選修3-5（高中物理舊教材同步講義）第18章 1 電子的發(fā)現(xiàn)同步講義

1電子的發(fā)現(xiàn)[學科素養(yǎng)與目標要求]物理觀念：1.知道陰極射線是由電子組成的，電子是原子的組成部分.2.知道電荷是量子化的，即任何電荷只能是e的整數(shù)倍.3.領會電子的發(fā)現(xiàn)對揭示原子結構的重大意義．科學思維：體會電子的發(fā)現(xiàn)過程中蘊含的科學方法．一、陰極射線1．實驗裝置：如圖1所示，真空玻璃管中K是金屬板制成的陰極，A是金屬環(huán)制成的陽極；把它們分別連接在感應圈的負極和正極上．圖12．實驗現(xiàn)象：玻璃壁上出現(xiàn)淡淡的熒光及管中物體在玻璃壁上的影．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，這種射線被命名為陰極射線．二、電子的發(fā)現(xiàn)1．湯姆孫的探究(1)讓陰極射線分別通過電場和磁場，根據(jù)偏轉情況，證明它是帶負電(選填“正電”或“負電”)的粒子流并求出了它的比荷．(2)換用不同材料的陰極做實驗，所得比荷的數(shù)值都相同，說明這種粒子是構成各種物質的共有成分．(3)進一步研究新現(xiàn)象，不論是由于正離子的轟擊、紫外光的照射、金屬受熱還是放射性物質的自發(fā)輻射，都能發(fā)射同樣的帶電粒子——電子．由此可見，電子是原子的組成部分，是比原子更基本的物質單元．2．密立根“油滴實驗”(1)精確測定電子電荷．(2)電荷是量子化的．3．電子的有關常量判斷下列說法的正誤．(1)玻璃壁上出現(xiàn)的影是玻璃受到陰極射線的撞擊而產(chǎn)生的．(×)(2)陰極射線在真空中沿直線傳播．(√)(3)英國物理學家湯姆孫認為陰極射線是一種電磁輻射．(×)(4)組成陰極射線的粒子是電子．(√)(5)電子是原子的組成部分，電子電荷量可以取任意數(shù)值．(×)一、對陰極射線的認識1.在如圖所示的演示實驗中，K是金屬板制成的陰極，A是金屬環(huán)制成的陽極．K和A之間加上近萬伏的高電壓后，管端玻璃壁上能觀察到什么現(xiàn)象？該現(xiàn)象說明了什么問題？答案能看到玻璃壁上淡淡的熒光及管中物體在玻璃壁上的影，這說明陰極能夠發(fā)出某種射線，并且撞擊玻璃引起熒光．2．如何判斷陰極射線的帶電性質？答案方法一：在陰極射線所經(jīng)區(qū)域加上電場，通過打在熒光屏上的亮點位置的變化和電場的情況確定帶電的性質．方法二：在陰極射線所經(jīng)區(qū)域加一磁場，根據(jù)熒光屏上亮點位置的變化和磁場方向利用左手定則確定帶電的性質．1．對陰極射線本質的認識——兩種觀點(1)電磁波說，代表人物——赫茲，他認為這種射線是一種電磁輻射．(2)粒子說，代表人物——湯姆孫，他認為這種射線是一種帶電粒子流．2．陰極射線帶電性質的判斷方法(1)方法一：在陰極射線所經(jīng)區(qū)域加上電場，通過打在熒光屏上的亮點位置的變化和電場的情況確定帶電的性質．(2)方法二：在陰極射線所經(jīng)區(qū)域加一磁場，根據(jù)亮點位置的變化和左手定則確定帶電的性質．3．實驗結果根據(jù)陰極射線在電場中和磁場中的偏轉情況，判斷出陰極射線是粒子流，并且?guī)ж撾姡?關于陰極射線，下列說法正確的是()A．陰極射線就是稀薄氣體導電時的輝光放電現(xiàn)象B．陰極射線是在真空管內(nèi)由正極放出的電子流C．陰極射線是由德國物理學家戈德斯坦命名的D．陰極射線就是X射線答案C解析陰極射線是在真空中由負極發(fā)出的電子流，故A、B錯誤；陰極射線是由德國物理學家戈德斯坦在1876年提出并命名的，故C正確；陰極射線本質是電子流，故D錯誤．對陰極射線的理解1．陰極射線實際上就是電子流．2．輝光現(xiàn)象產(chǎn)生的條件：玻璃管中氣體稀薄．