高二物理人教版選修3-5課件：18.1 電子的發(fā)現(xiàn)

1、第十八章 原子結(jié)構(gòu),1電子的發(fā)現(xiàn),情 景 導(dǎo) 入,1858年,德國科學(xué)家普呂克爾發(fā)現(xiàn)了陰極射線,在一個(gè)抽成真空的玻璃管兩端加上高電壓,這時(shí)陰極會(huì)發(fā)出一種射線稱為陰極射線,陰極射線究竟是什么?是原子?還是更小的物質(zhì)微粒?,思 維 導(dǎo) 圖,一,二,填一填,練一練,一、陰極射線(見課本第47頁) 1.實(shí)驗(yàn)裝置:如圖所示真空玻璃管中K是金屬板制成的陰極,A是金屬環(huán)制成的陽極;把它們分別連在感應(yīng)圈的負(fù)極和正極上。 2.實(shí)驗(yàn)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。,一,二,填一填,練一練,二、電子的

2、發(fā)現(xiàn)(見課本第47頁) 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(zhuǎn)情況,證明它是 帶負(fù)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(shí)驗(yàn),所得比荷的數(shù)值都相同。證明這種粒子是構(gòu)成各種物質(zhì)的共有成分。 (3)進(jìn)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(zhì)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(zhì)單元。,一,二,填一填,練一練,2.密立根“油滴實(shí)驗(yàn)”: (1)精確測定電子電荷。 (2)電荷是量子化的。 3.電子的有關(guān)常量:,填一填,練一練,如圖所示,電子以初速度v0從O點(diǎn)進(jìn)入長為l、板

3、間距離為d、電勢差為U的平行板電容器中,出電場時(shí)打在屏上P點(diǎn),經(jīng)測量OP距離為Y0,求電子的比荷。 解析:由于電子在電場中做類平拋運(yùn)動(dòng),沿電場線方向做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng),滿足:,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一探究電子發(fā)現(xiàn)的歷程 如圖,湯姆孫的氣體放電管。 湯姆孫的氣體放電管的示意圖 (1)在金屬板D1、D2之間加上圖中所示的電場時(shí),發(fā)現(xiàn)陰極射線向下偏轉(zhuǎn),說明它帶什么性質(zhì)的電荷? (2)在金屬板D1、D2之間單獨(dú)加哪個(gè)方向的磁場,可以讓陰極射線向上偏轉(zhuǎn)?,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,1.裝置現(xiàn)象 真空玻

4、璃管兩極加上高電壓玻璃管壁上發(fā)出熒光 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。 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)。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,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。 6.電子發(fā)現(xiàn)的意義 電子是人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)比原子小的粒子。電子的發(fā)現(xiàn)打破了原子不可再分的傳統(tǒng)觀念,使人們認(rèn)識(shí)到原子不是組成物質(zhì)的最小微粒,原子本身也有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這是人類對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的一次飛躍,開創(chuàng)了探索原子結(jié)構(gòu)奧秘的新時(shí)代。湯姆孫也由于發(fā)現(xiàn)了電子,不僅榮獲了1906年

5、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),而且被后人譽(yù)為“最先打開通向基本粒子物理學(xué)大門的偉人”。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,【例題1】 如圖,陰極射線顯像管及其偏轉(zhuǎn)線圈的示意圖。顯像管中有一個(gè)陰極,工作時(shí)它能發(fā)射陰極射線,熒光屏被陰極射線轟擊就能發(fā)光。安裝在管頸的偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)磁場,可以使陰極射線發(fā)生偏轉(zhuǎn)。下列說法中正確的是 (),探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,A.如果偏轉(zhuǎn)線圈中沒有電流,則陰極射線應(yīng)該打在熒光屏正中的O點(diǎn) B.如果要使陰極射線在豎直方向偏離中心,打在熒光屏上A點(diǎn),則偏轉(zhuǎn)磁場的方向應(yīng)該垂直紙面向里 C.如果要使陰極射線在豎直方向偏離中心,打在熒光屏上B點(diǎn),則偏轉(zhuǎn)磁

