选修3-5（高中物理旧教材同步讲义）第18章 1 电子的发现同步讲义

1电子的发现[学科素养与目标要求]物理观念：1.知道阴极射线是由电子组成的，电子是原子的组成部分.2.知道电荷是量子化的，即任何电荷只能是e的整数倍.3.领会电子的发现对揭示原子结构的重大意义．科学思维：体会电子的发现过程中蕴含的科学方法．一、阴极射线1．实验装置：如图1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；把它们分别连接在感应圈的负极和正极上．图12．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，证明它是带负电(选填“正电”或“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，说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．电子的有关常量判断下列说法的正误．(1)玻璃壁上出现的影是玻璃受到阴极射线的撞击而产生的．(×)(2)阴极射线在真空中沿直线传播．(√)(3)英国物理学家汤姆孙认为阴极射线是一种电磁辐射．(×)(4)组成阴极射线的粒子是电子．(√)(5)电子是原子的组成部分，电子电荷量可以取任意数值．(×)一、对阴极射线的认识1.在如图所示的演示实验中，K是金属板制成的阴极，A是金属环制成的阳极．K和A之间加上近万伏的高电压后，管端玻璃壁上能观察到什么现象？该现象说明了什么问题？答案能看到玻璃壁上淡淡的荧光及管中物体在玻璃壁上的影，这说明阴极能够发出某种射线，并且撞击玻璃引起荧光．2．如何判断阴极射线的带电性质？答案方法一：在阴极射线所经区域加上电场，通过打在荧光屏上的亮点位置的变化和电场的情况确定带电的性质．方法二：在阴极射线所经区域加一磁场，根据荧光屏上亮点位置的变化和磁场方向利用左手定则确定带电的性质．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位置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．例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射线答案C解析阴极射线是在真空中由负极发出的电子流，故A、B错误；阴极射线是由德国物理学家戈德斯坦在1876年提出并命名的，故C正确；阴极射线本质是电子流，故D错误．对阴极射线的理解1．阴极射线实际上就是电子流．2．辉光现象产生的条件：玻璃管中气体稀薄．3．阴极射线的来源：若真空度高，阴极射线的粒子主要来自阴极；若真空度不高，粒子还可能来自管中气体．4．阴极射线不是X射线．针对训练(多选)一只阴极射线管，左侧不断有电子射出，若在管的正下方放一通电直导线AB时，发现射线径迹下偏，如图2所示．则()图2A．导线中的电流由A流向BB．导线中的电流由B流向AC．若要使电子束的径迹向上偏，可以通过改变AB中电流的方向来实现D．电子的径迹与AB中电流的方向无关答案BC解析在阴极射线管中射出的阴极射线是带负电的电子流，在导线AB形成的磁场中向下偏转，由左手定则可知磁场是垂直纸面向里的，根据安培定则可知导线AB中的电流是由B流向A的，A错，B对；通过改变AB中的电流方向可以改变磁场方向从而使阴极射线的受力方向向上，使电子束的径迹向上偏，C对；由此可知电子束的径迹与AB中的电流方向即通电直导线AB形成的磁场方向有关，D错．二、带电粒子比荷的测定及电子的发现1．如何测定射线粒子的比荷？阅读课本，请提出一种可行的方案．答案(1)让粒子通过正交的电磁场(如图)，使其做匀速直线运动，根据二力平衡，即Bqv＝qE得到粒子的运动速度v＝eq\f(E,B).(2)在其他条件不变的情况下，撤去匀强电场(如图)，保留磁场，让粒子在匀强磁场中运动，由洛伦兹力提供向心力，即qvB＝meq\f(v2,r)，根据磁场情况和轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径r.(3)由以上两式确定粒子的比荷表达式：eq\f(q,m)＝eq\f(E,B2r).2．电子电荷的精确测定是密立根通过“油滴实验”测定的，密立根实验的重要意义是什么？答案发现电荷是量子化的，即任何电荷只能是e的整数倍．1．利用磁偏转测量(1)让带电粒子通过相互垂直的匀强电场和匀强磁场，如图3所示，使其做匀速直线运动，根据二力平衡，即F洛＝F电(Bqv＝qE)，得到粒子的运动速度v＝eq\f(E,B).图3(2)撤去电场，如图4所示，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＝meq\f(v2,r)，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径r.图4(3)由以上两式确定粒子的比荷表达式：eq\f(q,m)＝eq\f(E,B2r).