教科版高中物理選擇性必修三4.1電子的發(fā)現(xiàn)學(xué)案

學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.[物理觀念]了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)早期探究的基本歷程．2.[科學(xué)思維]知道陰極射線的產(chǎn)生及其本質(zhì)，理解湯姆孫對(duì)陰極射線研究的方法及電子發(fā)現(xiàn)的意義．3.[科學(xué)思維]了解湯姆孫原子模型．一、物質(zhì)結(jié)構(gòu)的早期探究1．古人對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)(1)我國(guó)西周的“五行說”認(rèn)為萬(wàn)物是由金、木、水、火、土五種基本“元素”組成的．(2)古希臘的亞里士多德認(rèn)為萬(wàn)物的本質(zhì)是土、水、火、空氣四種“元素”，天體則由第五種“元素”——“以太”構(gòu)成．(3)古希臘哲學(xué)家德謨克利特等人建立了早期的原子論，認(rèn)為宇宙間存在一種或多種微小的實(shí)體，叫作“原子”．2．通過實(shí)驗(yàn)了解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)(1)1661年，玻意耳以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)建立了科學(xué)的元素論．(2)19世紀(jì)初，道爾頓提出了原子論，認(rèn)為原子是元素的最小單位．(3)1811年，意大利化學(xué)家阿伏伽德羅提出了分子假說，指出分子可以由多個(gè)相同的原子組成．3．19世紀(jì)初期形成的分子—原子論認(rèn)為，在物質(zhì)的結(jié)構(gòu)中存在著分子、原子這樣的層次，宏觀物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)決定于分子，而分子則由原子組成．原子是構(gòu)成物質(zhì)的不可再分割的最小顆粒，它既不能創(chuàng)生，也不能消滅．二、電子的發(fā)現(xiàn)及湯姆孫模型1．陰極射線：科學(xué)家在研究稀薄氣體放電時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)玻璃管內(nèi)的氣體足夠稀薄時(shí)，陰極發(fā)出一種射線，這種射線能使玻璃管壁發(fā)出熒光，這種射線稱為陰極射線．2．湯姆孫對(duì)陰極射線本質(zhì)的探究(1)通過實(shí)驗(yàn)：巧妙利用靜電偏轉(zhuǎn)力和磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)力相抵消等方法，確定了陰極射線粒子的速度，并測(cè)量出了粒子的比荷．(2)換用不同材料的陰極和不同的氣體，所得粒子的比荷相同，這說明不同物質(zhì)都能發(fā)射這種帶電粒子，它是各種物質(zhì)中共有的成分．3．結(jié)論(1)陰極射線是帶電粒子流．(2)不同物質(zhì)都能發(fā)射這種帶電粒子，它是各種物質(zhì)中共有的成分，比最輕的氫原子的質(zhì)量還要小得多，湯姆孫將這種帶電粒子稱為電子．(3)電子的發(fā)現(xiàn)說明原子具有一定的結(jié)構(gòu)，即原子是由電子和其他物質(zhì)組成的．4．電子發(fā)現(xiàn)的意義：電子的發(fā)現(xiàn)揭開了認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)的序幕．5．19世紀(jì)末微觀世界三大發(fā)現(xiàn)(1)1895年倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線．(2)X射線發(fā)現(xiàn)后不久，貝可勒爾發(fā)現(xiàn)了放射性．(3)1897年湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子．6．湯姆孫的原子模型原子帶正電的部分充斥整個(gè)原子，很小很輕的電子鑲嵌在球體的某些固定位置，正像葡萄干嵌在面包中那樣．1．思考判斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)阿伏伽德羅提出分子可以由多個(gè)原子組成． (√)(2)19世紀(jì)初期形成的原子論觀點(diǎn)認(rèn)為原子是構(gòu)成物質(zhì)的最小顆粒，是不可分的． (√)(3)電子的發(fā)現(xiàn)，說明原子具有一定的結(jié)構(gòu)． (√)(4)電子是第一種被人類發(fā)現(xiàn)的微觀粒子． (√)(5)電子的發(fā)現(xiàn)，是19世紀(jì)末的三大著名發(fā)現(xiàn)之一． (√)2．(多選)湯姆孫對(duì)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”．關(guān)于電子的說法正確的是()A．任何物質(zhì)中均有電子B．不同的物質(zhì)中具有不同的電子C．電子的質(zhì)量比最輕的氫原子的質(zhì)量小得多D．