2019-2020学年高中物理第18章原子结构第1节电子的发现课件 人教版选修3-5 54页

第 1 节　电子的发现 [ 学习目标 ] 1. 知道阴极射线是由电子组成的，电子是原子的组成部分．　 2. 知道汤姆孙研究阴极射线发现电子的实验及理论推导的过程与方法．　 3. 了解电子的发现对揭示原子结构的重大意义．　 要点一　阴极射线 课前教材预案 阴极　 阳极　 2 ． 实验现象 ：玻璃壁上出现淡淡的 ________ 及管中物体在玻璃壁上的影． 3 ． 阴极射线 荧光的实质是由于玻璃受到 ________ 发出的某种射线的撞击而引起的，这种射线被命名为 ____________ ． 荧光　 阴极　 阴极射线　 1 ． 汤姆孙的探究方法 (1) 让阴极射线分别通过电场或磁场，根据 ________ 现象，证明它是 __________ 的粒子流并求出了其比荷． (2) 换用不同的阴极做实验，所得 ________ 的数值都相同，是氢离子比荷的近 ________ 倍． 偏转　 要点二　电子的发现 带负电　 比荷　 两千　 (3) 汤姆孙研究的新现象：如光电效应、热离子发射效应和 β 射线等．发现不论阴极射线、 β 射线、光电流还是热离子流，它们都包含 ________ ． 电子　 2 ． 密立根 “ 油滴实验 ” (1) 精确测定 ____________ ． (2) 电荷是 __________ 的． 电子电荷　 量子化　 3 ． 电子的有关常量 问题与思考 1 ．判断下列说法的正误 (1) 阴极射线是由电子组成的 ( 　　 ) (2) 不同物质中具有不同的电子 ( 　　 ) (3) 任何物质中均有电子 ( 　　 ) 答案　 (1) 汤姆孙对不同材料发出的阴极射线进行研究，均为同一种相同的粒子 —— 电子， (1) 正确． (2) 不同物质中都具有相同的电子， (2) 错误． (3) 电子是构成物质的基本单元，任何物质中均有电子， (3) 正确． 2 ．根据带电粒子在电、磁场中的运动规律，哪些方法可以判断运动的带电粒子所带电荷的性质？ 答案　 带电粒子垂直进入匀强电场时，正、负电荷的偏转方向不同，偏转方向与场强方向相同的粒子带正电，偏转方向与场强方向相反的粒子带负电．带电粒子垂直磁场方向进入匀强磁场时，所受洛伦兹力提供向心力，根据左手定则可以判断其电性． 课堂深度拓展 考点一　对阴极射线本质的认识 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，他认为这种射线的本质是一种电磁辐射． (2) 粒子说，代表人物 —— 汤姆孙，他认为这种射线的本质是一种带电粒子流． 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，判断出阴极射线是带电粒子流，并且带负电． 【例题 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 ．平行于纸面向下　 B ．平行于纸面向上 C ．垂直于纸面向外 D ．垂直于纸面向里 答案　 C 　 解析　 由于阴极射线的本质是电子流，阴极射线方向向右传播，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，使电子所受洛伦兹力方向平行于纸面向上，由此可知磁场方向应为垂直于纸面向外，选项 C 正确． 【变式 1 】　 下列对阴极射线的认识正确的是 ( 　　 ) A ．阴极射线是由阴极发出的粒子撞击玻璃管壁上的荧光物质而产生的 B ．只要阴阳两极间加有电压，就会有阴极射线产生 C ．阴极射线可以穿透薄铝片，这说明它是电磁波 D ．