最后经定量计算汤姆孙认定组成阴极射线的粒子为电子．2.利用电偏转测量带电粒子在匀强电场中运动，如图5.偏转量y＝eq\f(1,2)at2＝eq\f(1,2)·eq\f(qU,md)(eq\f(L,v))2，故eq\f(q,m)＝eq\f(2ydv2,UL2)，所以在偏转电场中，U、d、L已知时，只需测量v和y即可．图53．电子发现的意义(1)电子发现以前人们认为物质由分子组成，分子由原子组成，原子是不可再分的最小微粒．(2)现在人们发现了各种物质里都有电子，而且电子是原子的组成部分．(3)电子带负电，而原子是电中性的，说明原子是可再分的．例2如图6所示，初速度可忽略不计的电子经加速电场加速后从小孔O进入磁感应强度为B的有界匀强磁场，磁场宽度为l，射出磁场时电子的偏转角为α.已知加速电场电势差为U，求电子的比荷．图6答案eq\f(2Usin2α,B2l2)解析在加速电场中由动能定理得eU＝eq\f(1,2)mv2在匀强磁场中由牛顿第二定律得evB＝eq\f(mv2,R)如图所示，由几何关系得R＝eq\f(l,sinα)解得：eq\f(e,m)＝eq\f(2Usin2α,B2l2)带电粒子的比荷常见的三种测量方法1．利用磁偏转测比荷：由qvB＝meq\f(v2,R)得eq\f(q,m)＝eq\f(v,BR)，只需知道磁感应强度B、带电粒子的初速度v和偏转半径R即可．2．利用电偏转测比荷：偏转量y＝eq\f(1,2)at2＝eq\f(1,2)·eq\f(qU,md)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(L,v)))2，故eq\f(q,m)＝eq\f(2ydv2,UL2)，所以在偏转电场U、d、L已知时，只需测量v和y即可．3．利用加速电场测比荷：由动能定理qU＝eq\f(1,2)mv2得eq\f(q,m)＝eq\f(v2,2U)，只需测出v即可．1．(对阴极射线的认识)(多选)下面对阴极射线的认识正确的是()A．阴极射线是由阴极发出的粒子撞击玻璃管壁上的荧光粉而产生的B．只要阴阳两极间加有电压，就会有阴极射线产生C．阴极射线是真空玻璃管内由阴极发出的射线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答案CD解析阴极射线是真空玻璃管内由阴极直接发出的射线，故A错误，C正确；只有当两极间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，故B错误，D正确．2．(电子发现的意义)(多选)关于电子的发现，下列说法正确的是()A．电子的发现，说明原子是由电子和原子核组成B．电子的发现，说明原子具有一定的结构C．在电子被人类发现前，人们认为原子是组成物质的最小微粒D．电子带负电，使人们意识到原子内应该还有带正电的部分答案BCD解析发现电子时，人们对原子的结构仍然不清楚，但它使人们意识到电子应该是原子的组成部分，故A错误，B正确；在电子被人类发现前，人们认为原子是组成物质的最小微粒，C正确；原子对外显电中性，而电子带负电，使人们意识到原子中应该还有其他带正电的部分，D正确．3．(对电子的认识)(多选)1897年英国物理学家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”，下列关于电子的说法正确的是()A．任何物质中均有电子B．不同物质中具有不同性质的电子C．电子质量是质子质量的1836倍D．电子是一种粒子，是比原子更基本的物质单元答案AD解析汤姆孙用不同的材料做阴极，都能发现阴极射线且阴极射线均为同一物质——电子，这说明任何物质中均含有电子，A对，B错；根据对电子比荷的测定可知，电子电荷量和氢原子核的电荷量相同，电子的质量远小于质子质量，是质子质量的eq\f(1,1836)，说明电子有质量和电荷量，是一种粒子，并且电子是比原子更基本的物质单元，C错，D对．4．(电子比荷的测定)密立根油滴实验原理如图7所示，两块水平放置的金属板分别与电源的正、负极相接，板间距离为d，板间电压为U，形成竖直向下、场强为E的匀强电场．用喷雾器从上板中间的小孔喷入大小、质量和电荷量各不相同的油滴．通过显微镜可找到悬浮不动的油滴，若此悬浮油滴的质量为m，重力加速度为g，则下列说法正确的是()图7A．悬浮油滴带正电B．悬浮油滴的电荷量为eq\f(mg,U)C．增大场强，悬浮油滴将向上运动D．油滴的电荷量不一定是电子电荷量的整数倍答案C解析带电油滴在两板间静止时，电场力向上，应带负电，A项错误；qE＝mg，即qeq\f(U,d)＝mg，所以q＝eq\f(mgd,U)，B项错误；当E变大时，qE变大，合力向上，油滴将向上运动，C项正确；任何带电物体的电荷量都是电子电荷量的整数倍，D项错误．5．(电子比荷的测定)如图8所示，电子以初速度v0从O点沿OO′进入长为l、板间距离为d、电势差为U的平行板电容器中，出电场时打在屏上P点，经测量O′、P的距离为y0，求电子的比荷．(电