物理《学习方略》配套讲义电子发现人教版选修

1、物理学习方略配套讲义电子发现人教版选修1.1.知道阴极射线是由电子组成的，电子是原子的组成部分，知知道阴极射线是由电子组成的，电子是原子的组成部分，知道电子的电荷量和比荷道电子的电荷量和比荷. .2.2.了解汤姆孙发现电子的研究方法及蕴含的科学思想，领会电了解汤姆孙发现电子的研究方法及蕴含的科学思想，领会电子的发现对揭示原子结构的重大意义子的发现对揭示原子结构的重大意义. .重点：重点：1.1.了解阴极射线演示实验的器材结构，并认识实验现了解阴极射线演示实验的器材结构，并认识实验现 象和理解实验原理象和理解实验原理. . 2. 2.发现电子的探究方法发现电子的探究方法. .难点：领悟汤姆孙探究

2、问题的方法，培养自己的洞察力难点：领悟汤姆孙探究问题的方法，培养自己的洞察力. .一、阴极射线一、阴极射线1.1.实验装置：真空玻璃管、实验装置：真空玻璃管、_、阳极和感应圈、阳极和感应圈. .2.2.实验现象：感应圈产生的高电压加在两极之间，玻璃管壁上实验现象：感应圈产生的高电压加在两极之间，玻璃管壁上发出发出_ (A._ (A.阴极射线阴极射线 B.B.荧光荧光).).3.3.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，这种射线命名为而引起的，这种射线命名为_._.阴极阴极B B阴极射线阴极射线【判一判判一判】(1)(1

3、)阴极射线是由真空玻璃管中的感应圈发出的阴极射线是由真空玻璃管中的感应圈发出的.( ).( )(2)(2)阴极射线撞击玻璃管壁会发出荧光阴极射线撞击玻璃管壁会发出荧光.( ).( )提示：提示：(1)(1)阴极射线由阴极发出，阴极射线由阴极发出，(1)(1)错错. .(2)(2)玻璃受到阴极射线的撞击会产生荧光效应玻璃受到阴极射线的撞击会产生荧光效应,(2),(2)正确正确. .二、电子的发现二、电子的发现1.1.实验现象实验现象英国物理学家英国物理学家_使用气体放电管对阴极射线进行了一系使用气体放电管对阴极射线进行了一系列实验研究列实验研究. .(1)(1)让阴极射线分别通过电场和磁场让阴极

4、射线分别通过电场和磁场, ,根据根据_现象现象, ,证明它证明它是是_(A._(A.带正电带正电 B.B.带负电带负电) )的粒子流并求出其比荷的粒子流并求出其比荷. .(2)(2)换用换用_的阴极做实验的阴极做实验, ,所得所得_的数值都相同的数值都相同, ,是是氢离子比荷的近两千倍氢离子比荷的近两千倍. .证明这种粒子是构成各种物质的共有证明这种粒子是构成各种物质的共有成分成分. .汤姆孙汤姆孙偏转偏转B B不同材料不同材料比荷比荷2.2.电子电子(1)(1)组成阴极射线的粒子称为组成阴极射线的粒子称为_._.(2)(2)密立根密立根“油滴实验油滴实验”结论结论电子电子电性：电性：_电量：

5、电量：_，与，与_带电量相同带电量相同质量：质量：_质子与电子的质量比质子与电子的质量比 =1 836=1 836阴极射线阴极射线组成组成成分成分电电子子_负电负电e=1.602e=1.6021010-19-19 C C氢离子氢离子m=9.1m=9.11010-31-31 kg kgpemm【想一想想一想】汤姆孙怎样通过实验确定阴极射线是带负电的粒子？汤姆孙怎样通过实验确定阴极射线是带负电的粒子？提示：汤姆孙通过气体放电管研究阴极射线的径迹提示：汤姆孙通过气体放电管研究阴极射线的径迹, ,未加电场未加电场时，射线不偏转，施加电场后，射线向偏转电场的正极板方向时，射线不偏转，施加电场后，射线向偏

