物理人教版选修35教学案第18章 第1节 电子的发现 同步练习Word版含答案.docx
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物理人教版选修35教学案第18章第1节电子的发现同步练习Word版含答案
第1节
电子的发现
1.英国物理学家汤姆孙发现了电子。
2.组成阴极射线的粒子——电子。
3.密立根通过“油滴实验”精确测定了电子电荷量。
4.密立根实验发现:
电荷是量子化的,即任何带电体的电荷只能是e的整数倍。
一、阴极射线
1.实验装置:
如图1811所示真空玻璃管中K是金属板制成的阴极,A是金属环制成的阳极;把它们分别连在感应圈的负极和正极上。
图1811
2.实验现象:
玻璃壁上出现淡淡的荧光及管中物体在玻璃壁上的影。
3.阴极射线:
荧光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.汤姆孙的探究
(1)让阴极射线分别通过电场和磁场,根据偏转情况,证明它是B(A.带正电B.带负电)的粒子流并求出了它的比荷。
(2)换用不同材料的阴极做实验,所得比荷的数值都相同。
证明这种粒子是构成各种物质的共有成分。
(3)进一步研究新现象,不论是由于正离子的轰击,紫外光的照射,金属受热还是放射性物质的自发辐射,都能发射同样的带电粒子——电子。
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。
2.密立根“油滴实验”
(1)精确测定电子电荷。
(2)电荷是量子化的。
3.电子的有关常量
1.自主思考——判一判
(1)玻璃壁上出现的淡淡荧光就是阴极射线。
(×)
(2)玻璃壁上出现的影是玻璃受到阴极射线的撞击而产生的。
(×)
(3)阴极射线在真空中沿直线传播。
(√)
(4)英国物理学家汤姆孙认为阴极射线是一种电磁辐射。
(×)
(5)组成阴极射线的粒子是电子。
(√)
(6)电子是原子的组成部分,电子电荷量可以取任意数值。
(×)
2.合作探究——议一议
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。
对阴极射线的认识
1.对阴极射线本质的认识——两种观点
(1)电磁波说,代表人物——赫兹,他认为这种射线是一种电磁辐射。
(2)粒子说,代表人物——汤姆孙,他认为这种射线是一种带电粒子流。
2.阴极射线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。
3.实验结果
根据阴极射线在电场中和磁场中的偏转情况,判断出阴极射线是粒子流,并且带负电。
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
解析:
选C 阴极射线是在真空管中由负极发出的电子流,故A、B错;阴极射线最早由德国物理学家戈德斯坦在1876年提出并命名,故C对;阴极射线本质是电子流,故D错。
2.如图1812所示,一玻璃管中有从左向右的可能是电磁波或某种粒子流形成的射线,若在其下方放一通电直导线AB,射线发生如图所示的偏转,AB中的电流方向由B到A,则该射线的本质为( )
图1812
A.电磁波
B.带正电的高速粒子流
C.带负电的高速粒子流
D.不带电的高速中性粒子流
解析:
选C 射线在电流形成的磁场中发生偏转,即可确定该射线是由带电粒子构成的粒子流。
根据安培定则可知,AB上方的磁场是垂直纸面向里的。
粒子向下偏转,洛伦兹力方向向下,由左手定则可知射线所形成的电流方向向左,与粒子的运动方向相反,故粒子带负电。
3.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1813所示若要使射线向上偏转,所加磁场的方向应为( )
图1813
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
解析:
选C 由于阴极射线的本质是电子流,阴极射线方向向右,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,可知磁场方向应为垂直于纸面向外,故C正确。
电子比荷的测定方法
1.让带电粒子通过相互垂直的电场和磁场(如图1814),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1814
2.撤去电场(如图1815),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1815
3.由以上两式确定粒子的比荷表达式:
=
。
[典例] 带电粒子的比荷
是一个重要的物理量。
某中学物理兴趣小组设计了一个实验,探究电场和磁场对电子运动轨迹的影响,以求得电子的比荷,实验装置如图1816所示。
其中两正对极板M1、M2之间的距离为d,极板长度为L。
图1816
他们的主要实验步骤如下:
A.首先在两极板M1、M2之间不加任何电场、磁场,开启阴极射线管电源,发射的电子束从两极板中央通过,在荧光屏的正中心处观察到一个亮点;
B.在M1、M2两极板间加合适的电场:
加极性如图所示的电压,并逐步调节增大,使荧光屏上的亮点逐渐向荧光屏下方偏移,直到荧光屏上恰好看不见亮点为止,记下此时外加电压为U。
请问本步骤的目的是什么?
