高中物理 18.1 電子的發(fā)現(xiàn)課件 新人教版選修35.ppt

1電子的發(fā)現(xiàn) 1 知道陰極射線是由電子組成的 電子是原子的組成部分 知道電子的電荷量和比荷 2 了解湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子的研究方法及蘊(yùn)含的科學(xué)思想 領(lǐng)會(huì)電子的發(fā)現(xiàn)對(duì)揭示原子結(jié)構(gòu)的重大意義 重點(diǎn) 1 了解陰極射線演示實(shí)驗(yàn)的器材結(jié)構(gòu) 并認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和理解實(shí)驗(yàn)原理 2 發(fā)現(xiàn)電子的探究方法 難點(diǎn) 領(lǐng)悟湯姆孫探究問題的方法 培養(yǎng)自己的洞察力 一 陰極射線1 實(shí)驗(yàn)裝置 真空玻璃管 陽極和感應(yīng)圈 2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 感應(yīng)圈產(chǎn)生的高電壓加在兩極之間 玻璃管壁上發(fā)出 a 陰極射線b 熒光 3 陰極射線 熒光是由于玻璃受到陰極發(fā)出的某種射線的撞擊而引起的 這種射線命名為 陰極 b 陰極射線 判一判 1 陰極射線是由真空玻璃管中的感應(yīng)圈發(fā)出的 2 陰極射線撞擊玻璃管壁會(huì)發(fā)出熒光 提示 1 陰極射線由陰極發(fā)出 1 錯(cuò) 2 玻璃受到陰極射線的撞擊會(huì)產(chǎn)生熒光效應(yīng) 2 正確 二 電子的發(fā)現(xiàn)1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象英國物理學(xué)家 使用氣體放電管對(duì)陰極射線進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)研究 1 讓陰極射線分別通過電場和磁場 根據(jù) 現(xiàn)象 證明它是 a 帶正電b 帶負(fù)電 的粒子流并求出其比荷 2 換用 的陰極做實(shí)驗(yàn) 所得 的數(shù)值都相同 是氫離子比荷的近兩千倍 證明這種粒子是構(gòu)成各種物質(zhì)的共有成分 湯姆孫 偏轉(zhuǎn) b 不同材料 比荷 2 電子 1 組成陰極射線的粒子稱為 2 密立根 油滴實(shí)驗(yàn) 結(jié)論 電子 電性 電量 與 帶電量相同 質(zhì)量 質(zhì)子與電子的質(zhì)量比 1836 陰極射線 組成成分 電子 負(fù)電 e 1 602 10 19c 氫離子 m 9 1 10 31kg 想一想 湯姆孫怎樣通過實(shí)驗(yàn)確定陰極射線是帶負(fù)電的粒子 提示 湯姆孫通過氣體放電管研究陰極射線的徑跡 未加電場時(shí) 射線不偏轉(zhuǎn) 施加電場后 射線向偏轉(zhuǎn)電場的正極板方向偏轉(zhuǎn) 由此確定陰極射線是帶負(fù)電的粒子 探究電子發(fā)現(xiàn)的歷程 探究導(dǎo)引 如圖是湯姆孫氣體放電管示意圖 思考以下問題 1 陰極射線是如何發(fā)現(xiàn)的 2 陰極射線帶什么樣的電荷 3 湯姆孫怎樣對(duì)陰極射線進(jìn)行研究而發(fā)現(xiàn)了電子 要點(diǎn)整合 1 2 德國物理學(xué)家戈德斯坦將陰極發(fā)出的射線命名為陰極射線 3 猜想 1 陰極射線是一種電磁輻射 2 陰極射線是帶電微粒 真空玻璃管兩極加上高電壓 玻璃管壁上發(fā)出熒光 4 英國物理學(xué)家湯姆孫讓陰極射線在電場和磁場中偏轉(zhuǎn) 5 密立根通過 油滴實(shí)驗(yàn) 精確測定了電子的電荷量和電子的質(zhì)量 特別提醒 1 注意陰極射線和x射線的區(qū)別 陰極射線是電子流 x射線是電磁輻射 2 由陰極射線在電場 磁場中的偏轉(zhuǎn)可確定射線由帶負(fù)電的粒子組成 典例1 陰極射線從陰極射線管中的陰極發(fā)出 在其間的高電壓下加速飛向陽極 如圖所示 若要使射線向上偏轉(zhuǎn) 所加磁場的方向應(yīng)為 a 平行于紙面向下b 平行于紙面向上c 垂直于紙面向外d 垂直于紙面向里 陰極射線帶負(fù)電 解題流程 規(guī)范解答 選c 由于陰極射線的本質(zhì)是電子流 陰極射線運(yùn)動(dòng)方向向右 說明電子的運(yùn)動(dòng)方向向右 相當(dāng)于存在向左的電流 利用左手定則 使電子所受洛倫茲力方向平行于紙面向上 由此可知磁場方向應(yīng)為垂直于紙面向外 故選項(xiàng)c正確 互動(dòng)探究 1 例題中如果通過施加電場來實(shí)現(xiàn)射線向上偏轉(zhuǎn) 所加電場的方向應(yīng)為 2 通過磁場或電場使射線發(fā)生偏轉(zhuǎn)后 其電子的速度大小發(fā)生了怎樣的變化 解析 1 選a 使電子向上偏轉(zhuǎn) 電子所受電場力方向向上 由此可知 