6、转电场的正极板方向偏转，由此确定阴极射线是带负电的粒子偏转，由此确定阴极射线是带负电的粒子. . 探究电子发现的历程探究电子发现的历程【探究导引探究导引】如图是汤姆孙气体放电管示意图，思考以下问题如图是汤姆孙气体放电管示意图，思考以下问题: :(1)(1)阴极射线是如何发现的？阴极射线是如何发现的？(2)(2)阴极射线带什么样的电荷？阴极射线带什么样的电荷？(3)(3)汤姆孙怎样对阴极射线进行研究而发现了电子？汤姆孙怎样对阴极射线进行研究而发现了电子？【要点整合要点整合】1. 1. 2.2.德国物理学家戈德斯坦将阴极发出的射线命名为阴极射线德国物理学家戈德斯坦将阴极发出的射线命名为阴极射线.

7、.3.3.猜想猜想(1)(1)阴极射线是一种电磁辐射阴极射线是一种电磁辐射. .(2)(2)阴极射线是带电微粒阴极射线是带电微粒. .真空玻璃管两极真空玻璃管两极加上高电压加上高电压玻璃管壁上玻璃管壁上发出荧光发出荧光4.4.英国物理学家汤姆孙让阴极射线在电场和磁场中偏转英国物理学家汤姆孙让阴极射线在电场和磁场中偏转. .发现阴极射线带负电发现阴极射线带负电测出了粒子的比荷测出了粒子的比荷发现电子发现电子5.5.密立根通过密立根通过“油滴实验油滴实验”精确测定了电子的电荷量和电子的精确测定了电子的电荷量和电子的质量质量. .【特别提醒特别提醒】(1)(1)注意阴极射线和注意阴极射线和X X射线

8、的区别射线的区别. .阴极射线是电阴极射线是电子流，子流，X X射线是电磁辐射射线是电磁辐射. .(2)(2)由阴极射线在电场、磁场中的偏转可确定射线由带负电的由阴极射线在电场、磁场中的偏转可确定射线由带负电的粒子组成粒子组成. .【典例典例1 1】阴极射线从阴极射线管中的阴极发出，在其间的高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，如图所示电压下加速飞向阳极，如图所示. .若要使射线向上偏转，所加若要使射线向上偏转，所加磁场的方向应为磁场的方向应为( )( )A.A.平行于纸面向下平行于纸面向下 B.B.平行于纸面向上平行于纸面向上C.C.垂直于纸面向外垂直于纸面向外

9、D.D.垂直于纸面向里垂直于纸面向里阴极射阴极射线带负线带负电电 【解题流程解题流程】运动方运动方向向右向向右 洛伦兹洛伦兹力向上力向上 由左手定由左手定则判断磁则判断磁场的方向场的方向【规范解答规范解答】选选C.C.由于阴极射线的本质是电子流，阴极射线运由于阴极射线的本质是电子流，阴极射线运动方向向右，说明电子的运动方向向右，相当于存在向左的电动方向向右，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，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，由此可知磁场方向应为垂直于纸面向外，故选项由此可知磁场方向应为垂直于纸面向外，故选项C

10、 C正确正确. .【互动探究互动探究】(1)(1)例题中如果通过施加电场来实现射线向上例题中如果通过施加电场来实现射线向上偏转，所加电场的方向应为偏转，所加电场的方向应为( )( )(2)(2)通过磁场或电场使射线发生偏转后，其电子的速度大小通过磁场或电场使射线发生偏转后，其电子的速度大小发生了怎样的变化？发生了怎样的变化？【解析解析】(1)(1)选选A.A.使电子向上偏转，电子所受电场力方向向上，使电子向上偏转，电子所受电场力方向向上，由此可知，所加电场方向应平行于纸面向下由此可知，所加电场方向应平行于纸面向下. .(2)(2)当通过磁场使电子偏转时，电子受到洛伦兹力做圆周运动，当通过磁场使