C.保持步骤B中的电压U不变,对M1、M2区域加一个大小、方向合适的磁场B,使荧光屏正中心处重现亮点。
试问外加磁场的方向如何?
[思路点拨]
(1)当电子在电场中的竖直偏转位移达到
时,恰好在荧光屏上看不到亮点。
(2)要使电子恰好打在荧光屏正中心处,所加的磁场必须满足使电子所受的电场力与其所受的洛伦兹力等大反向。
(3)判断磁场的方向时要注意电子的电性。
[解析] 步骤B中电子在M1、M2两极板间做类平抛运动,当增大两极板间电压时,电子在两极板间的偏转位移增大。
当在荧光屏上看不到亮点时,电子刚好打在下极板M2靠近荧光屏端的边缘,则
=
2,
=
。
由此可以看出这一步的目的是使粒子在电场中的偏转位移成为已知量,就可以表示出比荷。
步骤C加上磁场后电子不偏转,电场力等于洛伦兹力,且洛伦兹力方向向上,由左手定则可知磁场方向垂直于纸面向外。
[答案] 见解析
运用电磁场测定电子比荷的解题技巧
(1)当电子在复合场中做匀速直线运动时,qE=qvB,可以测出电子速度大小。
(2)当电子在磁场中偏转时,qvB=m
,测出圆周运动半径,即可确定比荷。
(3)当电子在匀强电场中偏转时,y=
at2=
,测出电场中的偏转量也可以确定比荷。
1.(多选)如图1817所示,从正离子源发射的正离子经加速电压U加速后进入相互垂直的匀强电场E和匀强磁场B中,发现离子向上偏转,要使此离子沿直线穿过电场,则应( )
图1817
A.增大电场强度E,减小磁感应强度B
B.减小加速电压U,增大电场强度E
C.适当地加大加速电压U
D.适当地减小电场强度E
解析:
选CD 正离子进入相互垂直的匀强电场和匀强磁场的区域中,受到的电场力F=qE,方向向上,受到的洛伦兹力f=qvB,方向向下,离子向上偏,说明电场力大于洛伦兹力,要使离子沿直线运动,即qE=qvB,则只有使洛伦兹力增大或电场力减小,增大洛伦兹力的途径是增大加速电压U或增大磁感应强度B,减小电场力的途径是减小场强E。
选项C、D正确。
2.如图1818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′点到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。
图1818
(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。
解析:
(1)电子在正交的匀强电场和匀强磁场中做匀速直线运动,有Bev=Ee=
e,得v=
即打到荧光屏O点的电子速度的大小为
。
(2)由题意得d=
·
·
2+
·
,
代入v=
,
解得
=
。
答案:
(1)
(2)
1.历史上第一个发现电子的科学家是( )
A.贝可勒尔 B.道尔顿
C.伦琴D.汤姆孙
解析:
选D 贝可勒尔发现了天然放射现象,道尔顿提出了原子论,伦琴发现了X射线,汤姆孙发现了电子。
2.(多选)关于密立根“油滴实验”的科学意义,下列说法正确的是( )
A.测得了电子的电荷量
B.首先测得了电子的比荷
C.为电子质量的最终获得作出了突出贡献
D.为人类进一步研究原子的结构提供了一定的理论依据
解析:
选ACD 密立根通过油滴实验测定了电子电量并发现电荷是量子化的。
测定了e值,结合比荷,进一步可以确定电子质量,电子的比荷是由汤姆孙首先测出的。
3.(多选)英国物理学家汤姆孙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比荷不同
D.汤姆孙并未得出阴极射线粒子的电荷量
解析:
选AD 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,所以它们的比荷是相同的,C错误。
在汤姆孙实验证实阴极射线就是带负电的电子流时并未得出电子的电荷量,最早测量电子电荷量的是美国科学家密立根,D正确。
4.(多选)如图1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( )
图1
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
解析:
