)，選項(xiàng)A正確；由于電子帶負(fù)電，所以其受力情況與正電荷不同，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；不同材料所產(chǎn)生的陰極射線都是電子流，所以它們的比荷是相同的，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；在湯姆孫實(shí)驗(yàn)證實(shí)陰極射線就是帶負(fù)電的電子流時(shí)并未得出電子的電荷量，最早測(cè)量電子電荷量的是美國(guó)科學(xué)家密立根，選項(xiàng)D正確。]考點(diǎn)2對(duì)α散射實(shí)驗(yàn)的理解盧瑟福所做的α粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖如圖所示，試探究：(1)該實(shí)驗(yàn)中為什么用金箔作靶子？(2)當(dāng)把熒光屏和顯微鏡一起分別放在圖中的A、B、C、D四個(gè)位置時(shí)，哪個(gè)位置相同時(shí)間內(nèi)觀察到屏上的閃光次數(shù)最多？提示：(1)金的延展性好，可以做得很薄而且金的原子序數(shù)大，產(chǎn)生的庫(kù)侖斥力大，偏轉(zhuǎn)明顯。(2)在A處相同時(shí)間內(nèi)觀察到屏上的閃光次數(shù)最多。1．裝置放射源、金箔、熒光屏等，如圖所示。2．現(xiàn)象及解釋(1)絕大多數(shù)的α粒子穿過(guò)金箔后仍沿原來(lái)的方向前進(jìn)。大多數(shù)α粒子離金原子核較遠(yuǎn)。(2)少數(shù)α粒子發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)。發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)的α粒子是由于離金原子核較近，庫(kù)侖斥力較大。(3)極少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)角度超過(guò)90°，有的幾乎達(dá)到180°。正對(duì)或基本正對(duì)著金原子核入射的α粒子在庫(kù)侖斥力作用下先減速至較小速度然后反向加速遠(yuǎn)離金原子核。3．實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)(1)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程在真空中進(jìn)行。(2)金箔需要做得很薄，α粒子才能穿過(guò)。(3)使用金箔的原因是金的延展性好，可以做得很薄。另外一點(diǎn)就是金的原子序數(shù)大，α粒子與金核間的庫(kù)侖斥力大，偏轉(zhuǎn)明顯?！镜淅?】在盧瑟福α粒子散射實(shí)驗(yàn)中，金箔中的原子核可以看作靜止不動(dòng)，下列各圖畫(huà)出的是其中兩個(gè)α粒子經(jīng)歷金箔散射過(guò)程的徑跡，其中符合實(shí)驗(yàn)事實(shí)的是()ABCDA[α粒子與原子核相互排斥，運(yùn)動(dòng)軌跡與原子核越近，庫(kù)侖斥力越大，運(yùn)動(dòng)方向變化越明顯，故A正確。](1)分析α粒子散射實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)注意是“絕大多數(shù)”“少數(shù)”還是“極少數(shù)”粒子的行為。“大角度偏轉(zhuǎn)”只是少數(shù)粒子的行為。(2)α粒子散射實(shí)驗(yàn)是得出原子核式結(jié)構(gòu)模型的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析是建立盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)α粒子散射實(shí)驗(yàn)這一宏觀探測(cè)，間接地構(gòu)建出原子結(jié)構(gòu)的微觀圖景?！疽活}多變】根據(jù)上題，可以證明什么？[解析]證明原子內(nèi)存在一個(gè)集中了全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量的核，叫原子核。eq\a\vs4\al([跟進(jìn)訓(xùn)練])2．(多選)如圖所示為盧瑟福和他的同事們做α粒子散射實(shí)驗(yàn)的裝置示意圖，熒光屏和顯微鏡一起分別放在圖中A、B、C、D四個(gè)位置時(shí)觀察到的現(xiàn)象，下述說(shuō)法中正確的是()A．放在A位置時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)觀察到屏上的閃光次數(shù)最多B．放在B位置時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)觀察到屏上的閃光次數(shù)只比A位置稍少些C．放在B位置時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)觀察到屏上的閃光次數(shù)要比A位置少很多D．放在C、D位置時(shí)，屏上觀察不到閃光AC[在盧瑟福α粒子散射實(shí)驗(yàn)中，α粒子穿過(guò)金箔后，絕大多數(shù)α粒子仍沿原來(lái)的方向前進(jìn)，故A正確；少數(shù)α粒子發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)角度超過(guò)90°，極個(gè)別α粒子被反彈回來(lái)，故B、D錯(cuò)誤，C正確。]考點(diǎn)3原子的核式結(jié)構(gòu)模型與原子核的組成1909～1911年英籍物理學(xué)家盧瑟福指導(dǎo)其學(xué)生做了用α粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn)。他發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)α粒子穿過(guò)金箔后仍沿原來(lái)的方向前進(jìn)，少數(shù)α粒子卻發(fā)生了較大角度的偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)角度超過(guò)了90°，有的甚至被彈回。