11、电子偏转时，电子受到洛伦兹力做圆周运动，而洛伦兹力总与电子速度方向垂直而洛伦兹力总与电子速度方向垂直, ,故不做功，因此电子的速故不做功，因此电子的速度大小不变；当通过电场使电子偏转时，则是电子沿电场力度大小不变；当通过电场使电子偏转时，则是电子沿电场力方向加速运动，电场力做正功，故电子速度变大方向加速运动，电场力做正功，故电子速度变大. .答案答案:(1)A (2):(1)A (2)通过磁场时不变，通过电场时变大通过磁场时不变，通过电场时变大【变式备选变式备选】(2012(2012南京高二检测南京高二检测) )关于阴极射线的实质，关于阴极射线的实质，下列说法正确的是下列说法正确的是( )(

12、)A.A.阴极射线实质是氢原子阴极射线实质是氢原子 B.B.阴极射线实质是电磁波阴极射线实质是电磁波C.C.阴极射线实质是电子阴极射线实质是电子 D.D.阴极射线实质是阴极射线实质是X X射线射线【解析解析】选选C.C.阴极射线是原子受激发射出的电子，关于阴极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、射线是电磁波、X X射线，都是在研究阴极射线过程中的一些假射线，都是在研究阴极射线过程中的一些假设，是错误的设，是错误的. . 带电粒子比荷的测定带电粒子比荷的测定【探究导引探究导引】如图是电视机显像管的示意图，思考以下问题如图是电视机显像管的示意图，思考以下问题: :(1)(1)电子

13、在偏转线圈产生的磁场中受什么力作用？怎样确定力的电子在偏转线圈产生的磁场中受什么力作用？怎样确定力的方向？方向？(2)(2)电子在磁场中的运动符合什么运动规律？电子在磁场中的运动符合什么运动规律？【要点整合要点整合】1.1.让粒子通过相互垂直的电磁场让粒子通过相互垂直的电磁场( (如图如图) )，让其，让其做匀速直线运动，根据二力平衡，即做匀速直线运动，根据二力平衡，即F F洛洛=F=F电电(Bqv=qE)(Bqv=qE)，得到粒子的运动速度，得到粒子的运动速度2.2.撤去电场撤去电场( (如图如图) )，保留磁场，让粒子单纯地，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在磁场

14、中运动，由洛伦兹力提供向心力即 根据轨迹偏转情况，由几何知识求根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径出其半径r.r.3.3.由以上两式确定粒子的比荷表达式：由以上两式确定粒子的比荷表达式：Ev.B2vBqvmr，2qE.mB r【特别提醒特别提醒】(1)(1)利用磁偏转测比荷，由利用磁偏转测比荷，由 只需知道磁感应强度只需知道磁感应强度B B、带电粒子的速度、带电粒子的速度v v和偏转半径和偏转半径r r即可即可. .(2)(2)利用电偏转测比荷，偏转量利用电偏转测比荷，偏转量所以在偏转电场所以在偏转电场U U、d d、L L已知时，只需测量已知时，只需测量v v和和y y即可即可. .2vq

15、vqvBmrmBr得，222211 qU Lq2ydvyat() ,.22 md vmUL故【典例典例2 2】(2012(2012海口高二检测海口高二检测) )带电粒子的比荷带电粒子的比荷 是一个重是一个重要的物理量要的物理量. .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, ,实验装置实验装置如图所示如图所示. .其中两正对极板其中两正对极板M M1 1、M M2 2之间的距离为之间的距离为d d，极板长度为，极板长度为L.L. qm(1)(1)他们的主要实验步骤

16、如下：他们的主要实验步骤如下：A.A.首先在两极板首先在两极板M M1 1、M M2 2之间不加任何电场、磁场，开启阴极射之间不加任何电场、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心处观察到一个亮点; ;B.B.在在M M1 1、M M2 2两极板间加合适的电场；加极性如图所示的电压，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，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直到荧光屏