阴阳两极间加有高压时，电场很强，阴极中的电子受到很强的库仑力作用而脱离阴极 答案　 D 　 解析　 阴极射线是由阴极直接发出的，选项 A 错误；只有当两极间加有高压且阴极接电源负极时，阴极中的电子才会受到足够大的库仑力作用而脱离阴极成为阴极射线，选项 B 错误， D 正确；可以穿透薄铝片的可能是电磁波，也可能是更小的粒子，选项 C 错误． 1 ． 阴极射线中的粒子电性的研究 为了研究阴极射线中粒子的带电性质，汤姆孙设计了如图所示的装置．从阴极发出的阴极射线，经过与阳极相连的小孔，射到管壁上，产生荧光斑点．用磁铁使射线偏转，进入集电圆筒．静电计检测的结果表明，收集到的是负电荷． 考点二　电子比荷的测定 甲 乙 3 ． 实验结果 (1) 实验发现，不同材料制成的阴极发出的射线都带负电，并且都有相同的比荷．这说明不同物质都能发射这种带电粒子，它是构成各种物质的共有成分．后来，组成阴极射线的粒子被称为电子． (2) 汤姆孙测出的阴极射线粒子的比荷约为 2×10 11 C/kg ，是当时已知的氢离子比荷的近两千倍，后来，又通过实验证实阴极射线粒子与氢离子的电荷量相等，可见阴极射线粒子的质量只比最轻原子的质量的两千分之一稍多一点． 【例题 2 】 在汤姆孙测量阴极射线比荷的实验中，采用了如图所示的阴极射线管，从 C 出来的阴极射线经过 A 、 C 间的电场加速后，水平射入长度为 L 的 D 、 G 平行板间，接着在荧光屏 F 中心出现荧光斑．若在 D 、 G 间加上方向向下，场强为 E 的匀强电场，阴极射线将向上偏转；如果再利用通电线圈在 D 、 G 电场区加上一垂直纸面的磁感应强度为 B 的匀强磁场 ( 图中未画出 ) ，荧光斑恰好回到荧光屏中心，接着再去掉电场，阴极射线向下偏转，偏转角为 θ ，试解决下列问题： (1) 说明阴极射线的电性； (2) 说明图中磁场沿什么方向； (3) 根据 L 、 E 、 B 和 θ ，求出阴极射线的比荷． 解析　 (1) 由于阴极射线向上偏转，因此所受电场力方向向上，又由于匀强电场方向向下，则电场力的方向与电场方向相反，所以阴极射线带负电． (2) 由于所加磁场使阴极射线受到向下的洛伦兹力，由左手定则得磁场的方向垂直纸面向里． (3) 设此射线带电量为 q ，质量为 m ，当射线在 D 、 G 间做匀速直线运动时，有 qE ＝ Bq v ， ① 【变式 2 】 如图所示，让一束均匀的阴极射线从两极板正中间垂直穿过正交的电磁场，选择合适的磁感应强度 B 和两极之间的电压 U ，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，并垂直打到极板上，两极板之间的距离为 d ，求阴极射线中带电粒子的比荷． 1 ． 密立根实验的原理 (1) 如图所示，两块平行放置的水平金属板 A 、 B 与电源相连接，使 A 板带正电， B 板带负电．从喷雾器喷嘴喷出的小油滴经上面的金属板中间的小孔，落到两板之间的匀强电场中． 考点三　电子电荷量的测定 2 ． 密立根实验更重要的发现 电荷是量子化的，即任何电荷的电荷量只能是元电荷 e 的整数倍，并求得了元电荷即电子或质子所带的电荷量 e ． 密立根的 “ 油滴实验 ” 中易忽视带电油滴的重力，从而使问题无从下手，像油滴、尘埃、小颗粒、小球等宏观物体除特别说明外都要考虑重力． 【例题 3 】　 电子所带电量的精确值，最早是由美国物理学家密立根通过油滴实验测得的，他测定了上千个带电油滴的电量，发现这些电量都等于某个最小的电量的整数倍，这个最小电量值就是电子所带的电量．一个半径为 1.64×10 － 4 cm 的带负电油滴，在电场强度等于 1.92×10 5 V/m 且电场方向竖直向下的匀强电场中． 