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，氣體是不導電的，但在強電場條件下，氣體能夠______而導電。 2．研究氣體放電時，一般都用稀薄氣體，導電時可以看到______放電現(xiàn)象。 3．在研究氣體導電的玻璃管內(nèi)有陰、陽兩極，當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(負極)，在相距一定距離的地方設一個正極，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、負電荷。油滴從噴霧器噴出后，由于摩擦而帶電，油滴進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)設此射線所帶電荷量為q，質(zhì)量為m，當射線在D、G間做勻速直線運動時，由平衡條件得qE＝Bqv 當射線在D、G間的磁場中偏轉(zhuǎn)時，由洛倫茲力提供向心力得Bqv＝

8、由幾何關系得l＝Rsin θ 解得＝。 答案：(1)負電　(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年英國物理學家湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子并被稱為“電子之父”。下列關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．關于空氣導電性能，下列說法正確的是(　　)。 A．空氣導電，是空氣分子中有的帶正電，有的帶負電，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姡强諝夥肿釉谏渚€或強電場作用下電離的結(jié)果 C．空氣密度越大，導電性能越好 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、負電荷又重新復合，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