17、上恰好看不见亮点为止，记下此时外加电压为U U，请问本步骤的目的是什么？请问本步骤的目的是什么？C.C.保持步骤保持步骤B B中的电压中的电压U U不变，对不变，对M M1 1、M M2 2区域加一个大小、方向区域加一个大小、方向合适的磁场合适的磁场B B，使荧光屏正中心处重现亮点，试问外加磁场的，使荧光屏正中心处重现亮点，试问外加磁场的方向如何？方向如何？ (2)(2)根据上述实验步骤，同学们正确地推算出电子的比荷与外根据上述实验步骤，同学们正确地推算出电子的比荷与外加电场、磁场及其他相关量的关系为加电场、磁场及其他相关量的关系为 一位同学说，一位同学说，这表明电子的比荷大小将由外加电压决定

18、，外加电压越大则电这表明电子的比荷大小将由外加电压决定，外加电压越大则电子的比荷越大，你认为他的说法正确吗？为什么子的比荷越大，你认为他的说法正确吗？为什么? ? 22qU.mB d【思路点拨思路点拨】(1)(1)当两板间加上合适的电场时，恰好看不见亮当两板间加上合适的电场时，恰好看不见亮点，则电子在电场中的偏转量为点，则电子在电场中的偏转量为 d.d.(2)(2)再加大小、方向合适的磁场，洛伦兹力和电场力大小相再加大小、方向合适的磁场，洛伦兹力和电场力大小相等，方向相反，则亮点在荧光屏中心等，方向相反，则亮点在荧光屏中心. .可以根据左手定则确定可以根据左手定则确定磁场方向磁场方向. .(3

19、)(3)电子的比荷由电子本身决定，与外加电压无关电子的比荷由电子本身决定，与外加电压无关. . 12【规范解答规范解答】(1)(1)步骤步骤B B中电子在中电子在M M1 1、M M2 2两极板间做类平抛运动，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当在荧光屏上看不到亮点时，电子刚好打在下极板M M2 2靠近荧光靠近荧光屏端的边缘，则屏端的边缘，则 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，

20、就可以表示出比荷已知量，就可以表示出比荷. .步骤步骤C C加上磁场后电子不偏转，电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场方向垂直于纸面向外. . 2dUqL() ,22dm v222qd v.mUL(2)(2)由电场力等于洛伦兹力得由电场力等于洛伦兹力得 =Bqv=Bqv解得解得 将式代入式得将式代入式得 可以看出当可以看出当U U增大时，增大时，B B必定也要增大，即必定也要增大，即 的比值不会变的比值不会变化，且电子的比荷是由电子本身的性质决定的，是电子的固有化，且电子的比

21、荷是由电子本身的性质决定的，是电子的固有参数，因此他的说法不正确参数，因此他的说法不正确. . UqdUvBd22qUmB L22UB L答案答案:(1):(1)步骤步骤B B中使电子刚好打在下极板中使电子刚好打在下极板M M2 2靠近荧光屏端的边靠近荧光屏端的边缘，利用已知量表示缘，利用已知量表示 步骤步骤C C中磁场方向垂直纸面向外中磁场方向垂直纸面向外(2)(2)不正确，原因见规范解答不正确，原因见规范解答qm【总结提升总结提升】巧妙运用电磁场测定电子比荷巧妙运用电磁场测定电子比荷(1)(1)当电子在复合场中做匀速直线运动时当电子在复合场中做匀速直线运动时,qE=qvB,qE=qvB,可

22、以测出电可以测出电子速度大小子速度大小. .(2)(2)当电子在磁场中偏转时，当电子在磁场中偏转时， 测出圆周运动半径，即测出圆周运动半径，即可确定比荷可确定比荷(3)(3)当电子在匀强电场中偏转时当电子在匀强电场中偏转时, , 测出电场中测出电场中的偏转量也可以确定比荷的偏转量也可以确定比荷. . 2vqvBm,r22201qULyat,22mv d【变式训练变式训练】汤姆孙汤姆孙18971897年用阴极射线管测年用阴极射线管测量了电子的比荷量了电子的比荷( (电子电荷量与质量之比电子电荷量与质量之比) )，其实验原理如图所示其实验原理如图所示. .电子流平行于极板射电子流平行于极板射入，极

