教學(xué)設(shè)計完整版：電子的發(fā)現(xiàn)及其重大意義

電子的發(fā)現(xiàn)及其重大意義教學(xué)設(shè)計【教學(xué)目標(biāo)】1．知道陰極射線的組成，電子是原子的組成部分。2．了解湯姆生發(fā)現(xiàn)電子的研究方法及蘊(yùn)含的科學(xué)思想?！窘虒W(xué)重難點】測量陰極射線的比荷?！窘虒W(xué)方法】老師授課，問答設(shè)計，例題精講分析，探究學(xué)習(xí)?！窘虒W(xué)過程】一、基本知識1．電場和磁場對電荷的作用力(1)電場力F＝qE，正電荷受力方向與場強(qiáng)E方向相同，負(fù)電荷受力方向與場強(qiáng)E方向相反。(2)洛倫茲力：磁場對運動電荷的作用力F＝qvB，其方向可用左手定則判斷。2．關(guān)于陰極射線的爭論圖1如圖1所示，將陰極射線管的陰極和陽極接上高壓電源后，用真空泵逐漸抽去管內(nèi)的空氣，管內(nèi)就會產(chǎn)生氣體放電現(xiàn)象，并發(fā)出光來，當(dāng)氣壓降得很低時，管內(nèi)變暗，不再發(fā)光，但此時由陰極發(fā)射出的射線，能使熒光物質(zhì)發(fā)光。3．湯姆生的發(fā)現(xiàn)結(jié)論：湯姆生通過實驗得出，陰極射線是一種帶負(fù)電的質(zhì)量很小的粒子，物理學(xué)中稱為電子，電子是原子的組成部分。二、學(xué)習(xí)探究對陰極射線及電子比荷的研究【問題設(shè)計】如圖2所示為測定陰極射線粒子比荷的裝置，從陰極K發(fā)出的陰極射線通過一對平行金屬板D1、D2間的勻強(qiáng)電場，發(fā)生偏轉(zhuǎn)。圖2(1)在D1、D2間加電場后射線偏到P2，則由電場方向知，該射線帶什么電？(2)再在D1、D2間加一磁場，電場與磁場垂直，讓射線恰好不偏轉(zhuǎn)。設(shè)電場強(qiáng)度為E，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，則電子的速度多大？(3)撤去電場，只保留磁場，使射線在磁場中做圓周運動，若測出軌道半徑為r，則粒子的比荷eq\f(q,m)是多大？【答案】(1)負(fù)電(2)粒子受兩個力作用：電場力和磁場力，兩個力平衡，即有qE＝qvB，得：v＝eq\f(E,B)(3)根據(jù)洛倫茲力充當(dāng)向心力：qvB＝meq\f(v2,r)，得出：eq\f(q,m)＝eq\f(v,Br)。又v＝eq\f(E,B)，則eq\f(q,m)＝eq\f(E,B2r)。測出E、B、r即可求出比荷eq\f(q,m)?！疽c提煉】1．讓陰極射線通過一對平行板間的勻強(qiáng)電場，根據(jù)偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，證明它是帶負(fù)電的粒子流。2．當(dāng)板間加電場時，電子在板間做類平拋運動。3．當(dāng)既加電場又加磁場時，射線不偏轉(zhuǎn)，說明受到的電場力和洛倫茲力平衡。4．通過實驗：巧妙利用電場力與洛倫茲力平衡，確定了陰極射線的速度，并測量出粒子的比荷。5．改變陰極材料時，測得的比荷也相同，這表明這種粒子是多種材料的共同成份。三、課堂小結(jié)陰極射線湯姆生的發(fā)現(xiàn)陰極射線湯姆生的發(fā)現(xiàn)電子的發(fā)現(xiàn)四、課堂檢測1．電子所帶電荷量的精確數(shù)值最早是由美國物理學(xué)家密立根通過油滴實驗測得的，他測定了數(shù)千個帶電油滴的電荷量，發(fā)現(xiàn)這些電荷量都等于某個最小電荷量的整數(shù)倍，這個最小電荷量就是電子所帶的電荷量．密立根實驗的原理如圖4所示，A、B是兩塊平行放置的水平金屬板，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力和重力平衡，已知小油滴靜止處的電場強(qiáng)度是×105N/C，油滴半徑是×10－4cm，油的密度是g/cm3，求：油滴所帶的電荷量；這個電荷量是電子電荷量的多少倍？(電子電荷量e＝×10－19C)圖3答案×10－19C5解析小油滴的質(zhì)量m＝ρV＝ρ·eq\f(4,3)πr3①由題意知mg＝Eq②由①②兩式可得：q＝eq\f(ρ·4πr3g,3E)＝eq\f×103×4π×××10－63,3××105)C＝×10－19C小油滴所帶電荷量q是電子電荷量e的eq\f×10－19,×10－19)≈5倍2.湯姆生用來測定電子的比荷(電子的電荷量與質(zhì)量之比)的實驗裝置如圖4所示，真空管內(nèi)的陰極K發(fā)出的電子(不計初速度、重力和電子間的相互作用)經(jīng)加速電壓加速后，穿過A′中心的小孔沿中心軸O1O的方向進(jìn)入到兩塊水平正對放置的平行極板P和P′間的區(qū)域。當(dāng)極板間不加偏轉(zhuǎn)電壓時，電子束打在熒光屏的中心O點處，形成了一個亮點；加上偏轉(zhuǎn)電壓U后，亮點偏離到O′點，(O′與O點的豎直間距為d，水平間距可忽略不計。)此時，在P和P′間的區(qū)域，再加上一個方向垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場。調(diào)節(jié)磁場的強(qiáng)弱，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為B時，亮點重新回到O點。已知極板水平方向的長度為L1，極板間距為b，極板右端到熒光屏的距離為L2(如圖3－1－3所示)。圖4(1)求打在熒光屏O點的電子速度的大小。(2)推導(dǎo)出電子比荷的表達(dá)式。思路點撥測定電子比荷問題，實質(zhì)上是電荷在電場、磁場或復(fù)合場中的運動問題，根據(jù)相應(yīng)的規(guī)律求解即可。自主解答(1)當(dāng)電子受到的電場力與洛倫茲力平衡時，電子做勻速直線運動，亮點重新回到中心O點，設(shè)電子的速度為v，則evB＝eE，得v＝eq\f(E,B)，即v＝eq\f(U,Bb)。(2)當(dāng)極板間僅有偏轉(zhuǎn)電場時，電子以速度v進(jìn)入后，豎直方向做勻加速直線運動，加速度為a＝eq\f(eU,mb)電子在水平方向做勻速直線運動，在電場內(nèi)的運動時間為t1＝eq\f(L1,v)這樣，電子在電場中，豎直向上偏轉(zhuǎn)的距離為d1＝eq\f(1,2)ateq\o\al(2,1)＝eq\f(eL\o\al(2,1)U,2mv2b)離開電場時豎直向上的分速度為v⊥＝at1＝eq\f(eL1U,mvb)電子離開電場后做勻速直線運動，經(jīng)t2時間到達(dá)熒光屏t2＝eq\f(L2,v)，t2時間內(nèi)向上運動的距離為這樣，電子向上的總偏轉(zhuǎn)距離為：d＝d1＋d2＝eq\f(eU,mv2b)L1eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(L2＋\f(L1,2)))可解得eq\f(e,m)＝eq\f(Ud,