2022年人教版選修《電子的發(fā)現(xiàn)》教案

1、名師精編 優(yōu)秀教案18.1 電子的發(fā)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)（1）了解陰極射線及電子發(fā)現(xiàn)的過程；（2）知道湯姆孫研究陰極射線發(fā)現(xiàn)電子的實(shí)驗(yàn)及理論推導(dǎo)。引入新課 人類對(duì)原子的認(rèn)識(shí)和研究經(jīng)歷了一個(gè)十分漫長的過程，這一過程也是辯證發(fā) 展的過程。 根據(jù)事實(shí)建立學(xué)說， 發(fā)展學(xué)說，或是決定學(xué)說的取舍， 發(fā)現(xiàn)新的事實(shí)，再建立新的學(xué)說。 人類就是這樣通過光的行為， 經(jīng)過分析和研究， 逐漸認(rèn)識(shí)原子 的。很早以來，人們一直認(rèn)為構(gòu)成物質(zhì)的最小粒子是原子，割的粒子。這種認(rèn)識(shí)一直統(tǒng)治了人類思想近兩千年。直到原子是一種不可再分 19 世紀(jì)末，科學(xué)家對(duì)實(shí)驗(yàn)中的陰極射線深入研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)了電子，使人類對(duì)微觀世界有了新的認(rèn)識(shí)。電子的發(fā)現(xiàn)是 1

2、9 世紀(jì)末、 20 世紀(jì)初物理學(xué)三大發(fā)現(xiàn)之一。一、物質(zhì)結(jié)構(gòu)的早期探究 大千世界（宇宙）是由什么構(gòu)成的？我國西周時(shí)期的五行說：金、木、水、火、土 古希臘的亞里士多德認(rèn)為：萬物的本質(zhì)是土、水、火、空氣4 種“ 元素” ，天體則由第五種元素以太構(gòu)成。古希臘學(xué)者德謨克利特等人認(rèn)為宇宙間存在一種或多種微小的實(shí)體，這個(gè)實(shí) 體叫做“ 原子” ， 原子密不可分， 這些原子在虛空中運(yùn)動(dòng)， 并可按照不同的方式 重新結(jié)合或分散。我國戰(zhàn)國時(shí)期的思想家墨子認(rèn)為物體是由不可分割的最小單元“ 端”構(gòu)成 1661 年，玻意耳以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)建立科學(xué)的元素論，認(rèn)為只有那些不能 用化學(xué)方法再分解的簡單物質(zhì)才是元素，各種元素存在著

3、不同的原子。19 世紀(jì)初，道爾頓提出原子論。成。1811 年，阿伏伽德羅提出了分子假說，指出分子可以由多個(gè)相同的原子組宏觀物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)決定于分子，分子則由原子構(gòu)成，原子是構(gòu)成物質(zhì)的不可分再分的最小顆粒。原子真的不可再分了嗎？二、陰極射線氣體分子在高壓電場下可以發(fā)生電離，使本來不帶電的空氣分子變成具有等量正、負(fù)電荷的帶電粒子， 使不導(dǎo)電的空氣變成導(dǎo)體。 是什么原因讓空氣分子變 成帶電粒子的？帶電粒子從何而來的？1、陰極射線 早在 1858 年，德國物理學(xué)家普呂克爾利用低壓氣體放電管研究氣體導(dǎo)電時(shí) 發(fā)現(xiàn)一種奇特的輝光放電現(xiàn)象。演示實(shí)驗(yàn)： 用一個(gè)陰極射線管兩端加高壓，管中有一個(gè)金屬十字狀物體，可