3．陰極射線的來源：若真空度高，陰極射線的粒子主要來自陰極；若真空度不高，粒子還可能來自管中氣體．4．陰極射線不是X射線．針對訓練(多選)一只陰極射線管，左側不斷有電子射出，若在管的正下方放一通電直導線AB時，發(fā)現(xiàn)射線徑跡下偏，如圖2所示．則()圖2A．導線中的電流由A流向BB．導線中的電流由B流向AC．若要使電子束的徑跡向上偏，可以通過改變AB中電流的方向來實現(xiàn)D．電子的徑跡與AB中電流的方向無關答案BC解析在陰極射線管中射出的陰極射線是帶負電的電子流，在導線AB形成的磁場中向下偏轉，由左手定則可知磁場是垂直紙面向里的，根據(jù)安培定則可知導線AB中的電流是由B流向A的，A錯，B對；通過改變AB中的電流方向可以改變磁場方向從而使陰極射線的受力方向向上，使電子束的徑跡向上偏，C對；由此可知電子束的徑跡與AB中的電流方向即通電直導線AB形成的磁場方向有關，D錯．二、帶電粒子比荷的測定及電子的發(fā)現(xiàn)1．如何測定射線粒子的比荷？閱讀課本，請?zhí)岢鲆环N可行的方案．答案(1)讓粒子通過正交的電磁場(如圖)，使其做勻速直線運動，根據(jù)二力平衡，即Bqv＝qE得到粒子的運動速度v＝eq\f(E,B).(2)在其他條件不變的情況下，撤去勻強電場(如圖)，保留磁場，讓粒子在勻強磁場中運動，由洛倫茲力提供向心力，即qvB＝meq\f(v2,r)，根據(jù)磁場情況和軌跡偏轉情況，由幾何知識求出其半徑r.(3)由以上兩式確定粒子的比荷表達式：eq\f(q,m)＝eq\f(E,B2r).2．電子電荷的精確測定是密立根通過“油滴實驗”測定的，密立根實驗的重要意義是什么？答案發(fā)現(xiàn)電荷是量子化的，即任何電荷只能是e的整數(shù)倍．1．利用磁偏轉測量(1)讓帶電粒子通過相互垂直的勻強電場和勻強磁場，如圖3所示，使其做勻速直線運動，根據(jù)二力平衡，即F洛＝F電(Bqv＝qE)，得到粒子的運動速度v＝eq\f(E,B).圖3(2)撤去電場，如圖4所示，保留磁場，讓粒子單純地在磁場中運動，由洛倫茲力提供向心力，即Bqv＝meq\f(v2,r)，根據(jù)軌跡偏轉情況，由幾何知識求出其半徑r.圖4(3)由以上兩式確定粒子的比荷表達式：eq\f(q,m)＝eq\f(E,B2r).最后經(jīng)定量計算湯姆孫認定組成陰極射線的粒子為電子．2.利用電偏轉測量帶電粒子在勻強電場中運動，如圖5.偏轉量y＝eq\f(1,2)at2＝eq\f(1,2)·eq\f(qU,md)(eq\f(L,v))2，故eq\f(q,m)＝eq\f(2ydv2,UL2)，所以在偏轉電場中，U、d、L已知時，只需測量v和y即可．圖53．電子發(fā)現(xiàn)的意義(1)電子發(fā)現(xiàn)以前人們認為物質由分子組成，分子由原子組成，原子是不可再分的最小微粒．(2)現(xiàn)在人們發(fā)現(xiàn)了各種物質里都有電子，而且電子是原子的組成部分．(3)電子帶負電，而原子是電中性的，說明原子是可再分的．例2如圖6所示，初速度可忽略不計的電子經(jīng)加速電場加速后從小孔O進入磁感應強度為B的有界勻強磁場，磁場寬度為l，射出磁場時電子的偏轉角為α.已知加速電場電勢差為U，求電子的比荷．圖6答案eq\f(2Usin2α,B2l2)解析在加速電場中由動能定理得eU＝eq\f(1,2)mv2在勻強磁場中由牛頓第二定律得evB＝eq\f(mv2,R)如圖所示，由幾何關系得R＝eq\f(l,sinα)解得：eq\f(e,m)＝eq\f(2Usin2α,B2l2)帶電粒子的比荷常見的三種測量方法1．利用磁偏轉測比荷：由qvB＝meq\f(v2,R)得eq\f(q,m)＝eq\f(v,BR)，只需知道磁感應強度B、帶電粒子的初速度v和偏轉半徑R即可．