选AC 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,可知选项C正确,选项B的说法错误。
加上磁场时,电子在磁场中受洛伦兹力作用,要发生偏转,因而选项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,选项A的说法正确。
5.(多选)电子枪发射出的电子打在荧光屏上时,会在那里产生一个亮斑,如果在荧光屏上得到如图2所示的亮斑P,那么示波管中的( )
图2
A.极板X应带正电 B.极板X′应带正电
C.极板Y应带正电D.极板Y′应带正电
解析:
选BC 因为带电粒子向Y及X′方向偏转。
故极板Y、极板X′应带正电。
正确选项为B、C。
6.(多选)如图3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3
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点向A点移动,则偏转磁场磁感应强度应该先由小到大,再由大到小
解析:
选AC 偏转线圈中没有电流,阴极射线沿直线运动,打在O点,A正确。
由阴极射线的电性及左手定则可知B错误,C正确。
由R=
可知,B越小,R越大,故磁感应强度应先由大变小,再由小变大,故D错误。
7.如图4所示,电子由静止从O点经电场U加速后垂直射入匀强磁场B,经偏转后打在MN板的P点,射入点到P点的距离为d,求电子的比荷
的表达式。
(不考虑电子的重力)
图4
解析:
设电子的电荷量为q、质量为m,在加速电场U中加速的过程,根据动能定理,有qU=
mv2
解得v=
垂直进入磁场后,电子受到的洛伦兹力提供向心力,电子做匀速圆周运动,故有qvB=
由题意又知:
R=
由以上各式整理可得电子的比荷为
=
。
答案:
8.如图5所示为美国物理学家密立根测量油滴所带电荷量装置的截面图,两块水平放置的金属板间距为d,油滴从喷雾器的喷嘴喷出时,由于与喷嘴摩擦而带负电,油滴散布在油滴室中,在重力作用下,少数油滴通过上面金属板的小孔进入平行金属板间,当平行金属板间不加电压时,由于受到气体阻力的作用,油滴最终以速度v1竖直向下匀速运动;当上板带正电,下板带负电,两板间的电压为U时,带电油滴恰好能以速度v2竖直向上匀速运动。
已知油滴在极板间运动时所受气体阻力的大小与其速率成正比,油滴密度为ρ,已测量出油滴的直径为D(油滴可看作球体,球体体积公式V=
πD3),重力加速度为g。
图5
(1)设油滴受到气体的阻力f=kv1,其中k为阻力系数,求k的大小;
(2)求油滴所带电荷量。
解析:
(1)油滴速度为v1时所受阻力f1=kv1,油滴向下匀速运动时,重力与阻力平衡,有f1=mg
m=ρV=
πρD3,则k=
πρD3g。
(2)设油滴所带电荷量为q,油滴受到的电场力为
F电=qE=q
油滴向上匀速运动时,阻力向下,油滴受力平衡,则kv2+mg=q
油滴所带电荷量为q=
。
答案:
(1)
πρD3g
(2)
第1节
实验:
探究碰撞中的不变量
一、实验目的
1.明确探究物体碰撞中的不变量的基本思路。
2.探究一维碰撞中的不变量。
二、实验原理
在一维碰撞中,测出物体的质量m和碰撞前后物体的速度v、v′,找出碰撞前的动量p=m1v1+m2v2及碰撞后的动量p′=m1v1′+m2v2′,看碰撞前后动量是否守恒。
[实验方案一] 利用气垫导轨完成一维碰撞实验
[实验器材]
气垫导轨、光电计时器、天平、滑块(两个)、重物、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等。
图1611
[实验步骤]
1.测质量:
用天平测出滑块质量。
2.安装:
正确安装好气垫导轨。
3.实验:
接通电源,利用配套的光电计时装置测出两滑块各种情况下碰撞前后的速度(①改变滑块的质量。
②改变滑块的初速度大小和方向)。
4.验证:
一维碰撞中的动量守恒。
[数据处理]
1.滑块速度的测量:
v=
,式中Δx为滑块挡光片的宽度(仪器说明书上给出,也可直接测量),Δt为数字计时器显示的滑块(挡光片)经过光电门的时间。
2.验证的表达式:
m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′