4、以觀察到管端玻璃壁上亮度的變化。陰極射線管：真空，陰極為金屬板，兩極接高壓。德國物理學(xué)家戈德斯坦對(duì)輝光放電現(xiàn)象研究后認(rèn)為這是從陰極發(fā)出的某種 射線引起的。所以他把這種未知射線稱之為陰極射線。2、陰極射線的本質(zhì) ，有大量的科學(xué)家作出大量的科學(xué)研究，主要形成了兩名師精編 優(yōu)秀教案種觀點(diǎn)。（1）電磁波說： 代表人物，赫茲。認(rèn)為這種射線的本質(zhì)是一種電磁波的傳 播過程。（2）粒子說： 代表人物，湯姆孫。認(rèn)為這種射線的本質(zhì)是一種高速粒子流。探究一：你能否設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來研究陰極射線到底是一種電磁波還是一種高 速粒子流。（用電磁場能使運(yùn)動(dòng)著的帶電粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)來指導(dǎo)學(xué)生判斷陰極射線 的本質(zhì)是一種帶電微粒。 ）探

5、究二：既然已經(jīng)知道陰極射線是一種帶電微粒，那么它帶什么電？怎么判斷？（用加電、磁場的方法判斷出陰極射線帶負(fù)電）。 3、陰極射線應(yīng)用電子示波器中的示波管、 電視的顯像管、 電子顯微鏡等都是利用陰極射線在電磁場作用下偏轉(zhuǎn)、聚焦以及能使被照射的某些物質(zhì) , 如硫化鋅發(fā)熒光的性質(zhì)工作的 . 高速的陰極射線打在某些金屬靶極上能產(chǎn)生X 射線，可用于研究物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)。陰極射線還可直接用于切割、熔化、焊接等。三、電子的發(fā)現(xiàn)我們已經(jīng)知道了陰極射線是一種帶負(fù)電的微粒，那么它到底是一種什么粒子呢？要了解一種帶電微粒， 找到它的電荷量與質(zhì)量的比值即比荷 q/m 是比較重要的途徑之一，英國物理學(xué)家湯姆孫在 1890

6、年也想到了這里，他在著名的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室用下面的裝置求出了這種帶電微粒的比荷。它的比荷。我們把湯姆孫的這種方法叫“ 電偏法”1、湯姆孫的研究實(shí)際上有多種方法可以測量英國物理學(xué)家湯姆孫在研究陰極射線時(shí)發(fā)現(xiàn)了電子。實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示， 從高壓電場的陰極發(fā)出的陰極射線，穿過 C1C2后沿直線打在熒光屏 A上。為了研究陰極射線粒子的比荷， 湯姆孫在真空管兩側(cè)加了兩塊金屬板，金屬板間加一電壓。磁場S C C1 C2 Y A（1）當(dāng)金屬板之間未加電場時(shí)，射線不偏轉(zhuǎn)，當(dāng)在平行極板上加一如圖所示的電場， 發(fā)現(xiàn)陰極射線打在熒光屏上的位置向下偏，負(fù)電荷。則可判定， 陰極射線帶有（2）為使陰極射線不發(fā)生偏轉(zhuǎn)， 則請(qǐng)思

7、考可在平行極板區(qū)域采取什么措施。在平行極板區(qū)域加一磁場，且磁場方向必須垂直紙面向外。當(dāng)滿足條件：qv0tanB qE 時(shí)，則陰極射線不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。則：v0 EB（3）根據(jù)帶電的陰極射線在電場中的運(yùn)動(dòng)情況可知，其速度偏轉(zhuǎn)角為：qEL2m v 0名師精編 優(yōu)秀教案又因?yàn)椋簍an y( D L) L S 螢?zāi)? D y 且 v0 EB O m e v0 電場 E A y1 x 則：q Ey v S y2 m ( D L) B 2L2根據(jù)已知量，可求出陰極射線的比荷。湯姆孫求出的比荷約為 10 11 庫侖 /千克，而當(dāng)時(shí)已知的最小的氫離子的比荷為 10 8 庫侖 /千克 ，這種陰極射線粒子的比荷比最小的

