2019年人教版高中物理选修3-5导学案：18.1、2电子的发现、原子核式结构(无答案)

第一节电子的发现〔情景切入〕世界是物质的。

物质是绚丽多彩的：火红的太阳，蔚蓝的大海。

还有一些物质是肉眼无法感知到的。

物质是有结构的，组成物质的原子可以再分吗？它有什么样的结构呢？道尔顿、汤姆孙、卢瑟福、玻尔等物理学家心目中的原子是什么样的呢？学了本章内容，你就能回答以上问题了。

〔知识导航〕本章内容以人们认识微观世界的过程为线索，介绍了历史上著名的实验及根据实验得出的关于电子的发现、原子结构、原子光谱和激光的产生的基础知识。

本章内容可分为二个单元：第一单元(第1～2节)主要介绍了电子及原子结构的发现、发展过程。

第二单元(第3～4节)主要讲了氢原子光谱的实验规律及玻尔理论。

本章的重点是原子的核式结构及氢原子的能级跃迁。

本章的难点是人类研究微观世界的方法、原子的能级跃迁。

〔学法指导〕1．学习本章时要注意沿着历史的足迹，了解和认识人类发现电子、原子结构探索的过程，体会科学家研究问题的方法精髓：大胆猜想，设计实验检验的科学思维方法，了解原子结构理论在现代科学技术中的应用。

2．要理解α粒子散射实验，对α粒子散射实验的实验装置、怎样观察实验现象都要十分清楚。

可采用逆向思维，结合原子的核式结构模型来加深理解实验中绝大多数α粒子不发生偏转，少数α粒子发生较大角度偏转，极少数α粒子偏转角度超过90°的原因。

3．卢瑟福的核式结构模型与玻尔原子模型是两个重要的原子模型，知识它们的相同点在于带正电的核处在圆心上，电子绕核做经典的圆周运动。

不同点是玻尔引入了量子化，认为电子的轨道半径和能量值是不连续的。

4．结合能级图深刻理解氢原子能级跃迁问题，知道原子跃迁的条件是光子能量符合两个轨道之间的能量差。

知道电离是一种特殊的跃迁。

会结合能级图计算氢原子跃迁时释放或吸收光子的频率。

学习目标知识导图知识点1 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__，接感应线圈的负极，A是金属环制成的__阳极__，接感应线圈的正极，接通电源后，感应线圈产生的__近万伏__的高电压加在两个电极之间。

