2013-2014学年高二物理粤教版选修3-5同步课件：第3章 第1节 敲开原子的大门

第一节敲开原子的大门1．了解汤姆生发现电子的历史过程．2．知道阴极射线，了解它的实质．3．体会研究阴极射线的方法．很早以前，对构成物质的基本粒子——原子能否继续再“分割”，科学家们对此进行了不断地探索．直到19世纪末，英国科学家汤姆生终于在研究阴极射线的时候发现了电子，使人类对微观世界有了新的认识，从此敲开原子内部结构的大门．你知道电子是怎样发现的吗？原子可以再分吗？一、探究阴极射线1．1858年，德国科学家________在一个真空玻璃管两端加上高电压，发现了阴极会射出一种射线，这种射线称为________．2．英国科学家________通过做阴极射线在磁场、电场中的偏转实验，证实了阴极射线本质上是由带________电的微粒组成的．阴极射线普里克尔负汤姆生____________3．汤姆生测定阴极射线的比荷的基本思想是：―个质量为m、电荷量为e的带电粒子以速率v垂直进人磁场B中，如果粒子仅受洛伦兹力作用，将做匀速圆周运动，向心力由洛伦兹力提供，即，只要确定粒子运动的速率及半径，就可测出比荷．二、电子的发现1．对于不同的放电气体，或者用不同的金属材料制作电极，都测得相同的________，随后又发现在气体电离和光电效应等现象可从不同的物体中击出这种带电粒子，这表明它是构成各种物体的________．mv2r＝evB荷质比共同成分2．汤姆生发现粒子的________与氢离子的________大小基本上相同，________比任何一种分子和原子的______都小得多，至此，汤姆生完全确认了电子的存在．3．1910年由密立根通过著名的“油滴实验”测出的电子的电荷量e＝________________C．根据荷质比，可以精确地计算出电子的质量：m＝________________kg.9.1094×10－31电荷电荷质量质量1.602×10－19对阴极射线的性质的探究德国科学家普里克在一个真空玻璃管两端加上高电压，发现阴极射线.英国科学家汤姆生通过做阴极射线在磁场、电场中的偏转实验，证实了阴极射线本质上是由带负电的微粒组成的．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．答案：C课堂训练1.如图所示，阴极射线管(A为其阴极)放在蹄形磁铁的N、S两极间，射线管的A端应接在______极，此时，荧光屏上的电子束运动轨迹________(选填“向上”、“向下”或“不”)偏转．解析：阴极射线管的阴极射出电子，应当接直流高压电源的负极，带负电的电子在磁场中运动，受洛伦兹力作用，由左手定则可判断运动轨迹向下偏转．答案：负向下电子的发现过程1897年，汤姆生根据阴极射线在电场和磁场中的偏转断定，它的本质是带负电的粒子流，并求出了粒子的荷质比．实验装置如图所示，从高压电场的阴极发出的阴极射线，穿过CC1后沿直线打在荧光屏A上．当在平行极板上加一如图所示的电场，发现阴极射线打在荧光屏上的位置向下偏，则可判定，阴极射线带有负电荷．为使阴极射线不发生偏转，则可在平行极板区域加一磁场，且磁场方向必须垂直纸面向外．当满足条件qv0B＝qE时，则阴极射线不发生偏转．则：v0＝EB根据带电的阴极射线在电场中的运动情况可知，其速度偏转角为：tanθ＝qELmv20又因为：tanθ＝yD＋L2且v0＝EB则：qm＝EyD＋L2B2L通常我们都用质谱仪来测量荷质比，让中性气体分子进人电离室A，在那里被电离成离子，从小孔飘出，经一狭缝进人加速电场中被加速，然后让离子垂直进人匀强磁场中做匀速圆周运动，最后打在照相底片上．设离子所带电量为q，加速电场两极间的电势差为U，离子进人加速电场时速度近似为零，离子离开加速电场时获得的动能为：mv2＝qU.设匀强磁场的磁感应强度为B，离子在磁场中做匀速圆周运动的半径为r，则有：qvB＝，联立以上两式解得.12mv2rqm＝2UB2r2上式中其他量均可由实验测出，其创新之处是把微观量的大小用可由实验测得的宏观量表示了出来．