2024-2025學(xué)年高中物理第十八章原子結(jié)構(gòu)第1節(jié)電子的發(fā)現(xiàn)學(xué)案新人教版選修3-5

PAGE7-第1節(jié)電子的發(fā)覺1．知道陰極射線是由電子組成的，電子是原子的組成部分。2．知道電荷是量子化的，即任何電荷只能是e的整數(shù)倍。3．理解電子的發(fā)覺對揭示原子結(jié)構(gòu)的重大意義。4．體會電子的發(fā)覺過程中蘊含的科學(xué)方法。一、陰極射線在充有淡薄氣體的玻璃管兩端安裝電極，當兩極間加上肯定電壓時，陰極便發(fā)出一種看不見的射線，這種射線叫做eq\o(□,\s\up3(01))陰極射線。二、電子的發(fā)覺1．湯姆孫的探究方法及結(jié)論湯姆孫依據(jù)陰極射線在eq\o(□,\s\up3(01))電場和eq\o(□,\s\up3(02))磁場中的偏轉(zhuǎn)判定，它的本質(zhì)是帶負電的粒子流，并求出了這種粒子的比荷。湯姆孫用不同材料的陰極做試驗，所得的比荷都是eq\o(□,\s\up3(03))相同的，是氫離子比荷的近兩千倍。湯姆孫干脆測量了陰極射線粒子的電荷量，得到這種粒子的電荷量大小與eq\o(□,\s\up3(04))氫離子大致相同。后來把組成陰極射線的粒子稱為eq\o(□,\s\up3(05))電子。2．湯姆孫的進一步探討湯姆孫進一步探討發(fā)覺，不論是陰極射線、β射線、光電效應(yīng)中的光電流還是熱離子放射效應(yīng)中的離子流，它們都包含eq\o(□,\s\up3(06))電子。結(jié)論：電子是從原子中放射出來的，它的質(zhì)量只比最輕原子的質(zhì)量的兩千分之一稍多一點，由此可見，電子是eq\o(□,\s\up3(07))原子的組成部分，是比原子更基本的物質(zhì)單元。3．對電子的相識電子電荷量e＝eq\o(□,\s\up3(08))1.602×10－19_C，是由密立根通過聞名的“eq\o(□,\s\up3(09))油滴試驗”精確測定出來的。密立根發(fā)覺，電荷是eq\o(□,\s\up3(10))量子化的，任何電荷只能是e的整數(shù)倍。質(zhì)子的質(zhì)量與電子的質(zhì)量的比值：eq\o(□,\s\up3(11))1836∶1。判一判(1)陰極射線管發(fā)出熒光的緣由是由于陰極射線撞擊管壁而引起的。()(2)想知道陰極射線是電磁波還是帶電粒子，可以使陰極射線垂直進入電場和磁場，通過熒光屏上的亮點位置來推斷。()(3)湯姆孫發(fā)覺了電子，從而相識到原子是可以再分的。()(4)湯姆孫指出陰極射線的本質(zhì)是帶負電的粒子流，密立根求出了粒子的比荷。()提示：(1)√(2)√(3)√(4)×想一想(1)氣體放電管中的氣體為什么會導(dǎo)電？提示：氣體分子內(nèi)部有電荷，正電荷和負電荷的數(shù)量相等，對外呈電中性，當分子處于電場中時，正電荷和負電荷所受電場力的方向相反，電場很強時正、負電荷被“撕”開，于是出現(xiàn)了等量的正、負電荷，在電場力作用下做定向運動，氣體就導(dǎo)電了。(2)只有陰極射線中包含電子嗎？提示：不是只有陰極射線中包含電子。β射線、光電效應(yīng)中的光電流、熱離子放射效應(yīng)中的離子流，都包含電子。

