2020学年高中物理 第二章 原子结构 第1节 电子教案 教科版选修3-5 10页

第二章 原子结构 一、电子的发现 教学目标 1、了解人类认识物质组成的一个重要历史过程——电子的发现 2、知道如何确定阴极射线粒子流的电荷的性质，知道如何确定电子的电荷量和 质量，知道电子质量和电荷量的大小 重点难点 重点：阴极射线的研究、电子发现过程蕴含的科学方法 难点：汤姆孙发现电子的理论推导 设计思想 本节由阴极射线和电子的发现两部分内容。重点是电子的发现过程蕴含的科学 方法。首先通过实验说明阴极射线的存在，然后介绍英国物理学家 J.J 汤姆孙的两 个实验来确定射线的带电性质，最后通过比荷的测定确认电子是原子的组成部分， 原子并不是组成物质的最小微粒。 设计时注重物理史实的介绍和研究，突出前人研究的思路和方法。但由于条件 的限制，几乎不可能在课堂上还原相关的实验。但教师应当通过适当的方式帮助学 生理解实验的原理和方法，训练学生科学的思维品质。 教学资源 多媒体课件 教学设计 【课堂引入】 很早以来，人们一直认为构成物质的最小粒子是原子，原子是一种不可再分割 的粒子。这种认识一直统治了人类思想近两千年。直到 19 世纪末，科学家对实验中 的阴极射线深入研究时，发现了电子，使人类对微观世界有了新的认识。电子的发 现是 19 世纪末、20 世纪初物理学三大发现之一。 【课堂学习】 学习活动一：阴极射线的研究 问题一：射线从何而来的？ 气体分子在高压电场下可以发生电离，使本来不带电的空气分子变成具有等量 正、负电荷的带电粒子，使不导电的空气变成导体。 史料：1858 年德国物理学家普吕克尔较早发现了气体导电时的辉光放电现象。 德国物理学家戈德斯坦研究辉光放电现象时认为这是从阴极发出的某种射线引起的。 所以他把这种未知射线称之为阴极射线。 问题二：射线是粒子还是电磁波？带电吗？ 对于阴极射线的本质，有大量的科学家作出大量的科学研究，主要形成了两种 观点。 （1）电磁波说：代表人物，赫兹。认为这种射线的本质是一种电磁波的传播过 程。 （2）粒子说：代表人物，汤姆孙。认为这种射线的本质是一种高速粒子流。 思考：你能否设计一个实验来进行阴极射线的研究，能通过实验现象来说明这 种射线是一种电磁波还是一种高速粒子流。 如果出现什么样的现象就可以认为这是一种电磁波，如果出现其他什么样的现 象就可以认为这是一种高速粒子流，并能否测定这是一种什么粒子。 问题三：汤姆生是如何确定射线的性质和电性的。 小结：汤姆生使阴极射线在电场和磁场中产生偏转，来确定射线微粒的带 扬中 电性质。实验表明，阴极射线就是带负电的粒子流。 学习活动二：射线微粒比荷的测定 问题一：什么是比荷？测定比荷对确定微粒的性质有何意义？ 问题二：如何利用磁场或电场确定电子的比荷？ 英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子。 （1）当在平行极板上加一如图所示的电场，发现阴极射线打在荧光屏上的位置 向下偏，则可判定，阴极射线带有负电荷。 （2）为使阴极射线不发生偏转，则请思考可在平行极板区域采取什么措施。 （3）根据带电的阴极射线在电场中的运动情况可知，其速度偏转角根据已知量， 可求出阴极射线的比荷。 思考：利用磁场使带电的阴极射线发生偏转，能否根据磁场的特点和带电粒子 在磁场中的运动规律来计算阴极射线的比荷？ 汤姆孙发现，用不同材料的阴极和不同的方法做实验，所得比荷的数值是相等 的。这说明，这种粒子是构成各种物质的共有成分。并由实验测得的阴极射线粒子 的比荷是氢离子比荷的近两千倍。