高中物理人教版选修35教学案第十八章第1节电子的发现2

第1节电子的发觉1．英国物理学家汤姆孙发觉了电子。2．组成阴极射线的粒子——电子。3．密立根通过“油滴试验〞精确测定了电子电荷量。4．密立根试验发觉：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．试验装置：如下图真空玻璃管中K是金属板制成的阴极，A是金属环制成的阳极；把它们分别连在感应圈的负极和正极上。2．试验现象：玻璃壁上消失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、电子的发觉1．汤姆孙的探究(1)让阴极射线分别通过电场和磁场，依据偏转状况，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试验，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)进一步讨论新现象，不管是由于正离子的轰击，紫外光的照耀，金属受热还是放射性物质的自发辐射，都能放射同样的带电粒子——电子。由此可见，电子是原子的组成局部，是比原子更根本的物质单元。2．密立根“油滴试验〞(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．自主思索——判一判(1)玻璃壁上消失的淡淡荧光就是阴极射线。(×)(2)玻璃壁上消失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)电子是原子的组成局部，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，于是消失了等量的正、负电荷，在电场力作用下做定向运动，气体就导电了。对阴极射线的熟悉1．对阴极射线本质的熟悉——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推断方法(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状况确定带电的性质。(2)方法二：在阴极射线所经区域加一磁场，依据亮点位置的变化和左手定那么确定带电的性质。3．试验结果依据阴极射线在电场中和磁场中的偏转状况，推断出阴极射线是粒子流，并且带负电。1．[多项选择]关于电子的以下说法中正确的选项是()A．发觉电子是从讨论阴极射线开头的B．任何原子中均有电子，它是原子的组成局部C．电子发觉的意义是：使人们熟悉到原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也具有简单的结构D．电子是带正电的，它在电场中受到的电场力方向与电场线的切线方向相同解析：选ABC电子带负电，其所受的电场力方向与电场线方向相反。2．如下图，在阴极射线管正上方平行放一通有强电流的长直导线，那么阴极射线(电子束)将()A．向纸内偏转 B．向纸外偏转C．向下偏转 D．向上偏转解析：选D由题目条件不难推断阴极射线管所在处磁场垂直纸面对外，电子从负极射出，由左手定那么可判定阴极射线(电子束)向上偏转。故正确选项为D。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，如下图，假设要使射线向上偏转，所加磁场的方向应为()A．平行于纸面对左 B．平行于纸面对上C．垂直于纸面对外 D．垂直于纸面对里解析：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，利用左手定那么，使电子所受洛伦兹力方向平行于纸面对上，可知磁场方向应为垂直于纸面对外，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(如图甲)，让其做匀速直线运动，依据二力平衡，即F洛＝F电(Bqv＝qE)，得到粒子的运动速度v＝eq\f(E,B)。甲2.撤去电场(如图乙)，保存磁场，让粒子单纯地在磁场中运动，由洛伦兹力供应向心力，即Bqv＝meq\f(v2,r)，依据轨迹偏转状况，由几何学问求出其半径r。乙3．由以上两式确定粒子的比荷表达式：eq\f(q,m)＝eq\f(E,B2r)。[典例]带电粒子的比荷eq\f(q,m)是一个重要的物理量。某中学物理爱好小组设计了一个试验，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，试验装置如下图。其中两正对极板M1、M2之间的距离为d，极板长度为L。他们的主要试验步骤如下：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，放射的电子束从两极板中心通过，在荧光屏的正中心处观看到一个亮点；B．在M1、M2两极板间加适宜的电场：加极性如下图的电压，并逐步调整增大，使荧光屏上的亮点渐渐向荧光屏下方偏移，直到荧光屏上恰好看不见亮点为止，登记此时外加电压为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、方向适宜的磁场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到达eq\f(d,2)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，所加的磁场必需满意使电子所受的电场力与其所受的洛伦兹力等大反向。(3)推断磁场的方向时要留意电子的电性。[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，那么eq\f(d,2)＝eq\f(Uq,2dm)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(L,v)))2，eq\f(q,m)＝eq\f(d2v2,UL2)。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，由左手定那么可知磁场方向垂直于纸面对外。[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＝meq\f(v2,r)，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＝eq\f(1,2)at2＝eq\f(qUL2,2mv02d)，测出电场中的偏转量也可以确定比荷。1.[多项选择]如下图，从正离子源放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，发觉离子向上偏转，要使此离子沿直线穿过电场，那么应()A．增大电场强度E，减小磁感应强度BB．减小加速电压U，增大电场强度EC．适当地加大加速电压UD．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，那么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．如下图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，水平距离可忽视不计；此时在P与P′之间的区域里再加上一个方向垂直于纸面对里的匀强磁场，调整磁感应强度，当其大小为B时，亮点重新回到O点。