8、氫離子的比荷還大約 2000倍，只有兩種可能，一是此種陰極射線的電荷量很大，或者它的質(zhì)量很小。到底是怎樣的呢？湯姆孫并沒有放棄，后來他直接測到了這種陰極射線的電荷量，發(fā)現(xiàn)它與氫離子的電荷量差不多， 由此可以證明這種陰極射線粒子的質(zhì)量比當(dāng)時(shí)認(rèn)為最小的氫離子的質(zhì)量小上千倍。后來，湯姆孫發(fā)現(xiàn)，用不同材料的陰極和不同的氣體做實(shí)驗(yàn)，所得陰極射線比荷的數(shù)值是相等的。 這說明不同物質(zhì)都能發(fā)射這種帶電粒子，物質(zhì)的共有成分。于是，湯姆生把新發(fā)現(xiàn)的這種粒子稱之為電子。它是構(gòu)成各種 1897 年，湯姆孫向世界宣布發(fā)現(xiàn)了電子。2、電子的電荷量和質(zhì)量第一次較為精確測量出電子電荷量的是美國物理學(xué)家密立根利用油滴實(shí)驗(yàn)測量出

9、的。美國物理學(xué)家密立根利用油滴實(shí)驗(yàn)較為精確的測量出電子的電荷量為e1.60217733 1019C 密立根通過實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)， 電荷具有量子化的特征。 即任何電荷只能是 e 的整數(shù)倍。再由前面實(shí)驗(yàn)得到的比荷可以確定 m9.1093897 1031kg 四、電子發(fā)現(xiàn)的意義：電子的質(zhì)量電子的發(fā)現(xiàn)，不僅找到了一種比原子更小的微粒，說明原子也是有結(jié)構(gòu)的，是可以再分的，電子是原子的組成部分。由于原子中含有帶負(fù)電的電子， 從物質(zhì)的電中性出發(fā)， 推想出原子中還有帶正電的部分， 這就進(jìn)一步地提出了探索原子結(jié)構(gòu)和建立原子模型的問題，由此揭開了原子物理研究的序幕，為 的作用。20 世紀(jì)原子物理學(xué)科的建立和發(fā)展起到極為

10、關(guān)鍵因此，他被科學(xué)界譽(yù)為 “一位最先打開通向基本粒子物理學(xué)大門的偉人”。電子的發(fā)現(xiàn)與 X 射線和放射線的發(fā)現(xiàn)被稱為 現(xiàn)。19 世紀(jì)末 20 世紀(jì)初物理學(xué)的三大發(fā)五、科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)陰極射線是德國物理學(xué)家 J.普呂克爾在 1858 年利用低壓氣體放電管研究氣體放電時(shí)發(fā)現(xiàn)的 .從低壓氣體放電管陰極發(fā)出的電子在電場加速下形成的電子流。陰極可以是冷的也可以是熱的，電子通過外加電場的場致發(fā)射、殘存氣體中正離子的轟擊或熱電子發(fā)射過程從陰極射出。大家注意到，從 1858 年普呂克爾首次觀察到陰極射線到 1897 年湯姆孫確認(rèn)電子的存在，其間經(jīng)歷了近40 年，這期間對(duì)陰極射線的研究從未間斷，甚至有名師精編 優(yōu)秀教

11、案人也測出了組成陰極射線微粒的比荷，但是誰都不敢承認(rèn)還有比原子更小的粒 子，因而錯(cuò)過了發(fā)現(xiàn)電子的良機(jī)。1897 年 J.J.湯姆孫根據(jù)放電管中的陰極射線在 電磁場 和磁場 作用下的軌跡 確定陰極射線中的 粒子帶負(fù)電，并測出其 荷質(zhì)比 ，這在一定意義上是歷史上第一 次發(fā)現(xiàn)電子， 12 年后 R.A.密立根用 油滴實(shí)驗(yàn) 測出了電子的 電荷。湯姆生對(duì)電子的研究過程和方法 定性研究：J.J.湯姆生還改進(jìn)了赫茲的靜電場偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，他進(jìn)一步提高了真空度， 并且 減小極間電壓， 以防止氣體電離， 終于獲得了穩(wěn)定的靜電偏轉(zhuǎn)。得出陰極射線帶負(fù)電。定量研究：e/m。計(jì)算出陰極射線的荷質(zhì)比普遍性證明 科學(xué)研究的重要特點(diǎn)之一是通過各種途徑去探索自然規(guī)律。這個(gè)進(jìn)程是曲折 復(fù)雜的，不可能完全遵循某一條預(yù)定的途