高中物理 第十八章 原子結(jié)構(gòu) 1 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．陰極射線 (1)氣體的導(dǎo)電特點(diǎn)： 通常情況下，氣體是不導(dǎo)電的，但在強(qiáng)電場(chǎng)中，氣體能夠被電離而導(dǎo)電。 平時(shí)我們?cè)诳諝庵锌吹降姆烹娀鸹?，就是氣體電離導(dǎo)電的結(jié)果。在研究氣體放電時(shí)一般都用玻璃管中的稀薄氣體，導(dǎo)電時(shí)可以看到輝光放電現(xiàn)象。 (2)產(chǎn)生：在研究低于0.1 Pa氣壓以下氣體導(dǎo)電的玻璃管內(nèi)有陰、陽(yáng)兩極，當(dāng)兩極間加一定電壓時(shí)，陰極便發(fā)出一種射線，這種射線命名為陰極射線。 (3)陰極射線的特點(diǎn)：碰到熒光物質(zhì)能使其發(fā)光。 【例1】 關(guān)于空氣導(dǎo)電性能，下列說(shuō)法正確的是(　　) A．空氣導(dǎo)電，因?yàn)榭諝夥肿又杏械膸д?，有的帶?fù)電，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下向相反方向運(yùn)動(dòng)的

2、結(jié)果 B．空氣能夠?qū)щ?，是因?yàn)榭諝夥肿釉谏渚€或強(qiáng)電場(chǎng)作用下電離的結(jié)果 C．空氣密度越大，導(dǎo)電性能越好 D．空氣越稀薄，越容易發(fā)出輝光 解析：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(qiáng)電場(chǎng)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(shí)，電離的自由電荷很容易與其他空氣分子碰撞，正、負(fù)電荷重新復(fù)合，難以形成穩(wěn)定的放電電流，因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，正確答案為B、D。 答案：BD 2．電子 (1)電子：從陰極射線管中射出的粒子稱(chēng)為電子。 注意：電子是原子的組成部分，是比原子更基本

3、的物質(zhì)微粒。 (2)電子的電荷和質(zhì)量 ①電子的電荷量：e＝1.6×10－19 C； ②電子的質(zhì)量：me＝9.1×10－31 kg； ③電子的比荷：e/me＝1011 C/kg。 (3)密立根油滴實(shí)驗(yàn) ①美國(guó)物理學(xué)家密立根在1910年通過(guò)著名的油滴實(shí)驗(yàn)精確測(cè)定了電子的電荷量。 ②密立根實(shí)驗(yàn)的重要意義：發(fā)現(xiàn)電荷是量子化的，即任何電荷只能是e的整數(shù)倍。 【例2】 電子所帶電荷量的精確數(shù)值最早是由美國(guó)物理學(xué)家密立根通過(guò)油滴實(shí)驗(yàn)得到的。他測(cè)定了數(shù)千個(gè)帶電油滴的電荷量，發(fā)現(xiàn)這些電荷量都等于某個(gè)最小電荷量的整數(shù)倍。這個(gè)最小電荷量就是電子所帶的電荷量。密立根實(shí)驗(yàn)的原理如圖所示，A、B是兩塊平行

4、放置的水平金屬板，A板帶正電，B板帶負(fù)電。從噴霧器嘴噴出的小油滴，落到A、B兩板之間的電場(chǎng)中。小油滴由于摩擦而帶負(fù)電，調(diào)節(jié)A、B兩板間的電壓，可使小油滴受到的電場(chǎng)力和重力平衡。已知小油滴靜止處的電場(chǎng)強(qiáng)度是1.92×103 N/C，油滴半徑是1.64×10－4 cm。油的密度是0.851 g/cm3，求油滴所帶的電荷量。這個(gè)電荷量是電子電荷量的多少倍？ 解析：小油滴質(zhì)量m＝ρV＝ρ·πr3 由題意知mg＝qE 由以上兩式可得q＝ 代入數(shù)值得q＝8.02×10－19 C ＝＝5，即小油滴所帶電荷量q是電子電荷量e的5倍。 答案：q＝8.02×10－19 C　5倍 3．陰極射線電性

5、的判定 判斷粒子帶電正負(fù)的辦法是可以讓粒子以一定的初速度垂直電場(chǎng)線射入電場(chǎng)中，向正極偏轉(zhuǎn)的粒子帶負(fù)電；也可以讓粒子以一定的初速度垂直于磁感線方向射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)，可以根據(jù)粒子的偏轉(zhuǎn)方向 ，用左手定則判斷粒子帶電性質(zhì)。 【例3】 如圖所示，一支陰極射線管左側(cè)不斷有電子射出，若在管的正下方放一通電直導(dǎo)線AB時(shí)，發(fā)現(xiàn)射線徑跡下偏，則(　　) A．導(dǎo)線中的電流由A流向B B．導(dǎo)線中的電流由B流向A C．若要使電子束的徑跡往上偏，可以通過(guò)改變AB中的電流方向來(lái)實(shí)現(xiàn) D．電子束的徑跡與AB中的電流方向無(wú)關(guān) 解析：電子向右運(yùn)動(dòng)，受到的洛倫茲力向下，根據(jù)左手定則知，在AB上方有垂直紙面向里的磁場(chǎng)