电子的电量的精确测定是在1910年由密立根通过著名的“油滴实验”测出的．电子的电荷量e＝1.60217733×10－19C;电子的质量m＝9.1093897×10－31kg.如图所示，一束电子(电量为e)以速度v垂直射入磁感强度为B，宽度为d的匀强磁场中，穿透磁场时速度方向与原来入射方向的夹角是30°，则电子的质量是________，穿透磁场的时间是________．解析：电子在磁场中运动，只受洛伦兹力作用，故其轨迹是圆弧一部分，又因为f⊥v，故圆心在电子穿入和穿出磁场时受到洛伦兹力指向的交点上，如图的O点．由几何知识可知：AB间的圆心角θ＝30°，OB为半径．半径r＝dsin30°＝2d，又由r＝mvBe，得m＝2dBev.由于AB圆心角是30°，故穿透时间t＝T12＝πd3v.带电粒子的匀速圆周运动的求解关键是画出匀速圆周运动的轨迹，利用几何知识找出圆心及相应的半径，从而找到圆弧所对应的圆心角．答案：2dBevπd3v课堂训练2．如下图所示是科研实验中用来使带正电粒子加速和偏转的装置，如果让氢和氦进入并电离，将得到一价氢离子、一价氦离子和二价氦离子的混合物，它们经过同一电场加速后在同一电场中偏转．问它们是否会分为三股，从而到达荧光屏上后产生三个亮点？回答中要说明理由．(离子重力不计)解析：设粒子质量为m，电量为q，加速电场电压为U1，偏转电压为U2.则粒子先经加速电场加速，由动能定理得：U1q＝mv2①进入偏转电场时速度v＝②设偏转极板长为L，极板间距为d，则在电场运动时间为t＝③122qU1mLv离开电场时在电场方向的速度为：v1＝at＝④偏转角正切值tanθ＝⑤由①②③④⑤解得tanθ＝由此可知粒子运动轨迹与电量、质量无关，所以不能分为三股．qU2Lmdvv1v＝U2L2U1dU2L2U1d1．（双选）关于阴极射线的性质，判断正确的是()A．阴极射线带负电B．阴极射线从射线管的阳极射向阴极C．阴极射线的比荷比氢离子比荷大D．阴极射线的比荷比氢离子比荷小基础达标解析：汤姆生通过实验证实了阴极射线是由带负电的微粒组成的，A正确；阴极射线是从射线管的阴极向阳极，B错误；电子和氢离子均带一个单位的电荷，但氢离子的质量比电子的质量大得多，故氢离子比荷反而小，C正确，D错误．答案：AC2.（双选）如右图所示，一只阴极射线管，左侧不断有电子射出，若在管的正下方，放一通电直导线AB时，发现射线径迹向下偏，则：()A．导线中的电流由A流向BB．导线中的电流由B流向AC．若要使电子束的径迹往上偏，可以通过改变AB中的电流方向来实现D．电子束的径迹与AB中的电流方向无关解析：本题综合考查电流产生的磁场、左手定则和阴极射线的产生和性质．由题目条件可判断阴极射线所在处磁场垂直纸面向里，电子从负极射出，由左手定则及阴极射线(电子)向下偏转可知导线中的电流由B流向A.答案：BC3．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．阴极射线可以穿透薄铝片，这说明它是电磁波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解析：阴极射线是由阴极直接发出的，A错误；只有当两极间加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，B错误，D正确；阴极射线可以穿透薄铝片，可能是电磁波，也可能是更小的粒子，C错误．答案：D4.如右图所示，由不同质量、电荷量组成的正离子束垂直地射入正交的匀强磁场和匀强电场区域里，结果发现有些离子保持原来的运动方向，未发生任何偏转．如果让这些不偏转的离子再垂直进入另一匀强磁场中，发现这些离子又分成几束．对这些进入后一磁场的不同轨迹的离子，可得出结论A．它们的动量一定各不相同B．它们的电荷量一定各不相同C．它们的质量一定各不相同D．它们的电荷量与质量之比一定各不相同解析：在正交的匀强磁场和匀强电场区域里，正离子受到的洛仑兹力等于电场力，即qvB＝qE.