一、阴极射线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．阴极射线的产生阴极射线是一种带负电的粒子流．英国物理学家汤姆孙使阴极射线在磁场和电场中产生偏转，来确定射线微粒的带电性质．3．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．电子的发现是与阴极射线的实验研究联系在一起的，而阴极射线的发现和研究是从真空放电现象开始的.1858年，德国物理学家普吕克在利用德国玻璃工盖斯勒发明的盖斯勒放电管研究气体放电时，发现对着阴极的管壁上出现了美丽的绿色荧光.1876年德国物理学家戈德斯坦证实这种绿色荧光是由阴极上所产生的某种射线射到玻璃上产生的，他把这种射线命名为“阴极射线”．“阴极射线”到底是什么？提示：带负电的粒子流(高速电子流)．这个问题曾引起了物理学界一场大争论．法国物理学家大多认为阴极射线是一种电磁波(以太波)，英国的物理学家则认为是一种带电粒子流，这一争论持续了二十年，促使许多物理学家进行了很多有意义的实验，推动了物理学的发展，这场争论最后由J.J.汤姆孙解决了，他用实验表明阴极射线就是带负电的粒子流．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和不同的气体做实验，所得的比荷都是相同的，是氢离子比荷的近千倍． 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电荷基本相同．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的新发现：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：它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 ＝1.6×10－19C ，是由密立根通过著名的“油滴实验”测出来的．密立根发现，电荷是量子化的，任何电荷只能是e 的整数倍．电子质量m ＝9.1×10－31kg ，质子的质量与电子的质量的比值：m pm e ＝1_836.这个丰富多彩的世界是由原子构成的．原子内部呈现的复杂的结构，不断地吸引着人们去探索．现在利用先进的手段已经能够“看到”或“拿起”一个原子，但在19世纪，实验手段和设备相当简陋，人类只能运用观测的现象推测原子内部的情景．汤姆孙在研究原子结构方面取得开拓性的成果．汤姆孙在当时是通过什么样的实验发现电子的呢？提示：汤姆孙是在研究气体放电产生阴极射线的实验中发现电子的．考点一对阴极射线的认识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．2．阴极射线带电性质的判断方法阴极射线的本质是电子，在电场(或磁场)中所受电场力(或洛伦兹力)远大于所受重力，故研究电磁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．【例1】如图所示，在阴极射线管正上方平行放一通有强电流的长直导线，则阴极射线将( )A．向纸内偏转B．向纸外偏转C．向下偏转D．向上偏转先判断出直导线下方电流产生的磁场的方向，再由左手定则即可判断出阴极射线的偏转方向．【答案】D【解析】长直导线的电流方向向左，由安培定则可判定直导线下方所处磁场垂直纸面向外，由于电子从负极射出，根据左手定则可判定电子向上偏转，即阴极射线将向上偏转．总结提能本题综合考查了电流的磁场、左手定则以及阴极射线的产生和实质．(多选)关于阴极射线，下列说法正确的是( BD )A．阴极射线就是稀薄气体导电的辉光放电现象B．阴极射线是在真空管内由阴极发生的电子流C．阴极射线是组成物体的原子D．阴极射线沿直线传播，但在电场、磁场中偏转解析：阴极射线是原子受激发射出的电子；碰到荧光物质时，能使荧光物质发光；电子流在电场和磁场中会发生偏转．考点二带电粒子比荷的确定1．电荷量的量子化带电体所带电荷量具有量子化，即任何带电体所带电荷量只能是电子电荷量的整数倍，即q＝ne(n为自然数)．2．比荷(或电荷量)的测定根据电场、磁场对电子(带电粒子)的偏转测量比荷(或电荷量)，分以下两步：(1)让粒子通过正交的电磁场(如图)，让其做直线运动，根据二力平衡，即F洛＝F电(Bqv＝qE)得到粒子的运动速度v＝EB.(2)在其他条件不变的情况下，撤去电场(如图)，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 ＝mv 2r ，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径r ，则由qvB ＝m v 2r 得q m ＝v Br ＝E B 2r .【例2】 在测阴极射线比荷的实验中，汤姆孙采用了如图所示的阴极射线管，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 、E 平行板间，接着在荧光屏F 中心出现荧光斑．若在D 、E 间加上方向向下，场强为E 的匀强电场，阴极射线将向上偏转；如果再利用通电线圈在D 、E 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．阴极射线向下偏转，偏转角为θ，试解决下列问题：(1)说明阴极射线的带电性；(2)说明图中磁场沿什么方向；(3)根据L 、E 、B 和θ，求出阴极射线的比荷．由阴极射线在电场和磁场中受到的电场力和洛伦兹力的方向判断电性和磁场方向，利用两力的平衡关系，及阴极射线在磁场中做匀速圆周运动列方程求解比荷．