這就是α粒子散射實(shí)驗(yàn)。為了解釋這個(gè)結(jié)果，盧瑟福在1911年提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型：在原子的中心有一個(gè)很小的核，叫作原子核，原子的幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外空間里繞著核高速旋轉(zhuǎn)。(下列公式或數(shù)據(jù)為已知：點(diǎn)電荷的電勢(shì)U＝eq\f(kQ,r)，k＝9.0×109N·m2/C2，金原子序數(shù)為79，α粒子質(zhì)量mα＝6.65×10－27kg，α粒子速度v＝1.6×107m/s，電子電荷量e＝1.6×10－19C)。請(qǐng)?zhí)骄浚?1)如何測(cè)定金原子核的半徑大??？(2)請(qǐng)估算金原子核的大小(保留一位有效數(shù)字)?提示：(1)當(dāng)α粒子速度減為0時(shí)，α粒子與金原子核間的距離最小，這個(gè)距離近似認(rèn)為等于金原子核的半徑。(2)此過(guò)程中動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電勢(shì)能，由eq\f(1,2)mαv2＝eq\f(2keQ,r)得r＝eq\f(4keQ,mαv2)，則求得r＝4×10－14m。1．原子的核式結(jié)構(gòu)與原子的棗糕模型的根本區(qū)別核式結(jié)構(gòu)棗糕模型原子內(nèi)部是非?？諘绲?，正電荷集中在一個(gè)很小的核里原子是充滿了正電荷的球體電子繞核高速旋轉(zhuǎn)電子均勻嵌在原子球體內(nèi)2.原子內(nèi)的電荷關(guān)系：原子核的電荷數(shù)即核內(nèi)質(zhì)子數(shù)，與核外的電子數(shù)相等。3．原子核的組成：原子核由質(zhì)子和中子組成，原子核的電荷數(shù)等于原子核的質(zhì)子數(shù)。4．原子半徑的數(shù)量級(jí)是10－10m，原子核半徑的數(shù)量級(jí)是10－15m，兩者相差10萬(wàn)倍之多?！镜淅?】(多選)關(guān)于原子的核式結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)，下列說(shuō)法正確的是()A．原子中絕大部分是“空”的，原子核很小B．電子在核外繞核旋轉(zhuǎn)的向心力是原子核對(duì)它的庫(kù)侖力C．原子的全部正電荷和質(zhì)量都集中在原子核里D．原子核的直徑約是10－10m思路點(diǎn)撥：(1)原子中心有很小的原子核集中了全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量。(2)電子在核外繞核運(yùn)動(dòng)。AB[由于原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核內(nèi)，而原子核又很小，所以原子內(nèi)絕大部分區(qū)域是“空”的，選項(xiàng)A正確，C錯(cuò)誤；電子繞原子核的圓周運(yùn)動(dòng)是原子核與電子間的庫(kù)侖力提供向心力，選項(xiàng)B正確；原子核半徑的數(shù)量級(jí)是10－15m，原子半徑的數(shù)量級(jí)是10－10m，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。]eq\a\vs4\al([跟進(jìn)訓(xùn)練])3．人們?cè)谘芯吭咏Y(jié)構(gòu)時(shí)提出過(guò)許多模型，其中比較有名的是“棗糕模型”和核式結(jié)構(gòu)模型，它們的模型示意圖如圖所示。下列說(shuō)法中正確的是()“棗糕模型”核式結(jié)構(gòu)模型A．α粒子散射實(shí)驗(yàn)與“棗糕模型”和核式結(jié)構(gòu)模型的建立無(wú)關(guān)B．科學(xué)家通過(guò)α粒子散射實(shí)驗(yàn)否定了“棗糕模型”，建立了核式結(jié)構(gòu)模型C．科學(xué)家通過(guò)α粒子散射實(shí)驗(yàn)否定了核式結(jié)構(gòu)模型，建立了“棗糕模型”D．科學(xué)家通過(guò)α粒子散射實(shí)驗(yàn)否定了“棗糕模型”和核式結(jié)構(gòu)模型，建立了玻爾的原子模型B[α粒子散射實(shí)驗(yàn)與核式結(jié)構(gòu)模型的建立有關(guān)，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，否定了“棗糕模型”，建立了核式結(jié)構(gòu)模型，選項(xiàng)B正確。]1．(多選)已知X射線的“光子”不帶電，假設(shè)陰極射線像X射線一樣，則下列說(shuō)法正確的是()A．陰極射線管內(nèi)的高電壓不能夠?qū)ζ浼铀俣黾幽芰緽．陰極射線通過(guò)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)C．陰極射線通過(guò)磁場(chǎng)方向一定不會(huì)發(fā)生改變D．陰極射線通過(guò)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)能夠改變方向ABC[因?yàn)閄射線的“光子”不帶電，故電場(chǎng)、磁場(chǎng)對(duì)X射線不產(chǎn)生作用力，故選項(xiàng)A、B、C正確。]2．(多選)關(guān)于電子的發(fā)現(xiàn)，下列敘述中正確的是()A．電子的發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明原子是由電子和原子核組成的B．電子的發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明原子具有一定的結(jié)構(gòu)C．電子是第一種被人類發(fā)現(xiàn)的微觀粒子D．電子的發(fā)現(xiàn)，比較好地解釋了物體的帶電現(xiàn)象BCD[發(fā)現(xiàn)電子之前，人們認(rèn)為原子是不可再分的最小粒子，電子的發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明原子有一定的