2019届高中物理第十八章原子结构第1节电子的发现讲义含解析选修 9页

电子的发现阴极射线[探新知·基础练]1．演示实验如图所示，真空玻璃管中K是金属板制成的阴极，接感应圈的负极，A是金属环制成的阳极，接感应圈的正极，接电源后，线圈会产生近万伏的高电压加在两极间。可观察到玻璃壁上淡淡的荧光及管中物体在玻璃壁上的影子。2．阴极射线荧光的实质是由于玻璃受到阴极发出的某种射线的撞击而引起的，这种射线被命名为阴极射线。[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)1．阴极射线就是电子流。(√)2．汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子。(√)[释疑难·对点练]1．对阴极射线本质的认识——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——汤姆孙，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判断方法(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化和电场的情况确定其带电的性质。(2)方法二：在阴极射线所经区域加一磁场，根据亮点位置的变化和左手定则确定其带电的性质。3．实验结果根据阴极射线在电场中和磁场中的偏转情况，判断出阴极射线是粒子流，并且带负电。[试身手]1.阴极射线从阴极射线管中的阴极发出，在其间的高电压下加速飞向阳极，如图所示。若要使射线向上偏转，所加磁场的方向应为(　　)A．平行于纸面向左　　　B．平行于纸面向上C．垂直于纸面向外D．垂直于纸面向里n解析：选C　由于阴极射线的本质是电子流，阴极射线方向向右，说明电子的运动方向向右，相当于存在向左的电流，利用左手定则，为使电子所受洛伦兹力方向平行于纸面向上，可知磁场方向应为垂直于纸面向外，故C正确。电子的发现[探新知·基础练]1．汤姆孙的探究方法及结论(1)根据阴极射线在电场和磁场中偏转情况断定，它的本质是带负电的粒子流，并求出了这种粒子的比荷。(2)换用不同材料的阴极做实验，所得比荷的数值都相同，是氢离子比荷的近两千倍。(3)结论：阴极射线粒子带负电，其电荷量的大小与氢离子大致相同，而质量比氢离子小得多，后来组成阴极射线的粒子被称为电子。2．汤姆孙的进一步研究汤姆孙又进一步研究了许多新现象，证明了电子是原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元。3．电子的电荷量及电荷量子化(1)电子电荷量：1910年前后由密立根通过著名的油滴实验得出，电子电荷的现代值为e＝1.602×10－19_C。(2)电荷是量子化的，即任何带电体的电荷只能是e的整数倍。(3)电子的质量：me＝9.1093897×10－31kg，质子质量与电子质量的比值为＝1_836。[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)1．阴极射线就是X射线。(×)2．汤姆孙用电磁场知识测定了阴极射线的比荷，认定阴极射线为电子。(√)[释疑难·对点练]带电粒子比荷的测定方法(1)让粒子通过正交的电磁场(如图所示)，让其做直线运动，根据二力平衡，即F洛＝F电(Bqv＝qE)，得到粒子的运动速度v＝。(2)在其他条件不变的情况下，撤去电场(如图所示)，保留磁场让粒子单纯地在磁场中运动，由洛伦兹力提供向心力即Bqv＝，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径r。(3)由以上两式确定粒子的比荷表达式：＝，最后经定量计算汤姆孙认定组成阴极射线的粒子为电子。n[试身手]2．关于电荷的电荷量下列说法错误的是(　　)A．电子的电量是由密立根油滴实验测得的B．物体所带电荷量可以是任意值C．物体所带电荷量最小值为1.6×10－19CD．物体所带的电荷量都是元电荷的整数倍解析：选B　密立根的油滴实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，因而A对，B错，C对；任何物体的电荷量都是元电荷的整数倍，故D对。对阴极射线的认识[典例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，发现射线的轨迹往下偏，则(　　)A．