若这种粒子的电荷量与氢离子的电荷量机同，则 其质量约为氢离子质量的近两千分之一。汤姆孙后续的实验粗略测出了这种粒子的 电荷量确实与氢离子的电荷量差别不大，证明了汤姆孙的猜测是正确的。 学习活动三：电子电荷量的精确测定 元电荷 问题：如何利用如图的装置测定电子的电荷量？ 学生自学后讨论、归纳、总结，或由教师介绍。 第一次较为精确测量出电子电荷量的是美国物理 学 家密立根利用油滴实验测量出的。 电子的电荷量 e＝1.60217733×10－19C，它是最小电荷的带电量——元电荷。 密立根通过实验还发现，任何电荷只能是 e 的整数倍。 电子的质量 m＝9.1093897×10－31kg 学习活动四：电子发现的伟大意义 科学家在对阴极射线的研究中发现了电子，使人们对微观世界的认识进入了一 个新的时代，电子的发现是 19 世纪末物理学史上的三大发现之一。在物理学的发展 中具有比较重要的作用。了解科学家是如何发现电子的，应用了哪些研究方法，对 我们学好物理有重要的帮助作用。 【课堂小结】 问题 1：阴极射线的性质 问题 1：汤姆生为什么认为阴极射线中的微粒是比原子更小的物质？ 问题 2：密立根是如何确定电子的电量的？什么是元电荷？ 问题 3：电子发现的伟大意义。 随堂训练： 如图所示，一只阴极射线管，左侧不断有射线射出， 若在管的正下方放一通电直导线 AB 时，发现射线径迹下 偏，则(　　) A．导线中的电流由 A 流向 B B．导线中的电流由 B 流向 A C．若要使电子束的径迹往上偏，可以通过改变 AB 中的电流方向来实现 D．电子束的径迹与 AB 中的电流方向无关 解答此题应注意几点： (1)阴极射线的粒子带负电，由左手定则判断管内磁场垂直纸面向里． (2)由安培定则判定 AB 中电流的方向由 B 向 A. (3)电流方向改变，管内磁场方向改变，电子受力方向也改变，故 C 对． 【答案】　BC 【板书设计】 第 1 节 电子 一、阴极射线 二、比荷 三、电子电量的测定 元电荷 课堂反馈 1．关于阴极射线的实质，下列说法正确的是(　　) A．阴极射线实质是氢原子 B．阴极射线实质是电磁波 C．阴极射线实质是电子 D．阴极射线实质是 X 射线 2．电子的发现说明(　　) A．原子是由原子核和电子组成的 B．物质是带电的且一定带负电 C．原子可进行再分 D．原子核可再分 3．关于电荷量，下列说法错误的是(　　) A．物体的带电荷量可以是任意值 B．物体的带电荷量只能是某些值 C．物体的带电荷量的最小值为 1.6×10－19 C D．一个物体带 1.6×10－9 C 的正电荷，这是它失去了 1010 个电子的缘故 4 ．阴极射线是从阴极射线管的阴极发出的高速运动的粒 子流，这些微观粒子是________．若在如图所示的阴极射 线 管 内 加 上 垂 直 于 纸 面 向里的 磁 场 ， 阴 极 射 线 将 ________(填“向上”、“向下”、“向里”或“向外”)偏转． 5．如图所示，有一电子束穿过具有匀强电场和匀强磁场的空间区域，该区域的电场 强度和磁感应强度分别为 E 和 B. (1)如果电子束的速度为 v0，要使电子束穿过上述空间区域不发生偏转，电场和磁 场应满足什么条件？ (2)如果撤去磁场，电场区域的长度为 l，电场强度的方向和电子束初速度方向垂直， 电场区域右边缘离屏之间的距离为 d，要使电子束在屏上偏移距离为 y，所需加速电 压为多大？ 参考答案： 1、C 2、C 3、A 4、电子　向下 5 解析：(1)要使电子不发生偏转，则有 eE＝ev0B，E＝v0B. (2)电子在电场中向上的偏转量 s＝1 2·eE m t2， 设偏转角为 θ，则 tanθ＝vy v0，其中 vy＝eE m t. 