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

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1、 1　電子的發(fā)現(xiàn) 1．知道陰極射線的產(chǎn)生及本質(zhì)。 2．了解湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子的研究方法及發(fā)現(xiàn)電子的意義。 現(xiàn)代人已能“看到”原子的模樣，而在沒有任何實驗設(shè)施的過去，人們是怎樣感知物質(zhì)的結(jié)構(gòu)的呢？湯姆孫又是怎樣發(fā)現(xiàn)電子的呢？ 提示：人們靠思辨推測物質(zhì)的構(gòu)成，湯姆孫是在研究氣體放電產(chǎn)生陰極射線的實驗中發(fā)現(xiàn)電子的。 一、陰極射線 1．通常情況下，氣體是不導(dǎo)電的，但在強電場條件下，氣體能夠______而導(dǎo)電。 2．研究氣體放電時，一般都用稀薄氣體，導(dǎo)電時可以看到______放電現(xiàn)象。 3．在研究氣體導(dǎo)電的玻璃管內(nèi)有陰、陽兩極，當(dāng)兩極間加一定電壓時，陰極便發(fā)出一種射線，

2、它碰到熒光物質(zhì)使其能發(fā)光，這種射線為______射線。 二、電子的發(fā)現(xiàn) 思考：陰極射線的發(fā)現(xiàn)說明了什么？ 答案：一、1.電離 2．輝光 3．陰極 二、電場　比荷　負(fù)電　1.6× 10－19 C　氫離子　9.1×10－31kg　組成部分　基本 思考 提示：說明原子是可以再分的。 1．陰極射線的產(chǎn)生 將金屬加熱，讓其溫度變得很高，電子熱運動加劇，電子熱運動能量足夠大時同樣可以在金屬表面逸出，這時我們再以這塊金屬作為陰極(負(fù)極)，在相距一定距離的地方設(shè)一個正極，逸出金屬表面的電子可以在電場力作用下向陽極運動，形成電子束，形成的電子束即陰極射線。 2．用電場、磁場研究

3、“陰極射線”的性質(zhì) (1)電性的確定： 方法一：讓陰極射線進(jìn)入已知電場，由所受電場力方向確定帶電的性質(zhì)。 方法二：讓陰極射線進(jìn)入磁場，由所受洛倫茲力的方向，根據(jù)左手定則確定帶電的性質(zhì)。 (2)比荷的測定方法： ①讓粒子通過正交的電磁場，如圖所示，讓其做直線運動，根據(jù)二力平衡條件，即F洛＝F電(Bqv＝qE)得到粒子的運動速度v＝。 ②在其他條件不變的情況下，撤去電場(如圖所示)，保留磁場，讓粒子只在磁場中運動，由洛倫茲力提供向心力即Bqv＝，根據(jù)磁場情況和軌跡偏轉(zhuǎn)情況，由幾何知識求出其半徑R。 ③由以上方法確定粒子比荷的表達(dá)式：＝。 類型一 電子電荷量的測量 【

4、例題1】 電子所帶電荷量最早是由美國科學(xué)家密立根通過油滴實驗測出的。油滴實驗的原理如圖所示，兩塊水平放置的平行金屬板與電源連接，上、下板分別帶正、負(fù)電荷。油滴從噴霧器噴出后，由于摩擦而帶電，油滴進(jìn)入上板中央小孔后落到勻強電場中，通過顯微鏡可以觀察到油滴的運動情況。兩金屬板間的距離為d，忽略空氣對油滴的浮力和阻力。 (1)調(diào)節(jié)兩金屬板間的電勢差U，當(dāng)U＝U0時，使得某個質(zhì)量為m的油滴恰好做勻速運動。該油滴所帶電荷量q為多少？ (2)在某次測量中，他得到了如下的數(shù)據(jù)，你根據(jù)這些數(shù)據(jù)能得出什么結(jié)論呢？ 液滴編號 1 2 3 4 5 … 電荷量q/C 6.41×10－19

5、9.70×10－19 3.20×10－19 4.81×10－19 1.60×10－19 … 點撥：利用平衡方程求解油滴所帶的電荷量。 解析：(1)油滴勻速下落過程中受到的電場力和重力平衡，可見油滴所帶電荷為負(fù)電荷，即q＝mg，得q＝mg。 (2)研究這些數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，它們幾乎都是1.60×10－19的整數(shù)倍，從而得出電荷的最小帶電單位是1.60×10－19，即e＝1.60×10－19 C。 答案：(1)mg　(2)見解析 題后反思：不同的油滴質(zhì)量和帶電荷量不同，如果重力和電場力大小不等，這樣的油滴必做變速運動；如果某油滴受到的重力和電場力大小相等、方向相反，則這個油滴必處于平衡狀

