2024-2025学年高中物理第3章第1节敲开原子的大门教案粤教版选修3-5

PAGE7-第一节敲开原子的大门[学习目标]1.知道阴极射线的概念，了解电子的发觉过程．(重点)2.知道电子是原子的组成部分．(重点)3.知道电子的电荷量和质量．(重点)4.理解电子比荷的测定原理及方法．(难点)一、探究阴极射线1．试验装置真空玻璃管、阴极、阳极和高压电源．2．试验现象及阴极射线在一个被抽成真空的玻璃管两端加上高电压，这时阴极会发出一种射线，使正对阴极的玻璃管壁上出现绿色荧光．这种奇异的射线被称为阴极射线．3．阴极射线的本质汤姆生通过试验证明阴极射线本质上是由带负电的微粒组成的．二、电子的发觉1．汤姆生的探究方法及结论(1)依据阴极射线在电场和磁场中的偏转状况断定，它的本质是带负电的粒子流，并求出了这种粒子的荷质比．(2)换用不同材料的阴极做试验，所得荷质比的数值都相同，汤姆生计算出的荷质比大约比当时已知的质量最小的氢离子的荷质比大2000倍．(3)结论：汤姆生干脆测量出粒子的电荷，发觉该粒子的电荷与氢离子的电荷大小基本上相同，说明它的质量比任何一种分子和原子的质量都小得多，至此，汤姆生完全确认了电子的存在．2．电子的电荷量和质量(1)电荷量：美国科学家密立根精确地测定了电子的电量e＝1.602_2×10－19C(2)质量：依据荷质比，可以精确地计算出电子的质量为m＝9.109_4×10－31kg1．正误推断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)阴极射线的本质是由带正电的微粒组成． (×)(2)在阴极射线所在的区域加一磁场，可推断阴极射线的性质． (√)(3)电子的电荷量是汤姆生首先精确测定的． (×)(4)带电体的电荷量可以是随意值． (×)2．关于阴极射线的本质，下列说法正确的是()A．阴极射线本质是氢原子B．阴极射线本质是电磁波C．阴极射线本质是电子D．阴极射线本质是X射线C[阴极射线本质上是电子流，带负电，A、B、D选项错误，C选项正确．]3．在阴极射线管的正上方平行放置通以强电流的一根长直导线，其电流方向如图所示．则阴极射线将()A．向上偏转 B．向下偏转C．向纸里偏转 D．向纸外偏转B[依据安培定则可知电流四周的磁场分布，阴极射线区域磁场垂直纸面对里，依据左手定则可知，电子流从左向右运动，电子向下偏转，故B选项正确，选B.]对阴极射线的相识1.对阴极射线本质的相识——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——汤姆生，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更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，依据亮点位置的变更和左手定则确定带电的性质．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．【例1】(多选)如图所示，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，发觉射线径迹下偏，则()A．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往上偏，可通过变更AB中电流的方一直实现D．电子束的径迹与导线AB中电流的方向无关BC[电子向右运动，受到的洛伦兹力向下，依据左手定则知，在导线AB上方有垂直纸面对里的磁场，再依据安培定则推断出电流方向由B到A.]阴极射线是高速运动的电子流，电子带负电，在电场中或磁场中将要发生偏转.1．(多选)下面对阴极射线的相识正确的是()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CD[阴极射线是真空玻璃管内由阴极发出的射线，故A错误，C正确；只有当两极间加足够高的电压且阴极接电源负极时，阴极中的电子才会受到足够大的电场力作用而脱离阴极形成阴极射线，故B错误，D正确．]电子荷质比及电荷量的测定1.电子荷质比(或电荷量)的测定方法依据电场、磁场对电子的偏转测量比荷(或电荷量)，可按以下方法：(1)让电子通过正交的电磁场，如图甲所示，让其做匀速直线运动，依据二力平衡，即F洛＝F电(qvB＝qE)得到电子的运动速度v＝eq\f(E,B).甲(2)在其他条件不变的状况下，撤去电场，如图乙所示，保留磁场让电子在磁场中运动，由洛伦兹力供应向心力，即qvB＝eq\f(mv2,r)，依据轨迹偏转状况，由几何学问求出其半径r，则由qvB＝meq\f(v2,r)得eq\f(q,m)＝eq\f(v,Br)＝eq\f(E,B2r).乙2．密立根油滴试验(1)装置密立根试验的装置如图所示．①两块水平放置的平行金属板A、B与电源相接，使上板带正电，下板带负电．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中．②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．视察者可在强光照耀下，借助显微镜进行视察．(2)方法①两板间的电势差、两板间的距离都可以干脆测得，从而确定极板间的电场强度E.但是由于油滴太小，其质量很难干脆测出．密立根通过测量油滴在空气中下落的终极速度来测量油滴的质量．