6、場的方向應(yīng)該垂直紙面向里 D.如果要使陰極射線在熒光屏上的位置由B點(diǎn)向A點(diǎn)移動(dòng),則偏轉(zhuǎn)磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)該先由小到大,再由大到小,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,解析:如果偏轉(zhuǎn)線圈中沒有電流,不產(chǎn)生磁場,則陰極射線將沿直線打在熒光屏上的O點(diǎn),A項(xiàng)正確;要使陰極射線打在熒光屏上的A點(diǎn),則其所受洛倫茲力方向應(yīng)向上,根據(jù)左手定則可以得知,偏轉(zhuǎn)磁場的方向應(yīng)該由里向外,B項(xiàng)錯(cuò)誤;同理可判得C項(xiàng)正確;要使陰極射線在熒光屏上的位置由B向A移動(dòng),射線在偏轉(zhuǎn)磁場中運(yùn)動(dòng)的半徑應(yīng)先增大后減小,根據(jù)帶電粒子在磁場中的偏轉(zhuǎn)半徑公式 知,偏轉(zhuǎn)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)先由大到小,再由小到大,D項(xiàng)錯(cuò)誤。 答案:AC,探

7、究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,變式訓(xùn)練1 如圖,一只陰極射線管,左側(cè)不斷有電子射出,若在管的正下方放一通電直導(dǎo)線AB時(shí),發(fā)現(xiàn)射線徑跡向下偏轉(zhuǎn),則() A.導(dǎo)線中的電流由A流向B B.導(dǎo)線中的電流由B流向A C.若要使電子束的徑跡往上偏轉(zhuǎn),可以通過改變AB中的電流方向來實(shí)現(xiàn) D.電子束的徑跡與AB中的電流方向無關(guān),探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,解析:陰極射線是高速電子流,由左手定則判斷可知,磁場垂直紙面向里,由安培定則可知,導(dǎo)線AB中的電流由B流向A,且改變AB中的電流方向時(shí)可以使電子束的軌跡往上偏。故選項(xiàng)B、C正確。 答案:BC,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講

8、,典例剖析,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究二帶電粒子比荷的測定方法 帶電粒子的比荷有哪些測定方法?,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,1.比荷的測定方法 (1) 讓帶電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 。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,(2) 在其他條件不變的情況下撤去電場(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: 。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精

9、講,典例剖析,2.密立根油滴實(shí)驗(yàn) (1)裝置 密立根實(shí)驗(yàn)的裝置如圖所示。,兩塊水平放置的平行金屬板A、B與電源相接,使上板帶正電,下板帶負(fù)電。油滴從噴霧器噴出后,經(jīng)上面金屬板中間的小孔,落到兩板之間的勻強(qiáng)電場中。 大多數(shù)油滴在經(jīng)過噴霧器噴嘴時(shí),因摩擦而帶負(fù)電,油滴在電場力、重力和空氣阻力的作用下下降。觀察者可在強(qiáng)光照射下,借助顯微鏡進(jìn)行觀察。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,(2)方法 兩板間的電勢差、兩板間的距離都可以直接測得,從而確定極板間的電場強(qiáng)度E。但是由于油滴太小,其質(zhì)量很難直接測出。密立根通過測量油滴在空氣中下落的終極速度來測量油滴的質(zhì)量。沒加電場時(shí),由于空氣的黏性,

10、油滴所受的重力大小很快就等于空氣給油滴的摩擦力而使油滴勻速下落,可測得速度v1。 再加一足夠強(qiáng)的電場,使油滴做豎直向上的運(yùn)動(dòng),在油滴以速度v2勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),油滴所受的靜電力與重力、阻力平衡。根據(jù)空氣阻力遵循的規(guī)律,即可求得油滴所帶的電荷量。 (3)結(jié)論 帶電油滴的電荷量都等于某個(gè)最小電荷量的整數(shù)倍,從而證實(shí)了電荷是量子化的,并求得了其最小值即電子所帶的電荷量e。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,【例題2】在測陰極射線比荷的實(shí)驗(yàn)中,湯姆孫采用了如圖所示的陰極射線管,從C出來的陰極射線經(jīng)過A、B間的電場加速后,水平射入長度為L的D、E平行板間,接著在熒光屏F中心出現(xiàn)熒光斑。若在D、E間