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。(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＝eq\f(U,b)e，得v＝eq\f(U,Bb)即打到荧光屏O点的电子速度的大小为eq\f(U,Bb)。(2)由题意得d＝eq\f(1,2)·eq\f(eU,mb)·eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(L1,v)))2＋eq\f(eU,mb)·eq\f(L1L2,v2)，代入v＝eq\f(U,Bb)，解得eq\f(e,m)＝eq\f(2Ud,B2bL1L1＋2L2)。答案：(1)eq\f(U,Bb)(2)eq\f(e,m)＝eq\f(2Ud,B2bL1L1＋2L2)1．历史上第一个发觉电子的科学家是()A．贝可勒尔 B．道尔顿C．伦琴 D．汤姆孙解析：选D贝可勒尔发觉了自然?放射现象，道尔顿提出了原子论，伦琴发觉了X射线，汤姆孙发觉了电子。2．[多项选择]关于密立根“油滴试验〞的科学意义，以下说法正确的选项是()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奉献D．为人类进一步讨论原子的结构供应了肯定的理论依据解析：选ACD密立根通过油滴试验测定了电子电量并发觉电荷是量子化的。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．关于阴极射线，以下说法正确的选项是()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：选D阴极射线是由阴极直接发出的，选项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，选项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，选项C错误。4．[多项选择]电子枪放射出的电子打在荧光屏上时，会在那里产生一个亮斑，假如在荧光屏上得到如下图的亮斑P，那么示波管中的()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由于带电粒子向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。5．[多项选择]如下图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，工作时它能放射阴极射线，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。以下说法中正确的选项是()A．假如偏转线圈中没有电流，那么阴极射线应当打在荧光屏正中的O点B．假如要使阴极射线在竖直方向偏离中心，打在荧光屏上A点，那么偏转磁场的方向应当垂直纸面对里C．假如要使阴极射线在竖直方向偏离中心，打在荧光屏上B点，那么偏转磁场的方向应当垂直纸面对里D．假如要使阴极射线在荧光屏上的位置由B点向A点移动，那么偏转磁场磁感应强度应当先由小到大，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那么可知B错误，C正确。由R＝eq\f(mv,qB)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。6.电子所带电荷量最早是由科学家密立根所做的油滴试验推想出的。密立根油滴试验的原理如下图，两块水平放置的平行金属板A、B与电源相接，使上面的板带正电，下面的板带负电。油滴从喷雾器喷出后，经上面金属板中间的小孔，落到两板之间的匀强电场E中。大多数油滴在经过喷雾器喷嘴时，因摩擦而带负电，油滴在电场力、重力和空气阻力的作用下下降，观看者可在强光照耀下，借助显微镜进行观看。如下图，在A板上方用喷雾器将细油滴喷出，假设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。A、B板间电压为U、间距为d，油滴恰好静止。撤去电场后油滴缓缓下落，最终测出油滴以速度v匀速运动，空气阻力正比于速度，f＝kv，那么油滴所带的电荷量q＝________。某次试验q的测量值如表格所示(单位：10－19C)，分析数据可知________。解析：依据平衡条件可得mg＝qeq\f(U,d)，mg＝kv，解得q＝eq\f(kdv,U)×10－19×10－19C。答案：eq\f(kdv,U)×10－19C7．[多项选择]如下图，关于高压的真空管，以下说法中正确的选项是()A．加了高压的真空管中可以看到辉光现象B．a为负极，b为正极C．U1为高压电源，U2为低压电源D．甲为环状物，乙为荧光中消失的阴影解析：选BD真空中不能发生辉光放电。U1为低压电源，U2为高压电源。8．如下图为汤姆孙阴极射线管的构造简图，将两极间加有肯定电压的阴极射线管置于U形磁铁两极之间，分析左端射入的电子束可知()A．增大加速电压，观看到的偏转现象将更加明显B．减小磁感应强度，观看到的偏转现象将更加明显C．电子束向下偏转D．假设将粒子源更换为α粒子源，磁场中粒子束偏转方向不变解析：选C由R＝eq\f(mv,Bq)可知，增大加速电压从而增大电子的速度，增大电子圆周运动的半径，偏转将不明显，减小磁场的磁感应强度，也增大电子的偏转半径，从而使偏转不明显，故A、B选项均错误；电子由左向右运动，由左手定那么可以确定电子将向下偏转，C正确；假设将粒子源换为α粒子源，因α粒子带正电，由左手定那么可知，α粒子将向上偏转，选项D错误。9．如下图，从S处发出的电子流经加速电压U加速后垂直进入相互垂直的匀强电场和匀强磁场中，发觉电子流向上极板偏转。设两极板间电场强度为E，磁感应强度为B。欲使电子流沿直线从电场和磁场区域通过，只实行以下措施，其中可行的是()A．适当减小电场强度EB．适当减小磁感应强度BC．适当增大加速电场极板之间的距离dD．适当减小加速电压U解析：选A要使电子在复合场中做匀速直线运动，应当有电场力与洛伦兹力等大反向，即：Eq＝qvB，依据左手定那么推断洛伦兹力的方向竖直向下，电子向上偏转说明Eq>qvB，因此要使电子不偏转，那么可采纳减小E，或增大v、B的措施，对应四个选项可知，只有选项A正确。10．[多项选择]如下图是汤姆孙的阴极射线管的示意图，以下说法中正确的选项是()A．假设在D1、D2两极板之间不加电场和磁场，那么阴极射线应打到最右端的P1点B．假设在D1、D2两极板之间加上竖直向下的电场，那么阴极射线应向下偏转C．假设在D1、D2两极板之间加上竖直向下的电场，那么阴极射线应向上偏转D．假设在D1、D2两极板之间加上垂直纸面对里的磁场，那么阴极射线不偏转解析：选AC试验证明，阴极射线是电子流，它在电场中偏转时应偏向带正电的极板一侧，选项C正确，B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，选项D错误；当不加电场和磁场时，电子所受的重力可以忽视不计，因而不发生偏转，选项A正确。11．如下图，电子由静止从O点经电压U加速后垂直射入匀强磁场中，磁感应强度为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eq\f(q,m)的表达式。(不