导线中的电流由A流向BB．导线中的电流由B流向AC．若要使电子束的轨迹往上偏，可以通过改变AB中的电流方向来实现D．电子束的轨迹与AB中电流方向无关[思路点拨]　根据阴极射线的性质和左手定则进行判断。[解析]选BC　阴极射线是高速电子流，由左手定则判断可知，管内磁场垂直纸面向里，由安培定则可知，AB中的电流由B流向A，且改变AB中的电流方向时可以使电子束的轨迹往上偏。故选项B、C正确。(1)阴极射线不能误认为是X射线。(2)当阴极射线穿过电场或磁场区域时，其重力远小于电场力或洛伦兹力，因此一般不考虑。带电粒子比荷的测定[典例2]　如图所示为汤姆孙用来测定电子比荷的装置。当极板P和P′间不加偏转电压时，电子束打在荧光屏的中心O点处，形成一个亮点；加上偏转电压U后，亮点偏离到O′点，O′点到O点的竖直距离为d，水平距离可忽略不计；此时在P与P′之间的区域里再加上一个方向垂直于纸面向里的匀强磁场，调节磁感应强度，当其大小为B时，亮点重新回到O点。已知极板水平方向长度为L1，极板间距为b，极板右端到荧光屏的距离为L2。n(1)求打在荧光屏O点的电子速度的大小。(2)推导出电子比荷的表达式。[思路点拨]　解答本题应注意以下两点：(1)利用电子在正交的电场和磁场中的受力平衡可求电子的速度。(2)只有电场时用运动的合成与分解的观点求解，确定出电子的比荷。[解析]　(1)电子在正交的匀强电场和匀强磁场中做匀速直线运动，有Bev＝Ee＝e，得v＝即打到荧光屏O点的电子速度的大小为。(2)当极板间仅有偏转电场时，电子以速度v进入后，竖直方向做匀加速运动，加速度为a＝电子在水平方向做匀速运动，在电场内的运动时间为t1＝电子在电场中，竖直向上偏转的距离为d1＝at12＝××＝离开电场时，竖直向上的分速度为v1＝at1＝电子离开电场后做匀速直线运动，经t2时间到达荧光屏，t2＝t2时间内向上运动的距离为d2＝v1t2＝电子向上的总偏转距离为d＝d1＋d2＝(2L2＋L1)解得＝。[答案]　(1)　(2)＝n[课堂对点巩固]1．如图所示，一玻璃管中有从左向右的可能是电磁波或某种粒子流形成的射线，若在其下方放一通电直导线AB，射线发生如图所示的偏转，AB中的电流方向由B到A，则该射线的本质为(　　)A．电磁波B．带正电的高速粒子流C．带负电的高速粒子流D．不带电的高速中性粒子流解析：选C　射线在电流形成的磁场中发生偏转，即可确定该射线是由带电粒子构成的粒子流。根据安培定则可知，玻璃管中的磁场是垂直于纸面向里的。粒子向下偏转，洛伦兹力方向向下，由左手定则可知射线所形成的电流方向向左，与粒子的运动方向相反，故粒子带负电。C正确。2．(多选)关于阴极射线的性质，判断正确的是(　　)A．阴极射线带负电B．阴极射线带正电C．阴极射线的比荷比氢原子比荷大D．阴极射线的比荷比氢原子比荷小解析：选AC　通过让阴极射线在电场、磁场中的偏转的研究发现阴极射线带负电，而且比荷比氢原子的比荷大得多，故A、C正确，B、D错误。3.如图所示，电子以初速度v0从O点进入长为l、板间距离为d、电势差为U的平行板电容器中，出电场时打在屏上P点，经测量O′P距离为Y0。求电子的比荷。解析：由于电子在电场中做类平抛运动，沿电场线方向做初速度为零的匀加速直线运动，满足Y0＝at2＝·2＝，则＝。答案：n[课堂小结][课时跟踪检测九]一、单项选择题1．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射线解析：选C　阴极射线是原子受到激发而射出的电子流。关于阴极射线是电磁波、X射线等都是研究阴极射线过程中的一些猜想，后来经证明都是错的。C正确。2．如图是电子射线管示意图，接通电源后，电子射线由阴极沿x轴正方向射出，在荧光屏上会看到一条亮线。要使荧光屏上的亮线向下(z轴负方向)偏转，在下列措施中可采用的是(　　)A．加一磁场，磁场方向沿z轴负方向B．加一磁场，磁场方向沿y轴正方向C．加一电场，电场方向沿z轴负方向D．加一电场，电场方向沿y轴正方向解析：选B　由于电子沿x轴正方向运动，使电子射线向下偏转，则所受洛伦兹力向下，由左手定则可知磁场方向应沿y轴正方向；若加电场使电子射线向下偏转，所受电场力方向向下，则所加电场方向应沿z轴正方向，由此可知B正确。3．向荧光屏上看去，电子向我们飞来，在偏转线圈中通以如图所示的电流，电子的偏转方向为(　　)n　　　　　　　　　　　　　　　　A．