[实验方案二] 利用等长悬线悬挂等大小球完成一维碰撞实验
[实验器材] 带细线的摆球(两套)、铁架台、天平、量角器、坐标纸、胶布等。
[实验步骤]
1.测质量:
用天平测出两小球的质量m1、m2。
2.安装:
把两个等大小球用等长悬线悬挂起来。
3.实验:
一个小球静止,拉起另一个小球,放下时它们相碰。
图1612
4.测速度:
可以测量小球被拉起的角度,从而算出碰撞前对应小球的速度,测量碰撞后小球摆起的角度,算出碰撞后对应小球的速度。
5.改变条件:
改变碰撞条件,重复实验。
6.验证:
一维碰撞中的动量守恒。
[数据处理]
1.摆球速度的测量:
v=
,式中h为小球释放时(或碰撞后摆起的)高度,h可用刻度尺测量(也可由量角器和摆长计算出)。
2.验证的表达式:
m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′
[实验方案三] 在光滑桌面上两车碰撞完成一维碰撞实验
[实验器材] 光滑长木板、打点计时器、纸带、小车(两个)、天平、撞针、橡皮泥。
图1613
[实验步骤]
1.测质量:
用天平测出两小车的质量。
2.安装:
将打点计时器固定在光滑长木板的一端,把纸带穿过打点计时器,连在小车的后面,在两小车的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥。
3.实验:
接通电源,让小车A运动,小车B静止,两车碰撞时撞针插入橡皮泥中,把两小车连接成一体运动。
4.测速度:
通过纸带上两计数点间的距离及时间由v=
算出速度。
5.改变条件:
改变碰撞条件,重复实验。
6.验证:
一维碰撞中的动量守恒。
[数据处理]
1.小车速度的测量:
v=
,式中Δx是纸带上两计数点间的距离,可用刻度尺测量,Δt为小车经过Δx的时间,可由打点间隔算出。
2.验证的表达式:
m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′
[实验方案四] 利用斜槽上滚下的小球验证动量守恒定律
[实验器材] 斜槽、小球(两个)、天平、复写纸、白纸等。
图1614
[实验步骤]
1.测质量:
用天平测出两小球的质量,并选定质量大的小球为入射小球。
2.安装:
按照图1614所示安装实验装置。
调整固定斜槽使斜槽底端水平。
3.铺纸:
白纸在下,复写纸在上且在适当位置铺放好。
记下重垂线所指的位置O。
4.放球找点:
不放被撞小球,每次让入射小球从斜槽上某固定高度处自由滚下,重复10次。
用圆规画尽量小的圆把所有的小球落点圈在里面。
圆心P就是小球落点的平均位置。
5.碰撞找点:
把被撞小球放在斜槽末端,每次让入射小球从斜槽同一高度自由滚下,使它们发生碰撞,重复实验10次。
用步骤4的方法,标出碰后入射小球落点的平均位置M和被撞小球落点的平均位置N。
如图1615所示。
图1615
6.验证:
连接ON,测量线段OP、OM、ON的长度。
将测量数据填入表中。
最后代入m1·OP=m1·OM+m2·ON,看在误差允许的范围内是否成立。
7.结束:
整理好实验器材放回原处。
[数据处理] 验证的表达式:
m1·OP=m1·OM+m2·ON
三、注意事项
1.前提条件:
碰撞的两物体应保证“水平”和“正碰”。
2.方案提醒
(1)若利用气垫导轨进行验证,调整气垫导轨时,应注意利用水平仪确保导轨水平。
(2)若利用摆球进行验证,两摆球静止时球心应在同一水平线上,且刚好接触,摆线竖直,将摆球拉起后,两摆线应在同一竖直面内。
(3)若利用两小车相碰进行验证,要注意平衡摩擦力。
(4)若利用平抛运动规律进行验证,安装实验装置时,应注意调整斜槽,使斜槽末端水平,且选质量较大的小球为入射小球。
四、误差分析
1.系统误差:
主要来源于装置本身是否符合要求。
(1)碰撞是否为一维。
(2)实验是否满足动量守恒的条件,如气垫导轨是否水平,两球是否等大,用长木板实验时是否平衡掉摩擦力。
2.偶然误差:
主要来源于质量m和速度v的测量。
[例1] 利用如图1616所示的实验装置,可探究碰撞中的不变量,由于小球的下落高度是定值,所以,小球落在地面上的水平位移就代表了平抛运动时水平初速度的大小,这样碰前速度和碰后速度就可以用平抛运动的水平位移来表示。