6、，再根據(jù)右手螺旋定則判斷電流方向由B→A。故B、C選項(xiàng)正確。 答案：BC 4．測(cè)陰極射線微粒的比荷 (1)實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。 (2)原理與方法： 質(zhì)量為m、電荷量為q的帶負(fù)電的粒子以速度v垂直進(jìn)入D1D2間的勻強(qiáng)電場(chǎng)E，僅受電場(chǎng)力作用偏轉(zhuǎn)到P2點(diǎn)，做類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng)。 在垂直電場(chǎng)方向加一垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)B，使粒子不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，沿直線運(yùn)動(dòng)到P1點(diǎn)，則有： v＝① 當(dāng)撤去電場(chǎng)，只留磁場(chǎng)時(shí)，粒子在D1、D2間的磁場(chǎng)中形成一個(gè)半徑為r的圓弧，出磁場(chǎng)后落在P3點(diǎn)， 則粒子滿(mǎn)足： qvB＝② 聯(lián)立①②兩式得 ＝③ ③式即為求陰極射線比荷的關(guān)系式，其中E由兩極板間電壓和極板間

7、距求出。 B由形成磁場(chǎng)的電流求出。 r由射線打在屏上P3點(diǎn)的位置算出。 【例4】 如圖所示為湯姆孫用來(lái)測(cè)定電子比荷的裝置。當(dāng)極板P和P′間不加偏轉(zhuǎn)電壓時(shí)，電子束打在熒光屏的中心O點(diǎn)處，形成一個(gè)亮點(diǎn)；加上偏轉(zhuǎn)電壓U后，亮點(diǎn)偏離到O′點(diǎn)，O′點(diǎn)到O點(diǎn)的豎直距離為d，水平距離可忽略不計(jì)；此時(shí)在P與P′之間的區(qū)域里再加上一個(gè)方向垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，調(diào)節(jié)磁感應(yīng)強(qiáng)度，當(dāng)其大小為B時(shí)，亮點(diǎn)重新回到O點(diǎn)。已知極板水平方向長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，極板間距為b，極板右端到熒光屏的距離為L(zhǎng)2。 (1)求打在熒光屏O點(diǎn)的電子速度的大小； (2)推導(dǎo)出電子比荷的表達(dá)式。 解析：(1)當(dāng)電子受到的電場(chǎng)力與洛倫茲

8、力平衡時(shí)，電子做勻速直線運(yùn)動(dòng)，亮點(diǎn)重新回到中心O點(diǎn)，設(shè)電子的速度為v，則evB＝eE，得v＝，即v＝。(2)當(dāng)極板間僅有偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)時(shí)，電子以速度v進(jìn)入后，豎直方向做勻加速運(yùn)動(dòng)，加速度為a＝。電子在水平方向做勻速運(yùn)動(dòng)，在電場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t1＝。這樣，電子在電場(chǎng)中，豎直向上偏轉(zhuǎn)的距離為d1＝at＝。離開(kāi)電場(chǎng)時(shí)豎直向上的分速度為v⊥＝at1＝。電子離開(kāi)電場(chǎng)后做勻速直線運(yùn)動(dòng)，經(jīng)t2時(shí)間到達(dá)熒光屏。t2＝。t2時(shí)間內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)的距離為d2＝v⊥t2＝。這樣，電子向上的總偏轉(zhuǎn)距離為d＝d1＋d2＝L1(L2＋)，可解得＝。 答案：(1)　(2) 5．用洛倫茲力實(shí)驗(yàn)儀測(cè)電子比荷 如圖所示，質(zhì)量為m、

9、電荷量為q的帶電粒子以速率v垂直進(jìn)入洛倫茲力實(shí)驗(yàn)儀中，如果粒子僅受磁場(chǎng)力作用，將做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，只要確定了粒子運(yùn)動(dòng)的速率及半徑與加速電壓，就可以測(cè)出比荷。 電子在加速電場(chǎng)中： qU＝mv2，v＝， 洛倫茲力提供向心力：qvB＝，則＝。 【例5】 顯像管的工作原理是陰極發(fā)射的電子束經(jīng)高壓加速電場(chǎng)(電壓U)加速后，垂直正對(duì)圓心進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B、半徑為r的圓形勻強(qiáng)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，如圖所示。偏轉(zhuǎn)后轟擊熒光屏P，熒光粉受激發(fā)而發(fā)光，在極短的時(shí)間內(nèi)完成一幅畫(huà)面的掃描。有時(shí)所生產(chǎn)的陰極材料中會(huì)有少量SO，SO打在熒光屏上出現(xiàn)暗斑，稱(chēng)為離子斑。若發(fā)生上述情況，試分析暗斑出現(xiàn)在熒光屏中央的原因。(電子質(zhì)量為9.1×10－31 kg，SO的質(zhì)量為1.6×10－25 kg) 解析：設(shè)質(zhì)量為m、電荷量為q的粒子經(jīng)電場(chǎng)加速后進(jìn)入偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，則qU＝mv2① 經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)區(qū)域后偏轉(zhuǎn)半徑為R，偏角為θ，如圖所示 R＝② tan＝③ 聯(lián)立①②③得tan＝Br 設(shè)電子帶電荷量為e，偏角為θ，則SO帶電荷量為2e，偏角為θ2，則tan∶tan＝∶＝2.96×102 由數(shù)學(xué)知識(shí)不難判斷，SO射出磁場(chǎng)后偏角相對(duì)于電子很小，即SO打在熒光屏中央位置及附近區(qū)域。 答案：見(jiàn)解析 4