在加速电场中 eU＝1 2mv20，v0＝l t. 偏移距离 y＝s＋dtanθ， 由以上各式可得 U＝Ell＋2d 4y . 课后测评 1．关于电子的发现者，下列说法正确的是(　　) A．英国的汤姆孙 B．德国的普吕克尔 C．德国的戈德斯坦 D．美国的密立根 2．汤姆孙对阴极射线的探究，最终发现了电子，由此被称为“电子之父”，关于电 子的说法正确的是(　　) A．物质中可能有电子，也可能没有电子 B．不同的物质中具有不同的电子 C．电子质量是质子质量的 1836 倍 D．电子是一种粒子，是构成物质的基本单元 3.如图所示，在阴极射线管正上方平行放一根通有强电流的长直导线，则阴极射线 将(　　) A．向纸内偏转 B．向纸外偏转 C．向下偏转 D．向上偏转 4．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 5.如图所示为示波管中电子枪的原理示意图，示波管内抽成真空，A 为发射电子的 阴极，K 为接在高电势点的加速电极，A、K 之间电压为 U，电子离开阴极时的速度 可以忽略，电子经加速后从 K 的小孔中射出的速度大小为 v，下列说法正确的是 (　　) A．如果 AK 间距离减半而电压仍为 U 不变，则电子离开 K 时的速度为 2v B．如果 AK 间距离减半而电压仍为 U 不变，则电子离开 K 时的速度 为v 2 C．如果 AK 间距离保持不变而电压减半，则电子离开 K 时的速度为v 2 D．如果 AK 间距离保持不变而电压减半，则电子离开 K 时的速度为 2 2 v 6．来自宇宙的质子流，沿与地球表面垂直的方向射向赤道上空的某一点，则这些质 子在进入地球周围的空间时，将(　　) A．竖直向下沿直线射向地面 B．相对于预定地点向东偏转 C．相对于预定点，稍向西偏转 D．相对于预定点，稍向北偏转 7．向荧光屏上看去，电子向我们飞来，在偏转线圈中通以如图 所示电流，电子的偏转方向为(　　) A．向上　　　　　　　　 B．向下 C．向左 D．向右 8．关于密立根“油滴实验”的科学意义，下列说法正确的是(　　) A．测得了电子的电荷量 B．提出了电荷分布的量子化观点 C．为电子质量的最终获得作出了突出贡献 D．为人类进一步研究原子的结构提供了一定的理论依据 9．在显像管的电子枪中，从炽热的金属丝不断放出的电子进入电压为 U 的加速电场， 设其初速度为零，经加速后形成横截面积为 S、电流为 I 的电子束．已知电子的电 荷量为 e、质量为 m，则在刚射出加速电场时，一小段长为 Δl 的电子束内的电子个 数是(　　) A.IΔl eS m 2eU B.IΔl e m 2eU C. I eS m 2eU D.ISΔl e m 2eU 10．测量油滴带电荷量的装置如图所示，两块水平放置的平行金属板与电源连接， 上、下板分别带正、负电荷．油滴从喷雾器喷出后，由于摩擦而带电，油滴进入上 板中央小孔后落到匀强电场中，通过显微镜可以观察到油滴的 运动情况．两金属板间的距离为 d，忽略空气对油滴的浮力和阻 力．调节两金属板间的电势差 u，当 u＝U0 时，使得某个质量为 m1 的油滴恰好做匀速运动，该油滴所带电荷量 q 为多少？ 参考答案： 1、A 2、D 3、D 4、B 5、D 6、B 7、A 8、ABCD 9、B 10:当 u＝U0 时，油滴做匀速直线运动，由力的平衡条件 m1g＝q U0 d 得 q＝m1gd U0 .