2．利用電偏轉測比荷：偏轉量y＝eq\f(1,2)at2＝eq\f(1,2)·eq\f(qU,md)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(L,v)))2，故eq\f(q,m)＝eq\f(2ydv2,UL2)，所以在偏轉電場U、d、L已知時，只需測量v和y即可．3．利用加速電場測比荷：由動能定理qU＝eq\f(1,2)mv2得eq\f(q,m)＝eq\f(v2,2U)，只需測出v即可．1．(對陰極射線的認識)(多選)下面對陰極射線的認識正確的是()A．陰極射線是由陰極發(fā)出的粒子撞擊玻璃管壁上的熒光粉而產(chǎn)生的B．只要陰陽兩極間加有電壓，就會有陰極射線產(chǎn)生C．陰極射線是真空玻璃管內(nèi)由陰極發(fā)出的射線D．陰陽兩極間加有高壓時，電場很強，陰極中的電子受到很強的庫侖力作用而脫離陰極答案CD解析陰極射線是真空玻璃管內(nèi)由陰極直接發(fā)出的射線，故A錯誤，C正確；只有當兩極間有高壓且陰極接電源負極時，陰極中的電子才會受到足夠大的庫侖力作用而脫離陰極成為陰極射線，故B錯誤，D正確．2．(電子發(fā)現(xiàn)的意義)(多選)關于電子的發(fā)現(xiàn)，下列說法正確的是()A．電子的發(fā)現(xiàn)，說明原子是由電子和原子核組成B．電子的發(fā)現(xiàn)，說明原子具有一定的結構C．在電子被人類發(fā)現(xiàn)前，人們認為原子是組成物質的最小微粒D．電子帶負電，使人們意識到原子內(nèi)應該還有帶正電的部分答案BCD解析發(fā)現(xiàn)電子時，人們對原子的結構仍然不清楚，但它使人們意識到電子應該是原子的組成部分，故A錯誤，B正確；在電子被人類發(fā)現(xiàn)前，人們認為原子是組成物質的最小微粒，C正確；原子對外顯電中性，而電子帶負電，使人們意識到原子中應該還有其他帶正電的部分，D正確．3．(對電子的認識)(多選)1897年英國物理學家湯姆孫對陰極射線的探究，最終發(fā)現(xiàn)了電子，由此被稱為“電子之父”，下列關于電子的說法正確的是()A．任何物質中均有電子B．不同物質中具有不同性質的電子C．電子質量是質子質量的1836倍D．電子是一種粒子，是比原子更基本的物質單元答案AD解析湯姆孫用不同的材料做陰極，都能發(fā)現(xiàn)陰極射線且陰極射線均為同一物質——電子，這說明任何物質中均含有電子，A對，B錯；根據(jù)對電子比荷的測定可知，電子電荷量和氫原子核的電荷量相同，電子的質量遠小于質子質量，是質子質量的eq\f(1,1836)，說明電子有質量和電荷量，是一種粒子，并且電子是比原子更基本的物質單元，C錯，D對．4．(電子比荷的測定)密立根油滴實驗原理如圖7所示，兩塊水平放置的金屬板分別與電源的正、負極相接，板間距離為d，板間電壓為U，形成豎直向下、場強為E的勻強電場．用噴霧器從上板中間的小孔噴入大小、質量和電荷量各不相同的油滴．通過顯微鏡可找到懸浮不動的油滴，若此懸浮油滴的質量為m，重力加速度為g，則下列說法正確的是()圖7A．懸浮油滴帶正電B．懸浮油滴的電荷量為eq\f(mg,U)C．增大場強，懸浮油滴將向上運動D．油滴的電荷量不一定是電子電荷量的整數(shù)倍答案C解析帶電油滴在兩板間靜止時，電場力向上，應帶負電，A項錯誤；qE＝mg，即qeq\f(U,d)＝mg，所以q＝eq\f(mgd,U)，B項錯誤；當E變大時，qE變大，合力向上，油滴將向上運動，C項正確；任何帶電物體的電荷量都是電子電荷量的整數(shù)倍，D項錯誤．5．(電子比荷的測定)如圖8所示，電子以初速度v0從O點沿OO′進入長為l、板間距離為d、電勢差為U的平行板電容器中，出電場時打在屏上P點，經(jīng)測量O′、P的距離為y0，求電子的比荷．(電