高中物理强基计划特训-第14部分-原子物理.docx

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高中物理强基计划-第14部分-原子物理自古以来，人们就在探索一个问题：千姿百态的世界，到底是由什么构成的?早在2400多年前，人们就开始考虑物质内部构造的基本问题。公元前300多年，庄子在《庄子·天下篇》中写道：“一尺之棰，日取其半，万世不竭。”这种论断，朴素地提出了物质无限可分的思想。同时期的古希腊，著名的哲学家德谟克利特提出一种原子学说。他认为：世界和宇宙中的万物，都是由看不见又不可分割的微小粒子构成的，他把这些粒子叫做“原子”。德谟克利特还认为，原子不可毁灭；原子总是在运动，世界上出现的万事万物都是这种运动的结果。以上这些看来很完善的论述，使德谟克利特树立了一种较完善的学说。令人遗憾的是，德谟克利特的学生、在当时学术界很有影响的亚里士多德拒不承认老师的原子理论，却极力推崇四元素论。四元素论认为，一切物质都由土、水、空气和火组成。不仅古希腊存在着元素说，在古代中国也有着类似的五元素说。五元素说认为：金、木、水、火、土这五种最基本的元素组成了世界。在这种学说的影响下，“炼金术”和“炼丹术”开始兴旺起来。直到19世纪初，英国物理学家和化学家道尔顿才用实验方法检验了古人的原子论观点，提出了现代的原子学说。他认为，原子的基本性质是它们的不变性和不可分割性，任何物质都是由非常微小的、不可再分的原子组成的；同一物质的所有原子，各方面的性质都相同，不同物质的原子的重量不同。那么原子是不是组成物质的最终极限，原子不可再分了吗?这一模块中，我们将研究原子的组成以及原子核的相关知识。1、电子的发现与枣糕模型如图，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；把它们分别连接在感应圈的负极和正极上。管中十字状物体是一个金属片。接通电源时，感应圈产生的近万伏的高电压加在两个电极之间，可以看到玻璃壁上淡淡的荧光及管中物体在玻璃壁上的影。1876年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阴极发出的某种射线的撞击而引起的，并把这种射线命名为阴极射线。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电磁辐射，另一种观点认为阴极射线是带电微粒。1.电子的发现英国物理学家汤姆孙认为阴极射线是带电粒子流。1897年，他根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定，阴极射线的本质是带负电的粒子流，并求出了这种粒子的比荷是氢离子比荷的近两千倍。后来，汤姆孙直接测到了阴极射线的电荷量，尽管测量不太准确，但是足以证明这种粒子的电荷量的大小和氢离子大致相同，这说明这种粒子的质量比氢离子小的多，是比原子更小的微粒。汤姆孙用不同材料的阴极做实验发现，所得比荷的数值都是相同的。这说明不同物质都能发射这种带电粒子，它是构成各种物质的共有成分。后来组成阴极射线的粒子被称为电子。发现电子以后，汤姆孙又进一步研究了许多新现象，如光电效应、热离子发射效应和β射线等。他发现，不论阴极射线、β射线、光电流还是热离子流，它们都包含电子。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。*********************************阅读材料电子电荷的精确测定是由密立根通过著名的“油滴实验”做出的。密立根油滴实验是美国物理学家密立根所做的测定电子电荷的实验。1907~1913年密立根用在电场和重力场中运动的带电油滴进行实验，发现所有油滴所带的电量均是某一最小电荷的整数倍，该最小电荷值就是电子电荷。用喷雾器将油滴喷入电容器两块水平的平行电极板之间时，油滴经喷射后，一般都是带电的。在不加电场的情况下，小油滴受重力作用而降落，当重力与空气的浮力和粘滞阻力平衡时，它便做匀速下降，它们之间的关系是：mg=F+B(1),式中：mg为油滴受到的重力，F为空气的粘滞阻力，B为空气的浮力。令σ、p分别表示油滴和空气的密度；a为油滴的半径；η为空气的粘滞系数；V为油滴匀速下降的速度。