图1616
(1)(多选)为了尽量准确找到碰撞中的不变量,以下要求正确的是________。
A.入射小球的半径应该大于被碰小球的半径
B.入射小球的半径应该等于被碰小球的半径
C.入射小球每次应该从斜槽的同一位置由静止滑下
D.斜槽末端必须是水平的
(2)(多选)关于小球的落点,下列说法正确的是________。
A.如果小球每次从斜槽的同一位置由静止滑下,重复几次的落点一定是完全重合的
B.由于偶然因素存在,重复操作时小球的落点不会完全重合,但是落点应当比较密集
C.测定落点P的位置时,如果几次落点的位置分别为P1、P2、…Pn,则落点的平均位置OP=
D.尽可能用最小的圆把各个落点圈住,这个圆的圆心位置就是小球落点的平均位置
[解析]
(1)只有两个小球的半径相等,才能保证碰后小球做平抛运动,所以A错误,B正确;入射小球每次应该从斜槽的同一位置由静止滑下,才能使得小球平抛运动的落点在同一位置,所以C正确;斜槽末端必须水平也是保证小球碰后做平抛运动的必要条件,所以D正确。
(2)为了提高实验的准确性,需要重复多次,找到小球平抛落地的平均位置,只有这样,才能有效减小偶然误差,因此B、D选项正确。
[答案]
(1)BCD
(2)BD
[例2] 如图1617所示为气垫导轨上两个滑块A、B相互作用后运动过程的频闪照片,频闪的频率为10Hz。
开始时两个滑块静止,它们之间有一根被压缩的轻弹簧,滑块用绳子连接,绳子烧断后,两个滑块向相反方向运动。
已知滑块A、B的质量分别为200g、300g,根据照片记录的信息,A、B离开弹簧后,A滑块做________运动,其速度大小为________m/s,本实验中得出的结论是_______________________________________________________
________________________________________________________________________。
图1617
[思路点拨]
[解析] 由题图可知,A、B离开弹簧后,均做匀速直线运动,开始时vA=0,vB=0,A、B被弹开后,
vA′=0.09m/s,vB′=0.06m/s,
mAvA′=0.2×0.09kg·m/s=0.018kg·m/s
mBvB′=0.3×0.06kg·m/s=0.018kg·m/s
由此可得:
mAvA′=mBvB′,
即0=mBvB′-mAvA′
结论是:
两滑块组成的系统在相互作用过程中质量与速度乘积的矢量和守恒。
[答案] 匀速直线 0.09 两滑块组成的系统在相互作用过程中质量与速度乘积的矢量和守恒
[例3] 把两个大小相同、质量不等的金属球用细线连接起来,中间夹一被压缩的轻弹簧,置于摩擦可以忽略不计的水平桌面上,如图1618所示。
现烧断细线,观察两球的运动情况,进行必要的测量,探究物体间发生相互作用时的不变量。
图1618
测量过程中:
(1)还必须添加的器材有_____________________________________________。
(2)需直接测量的数据是_________________________________________________。
(3)需要验算的表达式如何表示?
____________________________________。
[解析] 本实验是在“探究物体间发生相互作用时的不变量”时,为了确定物体速度的方法进行的迁移。
两球弹开后,分别以不同的速度离开桌面做平抛运动,两球做平抛运动的时间相等,均为t=
(h为桌面离地的高度)。
根据平抛运动规律,由两球落地点距抛出点的水平距离x=vt知,两球水平速度之比等于它们的射程之比,即v1∶v2=x1∶x2,所以本实验中只需测量x1、x2即可,测量x1、x2时需准确记下两球落地点的位置,故需要刻度尺、白纸、复写纸、图钉、细线、铅锤、木板等。
若要探究m1x1=m2x2或者m1x
=m2x
或者
=
…是否成立,还需用天平测量两球的质量m1、m2。
[答案]
(1)刻度尺、白纸、复写纸、图钉、细线、铅锤、木板、天平
(2)两球的质量m1、m2,
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