【答案】 (1)负电 (2)垂直纸面向里 (3)E sin θB 2L【解析】 (1)由于阴极射线向上偏转，因此受电场力方向向上，又由于匀强电场方向向下，即电场力的方向与电场方向相反，所以阴极射线带负电．(2)根据题意知，在D 、E 区加上磁场时，阴极射线受到的洛伦兹力应向下，由左手定则可判断，磁场方向垂直纸面向里．(3)当射线在D 、E 间做匀速直线运动时有：qE ＝Bqv .当射线在D 、E 间的磁场中发生偏转时，有Bqv ＝mv 2r ，同时又有：L ＝r ·sin θ，如图．可得：q m ＝E sin θB 2L .总结提能 (1)带电粒子在匀强电场中做类平抛运动，可利用运动的分解、运动学公式、牛顿运动定律列出相应的关系．(2)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，要注意通过画轨迹示意图确定圆心位置，利用几何知识求其半径．(3)带电粒子通过互相垂直的匀强电磁场时，可使其做匀速直线运动，根据qE ＝qvB 可求其速度． 解决此类问题，要在熟练掌握各部分知识的基础上灵活解答．为了测定带电粒子的比荷q m，让这个带电粒子垂直电场方向飞进平行金属板间，已知匀强电场的场强为E ，在通过长为L 的两金属板间后，测得偏离入射方向的距离为d ，如果在两板间加垂直于电场方向的匀强磁场，磁场方向垂直于粒子的入射方向，磁感应强度为B ，则粒子恰好不偏离原来的方向，求q /m 为多少？答案：2Ed B 2L 2解析：设带电粒子以v 0跟电场垂直进入匀强电场，则d ＝12at 2＝12qE m (L v 0)2 ①此带电粒子垂直入射到正交的电磁场区域时不发生偏转，由平衡条件qE ＝qv 0B ，得v 0＝E B ② 由①②两式得qEL 22md ＝E 2B 2.解得q m ＝2EdB 2L2. 重难疑点辨析密立根油滴实验测量电子带的电荷量1．密立根实验的原理(1)如图所示，两块平行放置的水平金属板A 、B 与电源相连接，使A 板带正电，B 板带负电．从喷雾器嘴喷出的小油滴经上面的金属板中间的小孔，落到两板之间的匀强电场E 中．(2)小油滴由于摩擦而带负电，调节A 、B 两板间的电压，可以使小油滴在两板之间静止或做匀速直线运动，忽略空气阻力，此时油滴所受的电场力和重力平衡，即mg ＝Eq ，则电荷的电荷量q ＝mgE .实验发现，q 一定是某个最小电荷量的整数倍，这个最小的电荷量就是电子的电荷量，即e ＝1.602 177 33×10－19 C.2．密立根实验更重要的发现电荷量是量子化的，即任何电荷的电荷量只能是元电荷e 的整数倍，并求得了元电荷即电子所带的电荷量e .【典例】 图中，在A 板上方用喷雾器将油滴喷出，若干油滴从板上的一个小孔中落下，喷出的油滴因摩擦而带负电．已知A 、B 板间电压为U 、间距为d 时，油滴恰好静止．撤去电场后油滴徐徐下落，最后测出油滴以速度v 匀速运动，已知空气阻力正比于速度f ＝kv ，则油滴所带的电荷量q ＝________.某次实验得q 的测量值见下表(单位：10－19 C)： 6.41 8.01 9.65 11.23 12.83分析这些数据可知：【解析】 mg －Eq ＝0，mg －kv ＝0，解得q ＝kv E .油滴带的电荷量是1.6×10－19 C 的整数倍，故电荷的最小电荷量为1.6×10－19 C.【答案】 kvE 电荷的最小电荷量为1.6×10－19 C实际调节电压使油滴静止是很困难的，故实际测量需使油滴匀速运动，测出油滴匀速下降、上升的速度v 1、v 2，再求油滴带的电荷量．1．下面对阴极射线的认识正确的是( D )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；可以穿透薄铝片的，可能是电磁波，也可能是更小的粒子，C 错误．2．(多选)关于电荷量，下列说法中正确的是( BCD )A．物体所带电荷量可以是任意值B．物体所带电荷量只能是某些值C．物体所带电荷量的最小值为1.6×10－19 CD．一个物体带1.6×10－9 C的正电荷，这是它失去了1.0×1010个电子的缘故解析：电荷量是量子化的，即物体的带电荷量只能是某一最小电荷量的整数倍，这一最小电荷量是1.6×10－19 C，A错误，B、C正确；物体带正电，是由于它失去了带负电的电子，D正确．3．带电微粒所带的电荷量不可能是下列值中的( A )A．2.4×10－19 C B．－6.4×10－19 CC．－1.6×10－18 C D．4.0×10－17 C解析：任何带电体的电荷量都只能是元电荷的整数倍，元电荷电荷量为e＝1.6×10－19C，选项A中电荷量为元电荷的3/2倍，B中电荷量为元电荷的4倍，C中电荷量为元电荷的10倍，D中电荷量为元电荷的250倍．也就是说B、C、D选项中的电荷量数值均是元电荷的整数倍，所以只有选项A是不可能的．4．如图所示为电视机显像管的偏转线圈示意图，圆心黑点表示从电子枪垂直于纸面射出的电子，它的方向由纸内指向纸外，当偏转线圈通以图示方向的电流时，电子束应( D )A．向左偏转B．向下偏转C．向右偏转D．向上偏转解析：由安培定则可判定上、下螺旋管的N极都在右方，S极都在左方，考虑到电子带负电，用左手定则，不难判断出，电子受洛伦兹力的方向向上，即电子束向上偏转，故正确选项为D.5．阴极射线是从阴极射线管的阴极发出的高速运动的粒子流．若在如图所示的阴极射线管中部加上竖直向上的匀强电场，阴极射线将向下(选填“外”“里”“上”或“下”)偏转；若使阴极射线不偏转，可在匀强电场区域再加一大小合适、方向垂直纸面向外(选填“外”或“里”)的匀强磁场．解析：阴极射线带负电，在竖直向上的匀强电场中受向下的库仑力作用，将向下偏转；要使阴极射线不偏转，应使其再受一竖直向上的洛伦兹力与库仑力平衡，由左手定则可判断磁场方向垂直纸面向外．。