6、態(tài)，可利用平衡條件求得其所帶電荷量。 觸類旁通：由例題1(2)中油滴所帶電荷量的情況你還能得出什么結(jié)論？ 類型二 陰極射線的比荷測定方法 【例題2】 在湯姆孫測陰極射線比荷的實驗中，采用了如圖所示的陰極射線管，從C出來的陰極射線經(jīng)過A、B間的電場加速后，水平射入長度為l的D、G平行板間，接著在熒光屏F中心出現(xiàn)熒光斑。若在D、G間加上方向向下、電場強度為E的勻強電場，陰極射線將向上偏轉(zhuǎn)；如果再利用通電線圈在D、G電場區(qū)加上一垂直紙面的磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場(圖中未畫)，熒光斑恰好回到熒光屏中心；接著再去掉電場，陰極射線向下偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角為θ。試解決下列問題： (1)說明陰極射線的電

7、性； (2)說明圖中磁場沿什么方向； (3)根據(jù)l、E、B和θ，求出陰極射線的比荷。 點撥：利用陰極射線在電場、磁場中的偏轉(zhuǎn)情況可以判斷陰極射線的電性以及陰極射線的比荷大小。 解析：(1)在電場中，由于陰極射線向上偏轉(zhuǎn)，因此陰極射線所受電場力的方向向上，又由于勻強電場方向向下，則電場力的方向與電場方向相反，所以陰極射線帶負(fù)電。 (2)由于所加磁場使陰極射線受到向下的洛倫茲力，由左手定則得磁場的方向垂直紙面向里。 (3)設(shè)此射線所帶電荷量為q，質(zhì)量為m，當(dāng)射線在D、G間做勻速直線運動時，由平衡條件得qE＝Bqv 當(dāng)射線在D、G間的磁場中偏轉(zhuǎn)時，由洛倫茲力提供向心力得Bqv＝

8、由幾何關(guān)系得l＝Rsin θ 解得＝。 答案：(1)負(fù)電　(2)垂直紙面向里　(3) 題后反思：利用磁偏轉(zhuǎn)測比荷，由qvB＝m得＝，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。 觸類旁通：如果在D、G間不加電場，而只加已知磁場，能否判斷陰極射線的電性？ 觸類旁通 【例題1】 答案：任何帶電體的電荷量只能是電子所帶電荷量的整數(shù)倍，即q＝ne。 【例題2】 解析：能。由陰極射線在已知磁場中的偏轉(zhuǎn)方向確定其所受洛倫茲力的方向，再根據(jù)左手定則同樣能判斷出陰極射線的電性。 1．1897年英國物理學(xué)家湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子并被稱為“電子之父”。下列關(guān)于電子的說法正確的是(　

9、　)。 A．湯姆孫通過陰極射線在電場和磁場中的運動得出了陰極射線是帶負(fù)電的粒子的結(jié)論，并求出了陰極射線的比荷 B．湯姆孫通過光電效應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)了電子 C．電子的質(zhì)量是質(zhì)子質(zhì)量的1 836倍 D．湯姆孫通過對用不同材料作陰極發(fā)出的射線的研究，說明電子是原子的組成部分，是比原子更基本的物質(zhì)單元 2．關(guān)于電荷的電荷量，下列說法錯誤的是(　　)。 A．電子的電荷量是由密立根油滴實驗測得的 B．物體所帶電荷量可以是任意值 C．物體所帶電荷量最小值為1.6×10－19 C D．物體所帶的電荷量都是元電荷的整數(shù)倍 3．如圖所示，在陰極射線管正上方平行放一條通有強電流的長直導(dǎo)線，則陰極射線

10、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) 4．關(guān)于空氣導(dǎo)電性能，下列說法正確的是(　　)。 A．空氣導(dǎo)電，是空氣分子中有的帶正電，有的帶負(fù)電，在強電場作用下向相反方向運動的結(jié)果 B．空氣能夠?qū)щ?，是空氣分子在射線或強電場作用下電離的結(jié)果 C．空氣密度越大，導(dǎo)電性能越好 D．空氣密度變得越稀薄，越容易發(fā)出輝光 5．陰極射線是從陰極射線管的陰極發(fā)出的粒子流，這些粒子是______。若加在陰極射線管內(nèi)兩個電極的電壓為1.6×106 V，電子離開陰極表面時的速度為零，則電子到達(dá)陽極時的速度v＝______ m/s。 答案：1．AD 2．B

11、　密立根油滴實驗測出了電子的電荷量為1.6×10－19 C，并提出了電荷量子化的觀點，因而選項A、C正確，B錯誤；任何物體的電荷量都是e的整數(shù)倍，故選項D項正確。 3．D　陰極射線是帶負(fù)電的電子，由安培定則和左手定則可判斷陰極射線向上偏轉(zhuǎn)。 4．BD　空氣是由多種氣體組成的混合氣體，在正常情況下，氣體分子不帶電(顯中性)，是較好的絕緣體。但在射線、受熱及強電場作用下，空氣分子被電離才具有導(dǎo)電功能，且空氣密度較大時，電離的自由電荷很容易與其他空氣分子碰撞，正、負(fù)電荷又重新復(fù)合，難以形成穩(wěn)定的放電電流，而電離后的自由電荷在稀薄氣體環(huán)境中導(dǎo)電性能更好，綜上所述，正確選項為B、D項。 5．解析：陰極射線是電子，由eU＝知v＝＝7.5×108 m/s。 答案：電子　7.5×108 5