所加電場方向應(yīng)平行于紙面向下 2 當(dāng)通過磁場使電子偏轉(zhuǎn)時(shí) 電子受到洛倫茲力做圓周運(yùn)動(dòng) 而洛倫茲力總與電子速度方向垂直 故不做功 因此電子的速度大小不變 當(dāng)通過電場使電子偏轉(zhuǎn)時(shí) 則是電子沿電場力方向加速運(yùn)動(dòng) 電場力做正功 故電子速度變大 答案 1 a 2 通過磁場時(shí)不變 通過電場時(shí)變大 變式備選 2012 南京高二檢測 關(guān)于陰極射線的實(shí)質(zhì) 下列說法正確的是 a 陰極射線實(shí)質(zhì)是氫原子b 陰極射線實(shí)質(zhì)是電磁波c 陰極射線實(shí)質(zhì)是電子d 陰極射線實(shí)質(zhì)是x射線 解析 選c 陰極射線是原子受激發(fā)射出的電子 關(guān)于陰極射線是電磁波 x射線 都是在研究陰極射線過程中的一些假設(shè) 是錯(cuò)誤的 帶電粒子比荷的測定 探究導(dǎo)引 如圖是電視機(jī)顯像管的示意圖 思考以下問題 1 電子在偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的磁場中受什么力作用 怎樣確定力的方向 2 電子在磁場中的運(yùn)動(dòng)符合什么運(yùn)動(dòng)規(guī)律 要點(diǎn)整合 1 讓粒子通過相互垂直的電磁場 如圖 讓其做勻速直線運(yùn)動(dòng) 根據(jù)二力平衡 即f洛 f電 bqv qe 得到粒子的運(yùn)動(dòng)速度2 撤去電場 如圖 保留磁場 讓粒子單純地在磁場中運(yùn)動(dòng) 由洛倫茲力提供向心力即根據(jù)軌跡偏轉(zhuǎn)情況 由幾何知識(shí)求出其半徑r 3 由以上兩式確定粒子的比荷表達(dá)式 特別提醒 1 利用磁偏轉(zhuǎn)測比荷 由只需知道磁感應(yīng)強(qiáng)度b 帶電粒子的速度v和偏轉(zhuǎn)半徑r即可 2 利用電偏轉(zhuǎn)測比荷 偏轉(zhuǎn)量所以在偏轉(zhuǎn)電場u d l已知時(shí) 只需測量v和y即可 典例2 2012 ?？诟叨z測 帶電粒子的比荷是一個(gè)重要的物理量 某中學(xué)物理興趣小組設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn) 探究電場和磁場對(duì)電子運(yùn)動(dòng)軌跡的影響 以求得電子的比荷 實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示 其中兩正對(duì)極板m1 m2之間的距離為d 極板長度為l 1 他們的主要實(shí)驗(yàn)步驟如下 a 首先在兩極板m1 m2之間不加任何電場 磁場 開啟陰極射線管電源 發(fā)射的電子束從兩極板中央通過 在熒光屏的正中心處觀察到一個(gè)亮點(diǎn) b 在m1 m2兩極板間加合適的電場 加極性如圖所示的電壓 并逐步調(diào)節(jié)增大 使熒光屏上的亮點(diǎn)逐漸向熒光屏下方偏移 直到熒光屏上恰好看不見亮點(diǎn)為止 記下此時(shí)外加電壓為u 請(qǐng)問本步驟的目的是什么 c 保持步驟b中的電壓u不變 對(duì)m1 m2區(qū)域加一個(gè)大小 方向合適的磁場b 使熒光屏正中心處重現(xiàn)亮點(diǎn) 試問外加磁場的方向如何 2 根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)步驟 同學(xué)們正確地推算出電子的比荷與外加電場 磁場及其他相關(guān)量的關(guān)系為一位同學(xué)說 這表明電子的比荷大小將由外加電壓決定 外加電壓越大則電子的比荷越大 你認(rèn)為他的說法正確嗎 為什么 思路點(diǎn)撥 1 當(dāng)兩板間加上合適的電場時(shí) 恰好看不見亮點(diǎn) 則電子在電場中的偏轉(zhuǎn)量為d 2 再加大小 方向合適的磁場 洛倫茲力和電場力大小相等 方向相反 則亮點(diǎn)在熒光屏中心 可以根據(jù)左手定則確定磁場方向 3 電子的比荷由電子本身決定 與外加電壓無關(guān) 規(guī)范解答 1 步驟b中電子在m1 m2兩極板間做類平拋運(yùn)動(dòng) 當(dāng)增大兩極板間電壓時(shí) 電子在兩極板間的偏轉(zhuǎn)位移增大 當(dāng)在熒光屏上看不到亮點(diǎn)時(shí) 電子剛好打在下極板m2靠近熒光屏端的邊緣 則 由此可以看出這一步的目的是使粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)位移成為已知量 就可以表示出比荷 步驟c加上磁場后電子不偏轉(zhuǎn) 電場力等于洛倫茲力 且洛倫茲力方向向上 由左手定則可知磁場方向垂直于紙面向外 2 由電場力等于洛倫茲力得 bqv解得 將 式代入 式得 可以看出當(dāng)u增大時(shí) b必定也要增大 即的比值不會(huì)變化 且電子的比荷是由電子本身的性質(zhì)決定的 