人教版高三年级选修3-5第十八章第一节§18．1 电子的发现课堂导学案【学习目标】（一）知识与技能1．了解阴极射线及电子发现的过程2．知道汤姆孙研究阴极射线发现电子的实验及理论推导（二）过程与方法培养学生对问题的分析和解决能力，初步了解原子不是最小不可分割的粒子。

（三）情感、态度与价值观理解人类对原子的认识和研究经历了一个十分漫长的过程，这一过程也是辩证发展的过程．根据事实建立学说，发展学说，或是决定学说的取舍，发现新的事实，再建立新的学说．人类就是这样通过辩证发展的行为，经过分析和研究，逐渐认识原子的。

【教学重点】阴极射线的研究【教学难点】汤姆孙发现电子的理论推导【课时安排】1 课时【导学过程】一、阴极射线用3分钟的时间阅读课本P47“阴极射线”部分，回答下列问题：（1）德国物理学家戈德斯坦认为管壁上的荧光是从阴极发出的某种射线引起的，并把这种射线命名为。

（2）对于阴极射线的本质，有大量的科学家作出大量的科学研究，主要形成了两种观点：①电磁波说：认为这种射线的本质是。

②粒子说：认为这种射线的本质是。

二、电子的发现思考一：你能否设计一个实验来进行阴极射线的研究，能通过实验现象来说明这种射线是一种电磁波还是一种高速粒子流？思考二：你能否设计一个实验来判断运动的带电粒子所带电荷的正负？（提示：根据带电粒子在电、磁场中的运动规律）用5分钟的时间阅读课本P47“电子的发现”部分和P48“思考与讨论”部分，讨论交流以下问题：（实验装置如课本图18.1-2所示）从高压电场的阴极发出的阴极射线，穿过D1D2后沿直线打在荧光屏P1上。

问题1：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，阴极射线带有什么性质的电荷？问题2：为使阴极射线不发生偏转，则请思考可在平行极板区域再采取什么措施？qv 0B 与qE 满足条件 时，则阴极射线不发生偏转。

即：=0v问题4：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θ为：v x =v 0 v y =0mv qEL所以：==xy v v θtan ①又因为：)2(tan L D y+=θ ②且 BEv =0 ③ 则由①②③得：=mq根据已知量，可求出阴极射线的比荷。