課堂任務(wù)陰極射線1．演示試驗：如圖所示，真空玻璃管中，K是金屬板制成的陰極，接在感應(yīng)線圈的負極上，金屬環(huán)制成的陽極A，接感應(yīng)線圈的正極，管中十字狀物體是一個金屬片，接通電源后，視察管端玻璃壁上亮度的改變。2．試驗現(xiàn)象：德國物理學(xué)家普呂克爾在類似的試驗中看到了玻璃壁上淡淡的熒光及管中物體在玻璃壁上的影。3．試驗分析：熒光的實質(zhì)是由于玻璃受到陰極發(fā)出的某種射線的撞擊而引起的，這種射線被命名為陰極射線。4．對陰極射線本質(zhì)的相識：對于陰極射線的本質(zhì)，科學(xué)家做了大量的科學(xué)探討，主要形成了兩種觀點。(1)電磁波說：代表人物——赫茲，他認為這種射線的本質(zhì)是一種電磁輻射。(2)粒子說：代表人物——湯姆孫，他認為這種射線的本質(zhì)是一種帶電粒子流。例1關(guān)于陰極射線，下列說法正確的是()A．陰極射線就是淡薄氣體導(dǎo)電時的輝光放電現(xiàn)象B．陰極射線是在真空管內(nèi)由正極放出的電子流C．陰極射線是由德國物理學(xué)家戈德斯坦命名的D．陰極射線就是X射線(1)陰極射線是如何產(chǎn)生的？提示：在探討氣體導(dǎo)電的玻璃管內(nèi)有陰、陽兩極。當兩極間加肯定電壓時，陰極便發(fā)出一種射線，這種射線為陰極射線。(2)陰極射線的本質(zhì)是什么？提示：電子流。[規(guī)范解答]陰極射線是在真空管中由負極發(fā)出的電子流，故A、B錯誤；陰極射線是由德國物理學(xué)家戈德斯坦在1876年提出并命名，故C正確；陰極射線本質(zhì)是電子流，故D錯誤。[完備答案]C對陰極射線的理解及帶電性質(zhì)的推斷方法(1)陰極射線事實上就是電子流。(2)輝光現(xiàn)象產(chǎn)生的條件：玻璃管中氣體淡薄。(3)陰極射線的來源：若真空度高，陰極射線的粒子主要來自陰極；若真空度不高，粒子還可能來自管中氣體。(4)陰極射線不是X射線。(5)陰極射線帶電性質(zhì)的推斷方法陰極射線的本質(zhì)是電子流，在電場(或磁場)中所受電場力(或洛倫茲力)遠大于所受重力，故探討電場力(或洛倫茲力)對電子運動的影響時，一般不考慮重力的影響，其帶電性質(zhì)的推斷方法如下：①方法一：在陰極射線所經(jīng)區(qū)域加上電場，通過打在熒光屏上的亮點的位置改變和電場的狀況確定帶電的性質(zhì)。②方法二：在陰極射線所經(jīng)區(qū)域加一磁場，依據(jù)亮點位置的改變和左手定則確定帶電的性質(zhì)。eq\a\vs4\al([變式訓(xùn)練1])如圖所示，在陰極射線管正上方平行放一通有向左的強電流的長直導(dǎo)線，則陰極射線將()A．向紙內(nèi)偏轉(zhuǎn) B．向紙外偏轉(zhuǎn)C．向下偏轉(zhuǎn) D．向上偏轉(zhuǎn)答案D解析由安培定則可知，陰極射線管處磁場方向垂直紙面對外，而陰極射線方向向右，即電子速度方向向右，由左手定則可知，電子所受洛倫茲力方向向上。故D正確。課堂任務(wù)帶電粒子比荷的測定1．讓粒子垂直通過方向垂直的電場、磁場復(fù)合區(qū)域(如圖所示)，讓粒子做直線運動，依據(jù)二力平衡，即F洛＝F電(Bqv＝qE)得到粒子的運動速度v＝eq\f(E,B)。2．在其他條件不變的狀況下，撤去電場(如圖所示)，保留磁場，讓粒子垂直磁場方向，在磁場中運動，由洛倫茲力供應(yīng)向心力即Bqv＝eq\f(mv2,r)，依據(jù)軌跡偏轉(zhuǎn)狀況，由幾何學(xué)問求出其半徑r。3．由以上兩式確定粒子的比荷表達式：eq\f(q,m)＝eq\f(E,B2r)。例2如圖所示為湯姆孫用來測定電子比荷的裝置。