如果油滴受到的库仑力恰好与重力平衡，问这个油滴带有几个电子的电量？ ( 已知油滴的密度为 0.851×10 3 kg/m 3 ， g 取 10 m/s 2 ) 解析　 油滴的体积 V ＝ π r 3 ＝ × 3.14 × (1.64 × 10 － 4 × 10 － 2 ) 3 m 3 ＝ 1.847 × 10 － 17 m 3 ． 答案　 5 个 【变式 3 】　 密立根用喷雾的方法获得了带电液滴，然后把这些带有不同电荷量和质量的液滴置于电场中，通过电场力和重力平衡的方法最终测得了带电液滴带的电荷量．某次测量中，他得到了如下数据，则可得出结论为： ________________________________. 液滴编号 电荷量 /C 1 6.41 × 10 － 19 2 9.70 × 10 － 19 3 1.6 × 10 － 19 4 4.82 × 10 － 19 … … 答案　 电荷是量子化的，电荷的电荷量都是元电荷 e 的整数倍 1 ． 1897 年英国物理学家汤姆孙发现了电子被称为“电子之父”．汤姆孙对阴极射线本质的研究，采用的主要方法有 ( 　　 ) A ．用阴极射线轰击金箔，观察其散射情况 B ．用“油滴实验”精确测定电子电荷量 课末随堂演练 C ．让阴极射线通过电场和磁场，利用阴极射线的偏转情况判断其电性并计算其比荷 D ．用阴极射线轰击荧光物质，对荧光物质发出的光进行光谱分析 答案　 C 　 解析　 汤姆孙是通过对阴极射线在电场和磁场中的偏转情况的研究，来判断其电性和计算其比荷的，选项 C 正确． 2 ．如图所示是阴极射线管示意图，接通电源后，阴极射线由阴极沿 x 轴正方向射出，在荧光屏上会看到一条亮线．现因某种原因，荧光屏上的亮线向下 ( z 轴负方向 ) 偏转，则下列判断正确的是 ( 　　 ) A ．存在一磁场，磁场方向沿 z 轴负方向 B ．存在一磁场，磁场方向沿 y 轴正方向 C ．存在一电场，电场方向沿 z 轴负方向 D ．存在一电场，电场方向沿 y 轴正方向 答案　 B 　 解析　 阴极射线由阴极沿 x 轴正方向射出，阴极射线本质是电子流，带负电，若是洛伦兹力使阴极射线向下偏转，洛伦兹力应向下， 由左手定则可知磁场方向应沿 y 轴正方向；若是电场力使阴极射线向下偏转，电场力方向也应向下，则电场方向应沿 z 轴正方向，由此可知，选项 B 正确． 3 ． ( 多选 ) 英国物理学家汤姆孙通过对阴极射线的实验研究发现 ( 　　 ) A ．阴极射线在电场中偏向正极板一侧 B ．阴极射线在磁场中受力情况跟正电荷受力情况相同 C ．不同材料所产生的阴极射线的比荷不同 D ．汤姆孙并未得出阴极射线粒子的电荷量 答案　 AD 　 解析　 阴极射线实质上就是高速电子流，所以在电场中偏向正极板一侧，选项 A 正确；由于电子带负电，所以其受力情况与正电荷不同，选项 B 错误；不同材料所产生的阴极射线都是电子，所以它们的比荷是相同的，选项 C 错误；在汤姆孙实验证实阴极射线就是带负电的电子时并未得出电子的电荷量，最早测量电子电荷量的是美国科学家密立根，选项 D 正确． 4 ．密立根油滴实验原理如图所示，两块水平放置的金属板分别与电源的正、负极相接，板间距离为 d ，板间电压为 U ，形成竖直向下、场强为 E 的匀强电场．用喷雾器从上板中间的小孔喷入大小、质量和电荷量各不相同的油滴．通过显微镜可找到悬浮不动的油滴，若此悬浮油滴的质量为 m ，重力加速度为 g ，则下列说法正确的是 ( 　　 ) 答案　 C 　 5 ．如图所示，让一束均匀的阴极射线垂直穿过正交的电磁场，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．