因此油滴受到的重力为,空气的浮力为,空气的粘滞阻力为F=6πηav。(流体力学的斯托克斯定律)。于是(1)式变为：,可得出油滴的半径)。当平行电极板间加上电场时，设油滴所带电量为q,E为平行极板间的电场强度，U为两极板间的电势差，d为两板间的距离，则它所受到的静电力为qE,。适当选择电势差U的大小和方向，使油滴受到电场的作用向上运动，以v;表示上升的速度，当油滴匀速上升时，可得到如下关系式：F₂+mg=qE+B(3),式中F₂为油滴上升速度为vg时空气的粘滞阻力，F2=6πηaVg,由(1)、(3)式得到油滴所带电量q为。由测定的油滴不加电场时下降的速度v。和加上电场时油滴匀速上升的速度vg,带入(2)、(4)式就可以求出油滴所带的电量q。注意上述公式的推导过程中都是对同一个油滴而言的，因此对同一个油滴，要在实验中测出一组V、Vg的数据。密立根曾用上述方法对许多不同的油滴进行测量，结果表明，油滴所带的电量总是某一个最小固定值的整数倍。密立根油滴实验60年后，史学家发现，密立根一共向外公布了58次观测数据，而他本人一共做过140次观测。他在实验中通过预先估测，去掉了那些他认为有偏差，误差大的数据。这违反了科学的原则。**********************************:*****************************正曳得2.枣糕模型通常情况下，物质都是电中性的，在汤姆孙发现电子后，人们推测原子应当由两部分组成：一部分是带负电的电子，另一部分则带正电。对原子中正负电荷如何分布的问题，科学家们提出了许多模型，其中较有影响的是汤姆孙本人提出的“枣糕模型”。他认为：原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌其中。【例1】下列实验现象中，支持阴极射线是带电微粒观点的是A.阴极射线可以透过薄铝片B.阴极射线通过电场或磁场时，要产生相应偏转C.阴极射线透过镍单晶时，产生衍射现象D.阴极射线轰击荧光物质，发出荧光【答案】B【例2】汤姆孙对阴极射线的探究，最终发现了电子，由此被称为“电子之父”。关于电子的说法正确的是A.任何物质中均有电子B.不同的物质中具有不同的电子C.电子质量是质子质量的1836倍D.电子是一种粒子，是构成物质的基本单元【答案】AD【例3】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点O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L,极板间距为b,极板右端到荧光屏的距离为L。(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)当电子受到的电场力与洛伦兹力平衡时，电子做匀速直线运动，亮点重新回到中心O点设电子的速度为v,则evB=eE,解得：,即(2)当板间仅有偏转电场时，电子以速度v进入后，竖直方向做匀加速运动，加速度为电子在水平方向做匀速运动，在电场内的运动时间为电子在电场中，竖直向上偏转的距离为离开电场时竖直向上的分速度为设电子离开电场后做匀速直线运动，经t₂时间到达荧光屏，则t₂时间内向上运动的距离为这样，电子向上的总偏转距离为,解得：【答案】(1);(2)【例4】1897年汤姆孙发现电子后，许多科学家为测量电子的电荷量做了大量的探索。1907-1916年密立根用带电油滴进行实验，发现油滴所带的电荷量是某一数值e的整数倍，于是称这个数值e为基本电荷。如图所示，完全相同的两块金属板正对着水平放置，板间距离为d。当质量为m的微小带电油滴在两板间运动时，所受空气阻力的大小与速度大小成正比。两板间不加电压时，可以观察到油滴竖直向下做匀速运动，通过某一段距离所用时间为t;当两板间加电压U(上极板的电势高)时，可以观察到同一油滴竖直向上做匀速运动，且在时间t₂内运动的距离与在时间t内运动的距离相等。已知匀强电场强度,且方向由高电势指向低电势。忽略空气浮力，重力加速度为g。(1)判断上述油滴的电性，要求说明理由；(2)求上述油滴所带的电荷量Q;(3)在极板间照射X射线可以改变油滴的带电量。再采用上述方法测量油滴的电荷量。如此重复操作，测量出油滴的电荷量Q,如下表所示。如果存在基本电荷，请根据现有数据求出基本电荷的电荷量e。(保留到小数点后两位)实验次序。