没加电场时，由于空气的黏性，油滴所受的重力大小很快就等于空气给油滴的摩擦力而使油滴匀速下落，可测得速度v1.②再加一足够强的电场，使油滴做竖直向上的运动，在油滴以速度v2匀速运动时，油滴所受的静电力与重力、阻力平衡．依据空气阻力遵循的规律，即可求得油滴所带的电荷量．(3)结论带电油滴的电荷量都等于某个最小电荷量的整数倍，从而证明了电荷是量子化的，并求得了其最小值即电子所带的电荷量e.【例2】如图所示为汤姆孙用来测定电子荷质比eq\f(q,m)的装置．探究电场和磁场对电子运动轨迹的影响，以求得电子的荷质比，其中两正对极板M1、M2之间的距离为d，极板长度为L.(1)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视察到一个亮点；B．在M1、M2两极板间加合适的电场；加极性如图所示的电压，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间区域加一个大小、方向合适的磁场B，使荧光屏正中心处重现亮点，试问外加磁场的方向如何？(2)依据上述试验步骤，可推算出电子的荷质比与外加电场、磁场及其他相关量的关系式为eq\f(q,m)＝eq\f(U,B2L2).一位同学说，这表明电子的荷质比大小将由外加电压确定，外加电压越大则电子的荷质比越大，你认为他的说法正确吗？为什么？思路点拨：(1)当两板间加上合适的电压时，荧光屏上恰好看不见亮点，则电子在电场中竖直方向的偏移量为eq\f(1,2)d.(2)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．可以依据左手定则确定磁场方向．(3)电子的荷质比由电子本身确定，与外加电压无关．[解析](1)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，电子在两极板间竖直方向的偏转位移增大．当在荧光屏上恰好看不到亮点时，电子刚好打在下极板M2靠近荧光屏端的边缘，则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竖直方向的偏转位移成为已知量．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，由左手定则可知磁场方向垂直于纸面对外．(2)由电场力等于洛伦兹力得eq\f(Uq,d)＝Bqv解得v＝eq\f(U,Bd)又eq\f(q,m)＝eq\f(d2v2,UL2)得eq\f(q,m)＝eq\f(U,B2L2)当U增大时，B必定也要增大，即eq\f(U,B2L2)的比值不会变更，电子的荷质比是由电子本身的性质确定的，是电子的固有参数，因此该同学的说法不正确．[答案]见解析奇妙运用电磁场测定电子荷质比1．当电子在复合场中做匀速直线运动时，qE＝qvB，可以测出电子速度的大小．2．电子在荧光屏上的落点到屏中心的距离等于电子在电场中的偏转位移与电子出电场到屏之间的倾斜直线运动偏转位移的和．训练角度1：对带电体电荷量的理解2．(多选)关于电荷的电荷量，下列说法正确的是()A．物体所带电荷量可以是随意值B．物体所带电荷量最小值为1.6×10－19C．物体所带的电荷量都是元电荷的整数倍D．电子就是元电荷BC[密立根的油滴试验测出了电子的电量为1.6×10－19C，并提出了电荷量子化的观点，故A错，B对；任何物体的电荷量都是e训练角度2：密立根油滴试验3．密立根油滴试验如图所示，A、B是两块平行放置的水平金属板，A板带正电，B板带负电，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，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，已知小油滴静止时的电场强度是1.92×105N/C，油滴半径是1.64×10－4cm，油的密度是0.851g/cm3[解析]小油滴的质量m＝ρV＝ρ·eq\f(4,3)πr3由题意知mg＝Eq由①②两式可得q＝eq\f(ρ·4πr3g,3E)＝eq\f(0.851×103×4×3.14×1.64×10－63×9.8,3×1.92×105)C≈8．0×10－19小油滴所带电荷量q是电子电荷量e的eq\f(8.0×10－19C,1.6×10－19C)＝5倍．[答案]8.0×10－19C课堂小结知识脉络1.英国物理学家汤姆生发觉了电子.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.1．借助阴极射线管，我们看到的是()A．每个电子的运动轨迹B．全部电子整体的运动轨迹C．看到的是真实的电子D．看到的是错误的假象B[阴极射线管中不能看到每个电子的运动轨迹，借助阴极射线管，我们看到的是电子束的运动轨迹，即全部电子整体的运动轨迹，B选项正确．]2．下列说法中正确的是()A．汤姆生精确地测出了电子电荷量e＝1.60217733(49)×10－19B．电子电荷量的精确值是汤姆生通过“油滴试验”测出的C．汤姆生油滴试验更重要的发觉是：电荷量是量子化的，即任何电荷量只能是e的整数倍D．通过试验测得电子的比荷及电子电荷量e的值，就可以确定电子的质量D[电子的电荷量是密立根通过“油滴试验”测出的，A、B、C错误．测出荷质比的值eq\f(e,m)和电子电荷量e的值，可以确定电子的质量