當極板P和P′間不加偏轉(zhuǎn)電壓時，電子束打在熒光屏的中心O點處，形成一個亮點；加上偏轉(zhuǎn)電壓U后，亮點偏離到O′點，O′到O點的豎直距離為d，水平距離可忽視不計；此時在P與P′之間的區(qū)域里再加上一個方向垂直于紙面對里的勻強磁場，調(diào)整磁感應(yīng)強度，當其大小為B時，亮點重新回到O點。已知極板水平方向長度為L1，極板間距為b，極板右端到熒光屏的距離為L2。(1)求打在熒光屏O點的電子速度的大小；(2)推導(dǎo)出電子比荷的表達式。(1)如何計算電子在正交的電場和磁場中的速度？提示：因為電子在正交電場和磁場中做勻速直線運動，所以依據(jù)受力平衡求解：evB＝Ee，又E＝eq\f(U,b)，可得：v＝eq\f(U,Bb)。(2)在僅有電場時，電子在電場中做類平拋運動時，速度方向有什么特點？提示：物體做類平拋運動時，速度方向的反向延長線過水平位移中點。[規(guī)范解答](1)設(shè)電子的速度為v，則有evB＝eE，所以v＝eq\f(E,B)＝eq\f(U,Bb)。(2)當極板間僅有偏轉(zhuǎn)電場時，電子在電場中豎直方向上的偏轉(zhuǎn)距離為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)電子離開電場時豎直方向上的分速度為v1＝at1＝eq\f(eU,mb)·eq\f(L1,v)電子離開電場后做勻速直線運動，到熒光屏的時間為t2，這段時間內(nèi)豎直方向上運動的距離為y2＝v1t2＝eq\f(eUL1L2,mv2b)，這樣，電子在豎直方向上偏轉(zhuǎn)的總距離為d＝y(tǒng)＝y(tǒng)1＋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))))。[完備答案](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))))帶電粒子的比荷常見的三種測量方法(1)利用磁偏轉(zhuǎn)測比荷：由qvB＝meq\f(v2,R)得eq\f(q,m)＝eq\f(v,BR)，只需知道磁感應(yīng)強度B、帶電粒子的初速度v和偏轉(zhuǎn)半徑R即可。(2)利用電偏轉(zhuǎn)測比荷：偏轉(zhuǎn)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)。所以在偏轉(zhuǎn)電場U、d、L已知時，只需測量v和y即可。(3)利用加速電場測比荷：由動能定理qU＝eq\f(1,2)mv2，因此eq\f(q,m)＝eq\f(v2,2U)，只需再測出v即可。eq\a\vs4\al([變式訓(xùn)練2])電子所帶電荷量的精確數(shù)值最早是由美國物理學(xué)家密立根通過油滴試驗測得的。他測定了數(shù)千個帶電油滴的電荷量，發(fā)覺這些電荷量都等于某個最小電荷量的整數(shù)倍，這個最小電荷量就是電子所帶的電荷量。密立根試驗的原理如圖所示，A、B是兩塊平行放置的水平金屬板，A板帶正電荷，B板帶負電荷，從噴霧器嘴噴出的小油滴，落到A、B兩板之間的電場中，小油滴由于摩擦而帶負電荷，調(diào)整A、B兩板間的電壓，可使小油滴受到的電場力和重力平衡。已知小油滴靜止處的電場強度是1.92×102N/C。油滴半徑是1.64×10－1cm。油的密度是0.851g/cm3，求油滴所帶的電荷量。這個電荷量是電子電荷量的多少倍？(g取9.