若没有偏转则说明速度一样．而进入另一匀强磁场后，又分成几束说明半径不一样，由r＝可得D正确．答案：DmvBq5．质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具，它的构造原理如图所示，离子源S可发出各种不同的正离子束，离子从S出来时速度很小，可以看作初速度为零．离子经过加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场区域(图中线框所示)，并沿着半圆周运动而到达照相底片上的P点，测得P点到入口处的距离为x.①若离子束不是同位素，则x越大，离子质量一定越大②若离子束是同位素，则x越大，离子质量一定越大③只要x相同，则离子质量一定相同④只要x相同，则离子比荷一定相同以上说法中正确的是()A．①③B．②④C．②③D．①④解析：带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，x＝2r.又因为r＝，电场中加速时由动能定理mv2＝qU，可推出r＝，可判断②④对．答案：BmvBq122mqUBq＝2mUB2q6．（双选）长为L的水平极板间，有垂直纸面向内的匀强磁场，如下图所示，磁感强度为B，板间距离也为L，板不带电，现有质量为m，电量为q的带正电粒子(不计重力)，从左边极板间中点处垂直磁感线以速度v水平射入磁场，欲使粒子不打在极板上，可采用的办法是()能力提升A．使粒子的速度vBqL/4m;B．使粒子的速度v5BqL/4m；C．使粒子的速度vBqL/m；D．使粒子速度BqL/4mv5BqL/4m.解析：由左手定则判得粒子在磁场中间向上偏，而作匀速圆周运动．很明显，圆周运动的半径大于某值r1时粒子可以从极板右边穿出，而半径小于某值r2时粒子可从极板的左边穿出，现在问题归结为求粒子能在右边穿出时r的最小值r1以及粒子在左边穿出时r的最大值r2，由几何知识得：粒子擦着板从右边穿出时，圆心在O点，有：＝L2＋(r1－L/2)2得r1＝5L/4，又由于r1＝mv1/Bq得v1＝5BqL/4m，∴v5BqL/4m时粒子能从右边穿出．21r粒子擦着上板从左边穿出时，圆心在O＇点，有r2＝L/4，又由r2＝mv2/Bq＝L/4得v2＝BqL/4m∴v2BqL/4m时粒子能从左边穿出．综上可得A、B正确．答案：AB7．1897年，汤姆生在研究阴极射线性质时，测出了阴极射线的_______，并确定其带_________，组成粒子被称为_________．电子比荷负电8．如图所示，带电粒子P所带的电荷量是Q的3倍，它们以相等的速度v0从同一点出发，沿着跟电场强度垂直的方向射入电场，分别打在M、N点，若OM＝MN，则P与Q的质量之比为________．(不计重力)解析：由OM＝MN和t＝xv0知，tQ＝2tP.由y＝12at2得aPaQ＝t2Qa2P＝41由qE＝ma得mPmQ＝qPaQqQaP＝34答案：3:49．电子自静止开始经M、N板间(两板间的电压为U)的电场加速后从A点垂直于磁场边界射入宽度为d的匀强磁场中，电子离开磁场时的位置P偏离入射方向的距离为L，如图所示．求匀强磁场的磁感应强度．(已知电子的质量为m，电量为e)解析：电子在M、N间加速后获得的速度为v，由动能定理得：mv2＝eU①电子进入磁场后做匀速圆周运动，设其半径为r，则：Bev＝②电子在磁场中的轨迹如下图，由几何关系得：mv2r12LL2＋d22＝L2＋d2r③由以上三式得：B＝2LL2＋d22mUe.答案：B＝2LL2＋d22mUe10．如图所示，在平行板间有方向平行的匀强电场E和匀强磁场B，MN是荧光屏，中心为P，OP＝L，在荧光屏上建一个坐标系，原点是P，y轴向上，x轴垂直纸面向外，一束速度、比荷相同的粒子沿OP方向射入打在屏上Q()点，不考虑粒子重力，问：(1)粒子带何种电荷？(2)B的方向如何？(3)粒子的比荷为多大？－33L，L6解析：(1)由于粒子在电场中向上偏转，说明