23、板入，极板P P、PP间同时存在匀强电场间同时存在匀强电场E E和垂和垂直纸面向里的匀强磁场直纸面向里的匀强磁场B B时，电子流不会发生偏转；极板间只时，电子流不会发生偏转；极板间只存在垂直纸面向里的匀强磁场存在垂直纸面向里的匀强磁场B B时，电子流穿出平行板电容器时，电子流穿出平行板电容器时的偏转角时的偏转角= rad.= rad.已知极板长已知极板长L=3.0L=3.01010-2-2 m, m,电场强度大电场强度大小为小为E=1.5E=1.510104 4 V/m V/m，磁感应强度大小为，磁感应强度大小为B=5.0B=5.01010-4-4 T. T.求电求电子比荷子比荷. . 115

24、【解析解析】无偏转时，洛伦兹力和电场力无偏转时，洛伦兹力和电场力平衡，则平衡，则eE=evBeE=evB只存在磁场时，有只存在磁场时，有evB= evB= ，由几何关，由几何关系系偏转角很小时，偏转角很小时，rr联立上述各式并代入数据得电子的比荷联立上述各式并代入数据得电子的比荷 =1.3=1.310101111 C/kg C/kg答案答案:1.3:1.310101111 C/kg C/kg 2vmrLrsinL2eEmB L【温馨提示温馨提示】电子的发现使人们对物质结构的认识更进一步，电子的发现使人们对物质结构的认识更进一步，近几年高考命题注重科学探究思想方法的考查，经常结合汤姆近几年高考命

25、题注重科学探究思想方法的考查，经常结合汤姆孙实验、密立根孙实验、密立根“油滴实验油滴实验”、电子在电场、磁场中的平衡、电子在电场、磁场中的平衡、偏转现象命题偏转现象命题. . 【典例典例】阴极射线是从阴极射线管的阴极发出的粒子流，这些阴极射线是从阴极射线管的阴极发出的粒子流，这些粒子是粒子是_._.若加在阴极射线管内两个电极上的电压为若加在阴极射线管内两个电极上的电压为1.61.610104 4 V V，电子离开阴极表面时的速度为零，则电子到达阳，电子离开阴极表面时的速度为零，则电子到达阳极时的速度极时的速度v=_m/s.v=_m/s.考查内容考查内容 阴极射线管问题研究阴极射线管问题研究【解

26、题指南解题指南】解决本题需要了解阴极射线管实验的结论和动能解决本题需要了解阴极射线管实验的结论和动能定理定理. .【规范解答规范解答】电子由阴极到阳极，由动能定理得电子由阴极到阳极，由动能定理得eU= mveU= mv2 2，解得解得=7.5=7.510107 7 m/s m/s答案答案: :电子电子 7.57.510107 712194312eU2 1.6 101.6 10v m /sm9.1 10电子比荷的测定技巧电子比荷的测定技巧电子比荷的测定在科学研究中有非常重要的意义电子比荷的测定在科学研究中有非常重要的意义. .通过电子在通过电子在电场、磁场中的运动测定电子的比荷应注意以下三点：电

27、场、磁场中的运动测定电子的比荷应注意以下三点：(1)(1)明确测定比荷需要确定的物理量明确测定比荷需要确定的物理量. .若用磁偏转测量，需确定若用磁偏转测量，需确定电子速度的大小和在磁场中的偏转半径电子速度的大小和在磁场中的偏转半径. .(2)(2)要测定电子速度的大小，需应用速度选择器的原理，根据要测定电子速度的大小，需应用速度选择器的原理，根据evB=eEevB=eE测量测量. .(3)(3)根据电子偏转情况确定电子在磁场中做匀速圆周运动的半根据电子偏转情况确定电子在磁场中做匀速圆周运动的半径，根据洛伦兹力提供向心力列出方程，确定电子的比荷径，根据洛伦兹力提供向心力列出方程，确定电子的比荷. .【案例展示案例展示】为了测量电子的比荷为了测量电子的比荷 可用可用下述方法：在真空装置中，使一细束电子下述方法：在真空装置中，使一细束电子流流( (即阴极射线即阴极射线),),在没有外界力的作