原子的核式结构模型（一）知识与技能1．了解原子结构模型建立的历史过程及各种模型建立的依据。

2．知道α粒子散射实验的实验方法和实验现象，及原子核式结构模型的主要内容。

（二）过程与方法1．通过对α粒子散射实验结果的讨论与交流，培养学生对现象的分析中归纳中得出结论的逻辑推理能力。

2．通过核式结构模型的建立，体会建立模型研究物理问题的方法，理解物理模型的演化及其在物理学发展过程中的作用。

3．了解研究微观现象。

（三）情感、态度与价值观1．通过对原子模型演变的历史的学习，感受科学家们细致、敏锐的科学态度和不畏权威、尊重事实、尊重科学的科学精神。

2．通过对原子结构的认识的不断深入，使学生认识到人类对微观世界的认识是不断扩大和加深的，领悟和感受科学研究方法的正确使用对科学发展的重要意义。

★教学重点1．引导学生小组自主思考讨论在于对α粒子散射实验的结果分析从而否定葡萄干布丁模型，得出原子的核式结构；2．在教学中渗透和让学生体会物理学研究方法，渗透三个物理学方法：模型方法，黑箱方法和微观粒子的碰撞方法；★教学难点引导学生小组自主思考讨论在于对ɑ粒子散射实验的结果分析从而否定葡萄干布丁模型，得出原子的核式结构★教学方法教师启发、引导，学生讨论、交流。

★教学用具：投影片，多媒体辅助教学设备★课时安排1 课时★教学过程（一）引入新课讲述：汤姆生发现电子，根据原子呈电中性，提出了原子的葡萄干布丁模型。

学生活动：师生共同得出汤姆生的原子葡萄干布丁模型。

点评：用动画展示原子葡萄干布丁模型。

（二）进行新课1．α粒子散射实验原理、装置（1）α粒子散射实验原理：汤姆生提出的葡萄干布丁原子模型是否对呢？原子的结构非常紧密，用一般的方法是无法探测它的内部结构的，要认识原子的结构，需要用高速粒子对它进行轰击。

而α粒子具有足够的能量，可以接近原子中心。

它还可以使荧光屏物质发光。

如果α粒子与其他粒子发生相互作用，改变了运动方向，荧光屏就能够显示出它的方向变化。

姓名，年级：时间：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.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。

第18.1节《电子的发现》导学案班级：组名：姓名：【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，是比原子更基本的物质单元。

2．体会电子的发现过程中蕴含的科学方法及电子发现对揭示原子结构的重大意义。

（重点） 3．知道电荷是量子化的，即任何电荷只能是e的整数倍。

【使用说明与学法指导】要研究粒子的性质（电性、电量、质量），需根据粒子在电场、磁场中的偏转情况分析。

【知识链接】1．电荷在电场中所受电场力的方向判定断：正电荷受到的电场力方向与场强方向，负电荷受到的电场力方向与场强方向。

2．运动电荷沿垂直于磁场方向射入匀强磁场中，做运动，由力提供向心力，动力学方程为：，洛仑兹力方向由判定。

【学习过程】引入：同学们对电子已经比较熟悉，那么科学家们是怎样发现电子的呢？知识点一、阴极射线【问题1】图1是阴极射线管示意图，我们之前通过它观察了磁场对运动电荷的作用。

图18.1-1是科学家发现阴极射线的实验装置示意图。

（1）装置特点：真空玻璃管中，K是制成的阴极，A是制成的阳极，K和A分别接到感应圈的负极和正极上，接通电源时，感应圈在两个电极之间产生的高电压。

管中十字状物体是一个金属片。

（2）实验现象：早在1858年，德国物理学家普吕克尔就在类似的实验中看到了。

（3）阴极射线： 1876年，另一位德国物理学家戈德斯坦认为管壁上的荧光是由于玻璃受到引起的，从而把这种射线命名为阴极射线。

【问题2】猜想：19世纪，对阴极射线的本质的认识有两种观点，一种观点认为阴极射线是一种，另一种观点认为阴极射线是。

为了证明自己的观点，双方都做了很多实验，以找到有利于自己的证据。

知识点二、电子的发现汤姆孙的观点及实验装置：英国物理学家汤姆孙认为阴极射线，图18.1-2是他当时进行一系列实验研究的气体放电管的示意图。

实验装置各部分的作用是：（1）K、A部分：（2）小孔A、B：形成。

（3）金属板D 1、D 2之间的空间：加电场或磁场判断粒子 。