是電子的固有參數(shù) 因此他的說法不正確 答案 1 步驟b中使電子剛好打在下極板m2靠近熒光屏端的邊緣 利用已知量表示步驟c中磁場方向垂直紙面向外 2 不正確 原因見規(guī)范解答 總結(jié)提升 巧妙運(yùn)用電磁場測定電子比荷 1 當(dāng)電子在復(fù)合場中做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí) qe qvb 可以測出電子速度大小 2 當(dāng)電子在磁場中偏轉(zhuǎn)時(shí) 測出圓周運(yùn)動(dòng)半徑 即可確定比荷 3 當(dāng)電子在勻強(qiáng)電場中偏轉(zhuǎn)時(shí) 測出電場中的偏轉(zhuǎn)量也可以確定比荷 變式訓(xùn)練 湯姆孫1897年用陰極射線管測量了電子的比荷 電子電荷量與質(zhì)量之比 其實(shí)驗(yàn)原理如圖所示 電子流平行于極板射入 極板p p 間同時(shí)存在勻強(qiáng)電場e和垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場b時(shí) 電子流不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn) 極板間只存在垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場b時(shí) 電子流穿出平行板電容器時(shí)的偏轉(zhuǎn)角 rad 已知極板長l 3 0 10 2m 電場強(qiáng)度大小為e 1 5 104v m 磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為b 5 0 10 4t 求電子比荷 解析 無偏轉(zhuǎn)時(shí) 洛倫茲力和電場力平衡 則ee evb只存在磁場時(shí) 有evb 由幾何關(guān)系偏轉(zhuǎn)角很小時(shí) r 聯(lián)立上述各式并代入數(shù)據(jù)得電子的比荷 1 3 1011c kg答案 1 3 1011c kg 溫馨提示 電子的發(fā)現(xiàn)使人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)更進(jìn)一步 近幾年高考命題注重科學(xué)探究思想方法的考查 經(jīng)常結(jié)合湯姆孫實(shí)驗(yàn) 密立根 油滴實(shí)驗(yàn) 電子在電場 磁場中的平衡 偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象命題 典例 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(gè)電極上的電壓為1 6 104v 電子離開陰極表面時(shí)的速度為零 則電子到達(dá)陽極時(shí)的速度v m s 解題指南 解決本題需要了解陰極射線管實(shí)驗(yàn)的結(jié)論和動(dòng)能定理 規(guī)范解答 電子由陰極到陽極 由動(dòng)能定理得eu mv2 解得 7 5 107m s答案 電子7 5 107 電子比荷的測定技巧電子比荷的測定在科學(xué)研究中有非常重要的意義 通過電子在電場 磁場中的運(yùn)動(dòng)測定電子的比荷應(yīng)注意以下三點(diǎn) 1 明確測定比荷需要確定的物理量 若用磁偏轉(zhuǎn)測量 需確定電子速度的大小和在磁場中的偏轉(zhuǎn)半徑 2 要測定電子速度的大小 需應(yīng)用速度選擇器的原理 根據(jù)evb ee測量 3 根據(jù)電子偏轉(zhuǎn)情況確定電子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑 根據(jù)洛倫茲力提供向心力列出方程 確定電子的比荷 案例展示 為了測量電子的比荷可用下述方法 在真空裝置中 使一細(xì)束電子流 即陰極射線 在沒有外界力的作用下 沿如圖所示的oo 方向以一定的速度做直線運(yùn)動(dòng) 如果在途中 即在圖中a b兩平行金屬板之間 加一垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場 磁感應(yīng)強(qiáng)度為b 電子束將以半徑r在磁場范圍內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng) 這時(shí)若在金屬板a b間再加一與入射方向垂直的 適當(dāng)強(qiáng)度和方向的勻強(qiáng)電場 場強(qiáng)為e 電子束又將沿oo 方向仍以原有速度做直線運(yùn)動(dòng) 當(dāng)測知b e及r值后 即可算出電子的比荷 試推導(dǎo)出電子比荷的計(jì)算式 規(guī)范解答 運(yùn)動(dòng)電子只在勻強(qiáng)磁場作用下做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)滿