11、加上方向向下,電場強(qiáng)度為E的勻強(qiáng)電場,陰極射線將向上偏轉(zhuǎn);如果再利用通電線圈在D、E電場區(qū)加上一垂直紙面的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(圖中未畫),熒光斑恰好回到熒光屏中心,接著再去掉電場。陰極射線向下偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)角為,試解決下列問題:,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,(1)說明陰極射線的帶電性; (2)說明圖中磁場沿什么方向; (3)根據(jù)L、E、B和,求出陰極射線的比荷。 解析:(1)由于陰極射線向上偏轉(zhuǎn),因此受電場力方向向上,又由于勻強(qiáng)電場方向向下,即所受電場力的方向與電場方向相反,所以陰極射線帶負(fù)電。 (2)根據(jù)題意知,在D、E區(qū)加上磁場時(shí),陰極射線受到的洛倫茲力應(yīng)向下,由左手定

12、則可判斷,磁場方向垂直紙面向里。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,變式訓(xùn)練2密立根實(shí)驗(yàn)的原理如圖所示,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1.92105 N/C,油滴半徑是1.6410-4 cm,油的密度是0.851 g/cm3,求油滴所帶的電荷量。這個(gè)電荷量是電子電荷量的多少倍?(取3.14,g取9.8 m/s2,e取1.610-19 C),探究一,探

13、究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,1,2,3,4,5,1.下列對(duì)陰極射線的說法,正確的是() A.是由很小的帶電的粒子構(gòu)成的 B.是由原子構(gòu)成的 C.是由電子構(gòu)成的 D.以上說法都不對(duì) 解析:通過陰極射線在電場、磁場中的偏轉(zhuǎn),研究發(fā)現(xiàn)陰極射線帶負(fù)電,而且比荷比氫離子的比荷大得多,則選項(xiàng)A、C正確。 答案:AC,1,2,3,4,5,2.關(guān)于密立根油滴實(shí)驗(yàn)的科學(xué)意義,下列說法正確的是 () A.測出了電子的電荷量 B.提出了電荷分布的量子化觀點(diǎn) C.為電子質(zhì)量的最終獲得作出了突出貢獻(xiàn) D.為人類進(jìn)一步研究原子的結(jié)構(gòu)提供了一定的理論依據(jù) 解析:密立根油

14、滴實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),油滴帶的電荷量都是某一最小電荷量的整數(shù)倍,此最小電荷量即為一個(gè)電子所帶電荷量,選項(xiàng)A、B均正確;由于湯姆孫測出了電子的比荷,故可知道電子的質(zhì)量,選項(xiàng)C正確;電子的電荷量及質(zhì)量的確定,為研究原子的結(jié)構(gòu)提供了一定的理論依據(jù),選項(xiàng)D正確。 答案:ABCD,1,2,3,4,5,3. 如圖所示,在陰極射線管正上方平行放一通有強(qiáng)電流的長直導(dǎo)線,則陰極射線將() A.向紙內(nèi)偏轉(zhuǎn)B.向紙外偏轉(zhuǎn) C.向下偏轉(zhuǎn)D.向上偏轉(zhuǎn) 解析:由題目條件不難判斷陰極射線所在處磁場垂直紙面向外,電子從負(fù)極端射出,由左手定則可判定陰極射線(電子)向上偏轉(zhuǎn)。 答案:D,1,2,3,4,5,4.下列是某實(shí)驗(yàn)小組測得的一組電

15、荷量,哪些是符合事實(shí)的 () A.+310-19 CB.+4.810-19 C C.-3.210-26 CD.-4.810-19 C 解析:電荷是量子化的,任何帶電體所帶電荷量只能是元電荷的整數(shù)倍,故B、D正確。 答案:BD,1,2,3,4,5,5. (選做題)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。 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);,1,2,3,4,5,B.在M1、M2兩極板間加合適的電場:加極性圖中所示的電壓,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