2024-2025学年高中物理第十八章原子结构第1节电子的发现学案新人教版选修3-5

PAGE7-第1节电子的发觉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．理解电子的发觉对揭示原子结构的重大意义。4．体会电子的发觉过程中蕴含的科学方法。一、阴极射线在充有淡薄气体的玻璃管两端安装电极，当两极间加上肯定电压时，阴极便发出一种看不见的射线，这种射线叫做eq\o(□,\s\up3(01))阴极射线。二、电子的发觉1．汤姆孙的探究方法及结论汤姆孙依据阴极射线在eq\o(□,\s\up3(01))电场和eq\o(□,\s\up3(02))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做试验，所得的比荷都是eq\o(□,\s\up3(03))相同的，是氢离子比荷的近两千倍。汤姆孙干脆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eq\o(□,\s\up3(04))氢离子大致相同。后来把组成阴极射线的粒子称为eq\o(□,\s\up3(05))电子。2．汤姆孙的进一步探讨汤姆孙进一步探讨发觉，不论是阴极射线、β射线、光电效应中的光电流还是热离子放射效应中的离子流，它们都包含eq\o(□,\s\up3(06))电子。结论：电子是从原子中放射出来的，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eq\o(□,\s\up3(07))原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元。3．对电子的相识电子电荷量e＝eq\o(□,\s\up3(08))1.602×10－19_C，是由密立根通过闻名的“eq\o(□,\s\up3(09))油滴试验”精确测定出来的。密立根发觉，电荷是eq\o(□,\s\up3(10))量子化的，任何电荷只能是e的整数倍。质子的质量与电子的质量的比值：eq\o(□,\s\up3(11))1836∶1。判一判(1)阴极射线管发出荧光的缘由是由于阴极射线撞击管壁而引起的。()(2)想知道阴极射线是电磁波还是带电粒子，可以使阴极射线垂直进入电场和磁场，通过荧光屏上的亮点位置来推断。()(3)汤姆孙发觉了电子，从而相识到原子是可以再分的。()(4)汤姆孙指出阴极射线的本质是带负电的粒子流，密立根求出了粒子的比荷。()提示：(1)√(2)√(3)√(4)×想一想(1)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，正电荷和负电荷所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。(2)只有阴极射线中包含电子吗？提示：不是只有阴极射线中包含电子。β射线、光电效应中的光电流、热离子放射效应中的离子流，都包含电子。

课堂任务阴极射线1．演示试验：如图所示，真空玻璃管中，K是金属板制成的阴极，接在感应线圈的负极上，金属环制成的阳极A，接感应线圈的正极，管中十字状物体是一个金属片，接通电源后，视察管端玻璃壁上亮度的改变。2．试验现象：德国物理学家普吕克尔在类似的试验中看到了玻璃壁上淡淡的荧光及管中物体在玻璃壁上的影。3．试验分析：荧光的实质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。4．对阴极射线本质的相识：对于阴极射线的本质，科学家做了大量的科学探讨，主要形成了两种观点。(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。例1关于阴极射线，下列说法正确的是()A．阴极射线就是淡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(1)阴极射线是如何产生的？提示：在探讨气体导电的玻璃管内有阴、阳两极。当两极间加肯定电压时，阴极便发出一种射线，这种射线为阴极射线。(2)阴极射线的本质是什么？提示：电子流。[规范解答]阴极射线是在真空管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，故C正确；阴极射线本质是电子流，故D错误。[完备答案]C对阴极射线的理解及带电性质的推断方法(1)阴极射线事实上就是电子流。(2)辉光现象产生的条件：玻璃管中气体淡薄。(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。(5)阴极射线带电性质的推断方法阴极射线的本质是电子流，在电场(或磁场)中所受电场力(或洛伦兹力)远大于所受重力，故探讨电场力(或洛伦兹力)对电子运动的影响时，一般不考虑重力的影响，其带电性质的推断方法如下：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位置改变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，依据亮点位置的改变和左手定则确定带电的性质。eq\a\vs4\al([变式训练1])如图所示，在阴极射线管正上方平行放一通有向左的强电流的长直导线，则阴极射线将()A．向纸内偏转 B．向纸外偏转C．向下偏转 D．向上偏转答案D解析由安培定则可知，阴极射线管处磁场方向垂直纸面对外，而阴极射线方向向右，即电子速度方向向右，由左手定则可知，电子所受洛伦兹力方向向上。故D正确。课堂任务带电粒子比荷的测定1．让粒子垂直通过方向垂直的电场、磁场复合区域(如图所示)，让粒子做直线运动，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)。2．在其他条件不变的状况下，撤去电场(如图所示)，保留磁场，让粒子垂直磁场方向，在磁场中运动，由洛伦兹力供应向心力即Bqv＝eq\f(mv2,r)，依据轨迹偏转状况，由几何学问求出其半径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)。例2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′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。已知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。(1)如何计算电子在正交的电场和磁场中的速度？提示：因为电子在正交电场和磁场中做匀速直线运动，所以依据受力平衡求解：evB＝Ee，又E＝eq\f(U,b)，可得：v＝eq\f(U,Bb)。(2)在仅有电场时，电子在电场中做类平抛运动时，速度方向有什么特点？提示：物体做类平抛运动时，速度方向的反向延长线过水平位移中点。[规范解答](1)设电子的速度为v，则有evB＝eE，所以v＝eq\f(E,B)＝eq\f(U,Bb)。(2)当极板间仅有偏转电场时，电子在电场中竖直方向上的偏转距离为y1＝eq\f(1,2)ateq\o\al(2,1)＝eq\f(1,2)eq\f(eU,mb)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(L1,v)))2＝eq\f(eL\o\al(2,1)U,2mv2b)电子离开电场时竖直方向上的分速度为v1＝at1＝eq\f(eU,mb)·eq\f(L1,v)电子离开电场后做匀速直线运动，到荧光屏的时间为t2，这段时间内竖直方向上运动的距离为y2＝v1t2＝eq\f(eUL1L2,mv2b)，这样，电子在竖直方向上偏转的总距离为d＝y＝y1＋y2＝eq\f(eU,mv2b)L1eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(L2＋\f(L1,2)))可解得：eq\f(e,m)＝eq\f(Ud,B2bL1\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(L2＋\f(L1,2))))。[完备答案](1)v＝eq\f(U,Bb)(2)eq\f(e,m)＝eq\f(Ud,B2bL1\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(L2＋\f(L1,2))))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，因此eq\f(q,m)＝eq\f(v2,2U)，只需再测出v即可。eq\a\vs4\al([变式训练2])电子所带电荷量的精确数值最早是由美国物理学家密立根通过油滴试验测得的。他测定了数千个带电油滴的电荷量，发觉这些电荷量都等于某个最小电荷量的整数倍，这个最小电荷量就是电子所带的电荷量。密立根试验的原理如图所示，A、B是两块平行放置的水平金属板，A板带正电荷，B板带负电荷，从喷雾器嘴喷出的小油滴，落到A、B两板之间的电场中，小油滴由于摩擦而带负电荷，调整A、B两板间的电压，可使小油滴受到的电场力和重力平衡。已知小油滴静止处的电场强度是1.92×102N/C。油滴半径是1.64×10－1cm。油的密度是0.851g/cm3，求油滴所带的电荷量。这个电荷量是电子电荷量的多少倍？(g取9.