向上B．向下C．向左D．向右解析：选A　根据安培定则，偏转线圈右侧为N极、左侧为S极，在环内产生水平向左的匀强磁场，利用左手定则可知，电子向上偏转，选项A正确。4．关于密立根“油滴实验”的科学意义，下列说法不正确的是(　　)A．测得了电子的电荷量B．首先测得了电子的比荷C．为电子质量的最终获得做出了突出贡献D．为人类进一步研究原子的结构提供了一定的理论依据解析：选B　密立根通过油滴实验测定了电子电荷量并发现电荷是量子化的，结合比荷，进一步可以确定电子质量；电子的比荷是由汤姆孙首先测出的。只有B不正确。二、多项选择题5．关于空气导电性能，下列说法正确的是(　　)A．空气导电，是因为空气分子中有的带正电，有的带负电，在强电场作用下向相反方向运动的结果B．空气能够导电，是因为空气分子在射线或强电场作用下电离的结果C．空气密度越大，导电性能越好D．空气密度变得越稀薄，越容易发出辉光解析：选BD　空气是由多种气体组成的混合气体，在正常情况下，气体分子不带电(显中性)，是较好的绝缘体。但在射线、受热及强电场作用下，空气分子被电离，才具有导电功能，且空气密度较大时，电离的自由电荷很容易与其他空气分子碰撞，正、负电荷重新复合，难以形成稳定的放电电流，而电离后的自由电荷在稀薄气体环境中导电性能更好，综上所述，B、D正确。6．下列是某实验小组测得的一组电荷量，哪些是符合事实的(　　)A．＋3×10－19CB．＋4.8×10－19CC．－3.2×10－26CD．－4.8×10－19C解析：选BD　电荷是量子化的，任何带电体所带电荷量只能是元电荷的整数倍。1.6×10－19C是目前为止自然界中最小的电荷量，故B、D正确。7.如图所示，从正离子源发射的正离子经加速电压U加速后进入相互垂直的匀强电场E和匀强磁场B中，发现离子向上偏转，要使此离子沿直线穿过电场，则下列说法正确的是(　　)A．增大电场强度E，减小磁感应强度BB．减小加速电压U，增大电场强度EnC．适当地加大加速电压UD．适当地减小电场强度E解析：选CD　正离子进入相互垂直的匀强电场和匀强磁场区域中，受到的电场力F＝qE，方向向上，受到的洛伦兹力F洛＝qvB，方向向下，离子向上偏，说明电场力大于洛伦兹力。要使离子沿直线运动，即qE＝qvB，则只有使洛伦兹力增大或电场力减小，增大洛伦兹力的途径是增大加速电压U或增大磁感应强度B，减小电场力的途径是减小电场强度E。选项C、D正确。三、非选择题8．密立根用喷雾的方法获得了带电油滴，然后把这些带不同质量和电荷量的油滴置入电场中，通过电场力和重力平衡的方法最终测得带电油滴的电荷量。假设在某次测量中，他得到了如下的数据，你根据这些数据能得出什么结论呢？液滴编号12345…电荷量(C)6.41×10－199.70×10－193.20×10－194.81×10－191.60×10－19…解析：研究这些数据发现，它们都可认为是1.60×10－19的整数倍，从而得出电荷的最小带电单位是1.60×10－19C，即e＝1.60×10－19C。答案：见解析9.如图所示，让一束均匀的阴极射线以速率v垂直进入正交的电、磁场中，选择合适的磁感应强度B和电场强度E，带电粒子将不发生偏转，然后撤去电场，粒子将做匀速圆周运动，测得其半径为R，求阴极射线中带电粒子的比荷。解析：因为带电粒子在复合场中时不偏转，所以qE＝qvB，即v＝，撤去电场后，粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，则qvB＝m。由此可得＝。答案：10.n电子所带电量的精确数值最早是由美国物理学家密立根通过油滴实验测得的。他测定了数千个带电油滴的电量，发现这些电量都等于某个最小电量的整数倍。这个最小电量就是电子所带的电量。密立根实验的原理如图所示，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，调节A、B两板间的电压，可使小油滴受到的电场力和重力平衡。已知小油滴静止处的电场强度是1.92×105N/C，油滴半径是1.64×10－4cm，油的密度是0.851g/cm3，求油滴所带的电量；这个电量是电子电量的多少倍？(g取9.8m/s2)解析：小油滴质量为m＝ρV＝ρ·πr3由题意得mg＝Eq联立解得q＝≈8.02×10－19C。小油滴所带电量q是电子电量e的倍数为n＝＝≈5。答案：8.02×10－19C　5