電子是一種粒子，是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元ACD[湯姆孫對(duì)不同材料的陰極發(fā)出的射線進(jìn)行研究，均為相同的粒子——電子，所以選項(xiàng)A正確，B錯(cuò)誤；電子是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元，其質(zhì)量是氫原子質(zhì)量的eq\f(1,1800)，故選項(xiàng)C、D均正確．]3．關(guān)于湯姆孫原子模型的說法正確的是()A．湯姆孫原子模型的提出是以嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的B．湯姆孫認(rèn)為原子是實(shí)心的C．湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子后猜想出原子內(nèi)的正電荷集中在原子的中心D．湯姆孫通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子B[湯姆孫原子模型是在一定的實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)上假想出來的，不是以嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的，A錯(cuò)誤；湯姆孫認(rèn)為，原子是球體，原子帶正電的部分應(yīng)充斥整個(gè)球體內(nèi)，很小很輕的電子鑲嵌在球體的某些固定位置，正像葡萄干嵌在面包中那樣，B正確，C錯(cuò)誤；湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子，并沒有發(fā)現(xiàn)質(zhì)子，D錯(cuò)誤．]陰極射線的研究如圖所示，在陰極和陽(yáng)極之間加上高電壓，可看到陰極射線從陰極射線管中的陰極發(fā)出，射向陽(yáng)極．(1)怎樣判定陰極射線是不是電磁輻射？(2)根據(jù)帶電粒子在電、磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，哪些方法可以判斷運(yùn)動(dòng)的帶電粒子所帶電荷的正負(fù)？提示：(1)電磁輻射是電磁波的輻射，若使陰極射線通過電場(chǎng)或磁場(chǎng)，看傳播方向是否受其影響則可判定是不是電磁輻射．(2)帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)，正負(fù)電荷的偏轉(zhuǎn)方向不同，偏轉(zhuǎn)方向與場(chǎng)強(qiáng)方向相同(相反)的粒子帶正(負(fù))電，不帶電者不偏轉(zhuǎn)．帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，所受的洛倫茲力提供向心力，根據(jù)左手定則可知其電性．1．對(duì)陰極射線的認(rèn)識(shí)(1)現(xiàn)象：真空玻璃管兩極加上高電壓，可看到玻璃管壁上發(fā)出熒光及管中物體在玻璃壁上的影．(2)命名：德國(guó)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)驗(yàn)證：英國(guó)物理學(xué)家湯姆孫讓陰極射線在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)，發(fā)現(xiàn)陰極射線帶負(fù)電并測(cè)出了粒子的比荷，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)電子．(5)實(shí)驗(yàn)：密立根通過“油滴實(shí)驗(yàn)”精確測(cè)定了電子的電荷量和電子的質(zhì)量．2．電子比荷的測(cè)定方法(1)讓帶電粒子通過相互垂直的電場(chǎng)和磁場(chǎng)(如圖甲)，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v＝eq\f(E,B)．甲乙(2)撤去電場(chǎng)(如圖乙)，保留磁場(chǎng)，讓粒子單純地在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，由洛倫茲力提供向心力，即Bqv＝meq\f(v2,r)，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：eq\f(q,m)＝eq\f(E,B2r)．【例1】湯姆孫用來測(cè)定電子的比荷(電子的電荷量與質(zhì)量之比)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示．真空管內(nèi)的陰極K發(fā)出的電子(不計(jì)初速度、重力和電子間的相互作用)經(jīng)加速電壓加速后，穿過小孔C沿中心軸O1O的方向進(jìn)入到兩塊水平正對(duì)放置的平行極板P和P′間的區(qū)域內(nèi)．當(dāng)極板間不加偏轉(zhuǎn)電壓時(shí)，電子束打在熒光屏的中心O點(diǎn)處，形成了一個(gè)亮點(diǎn)；加上偏轉(zhuǎn)電壓U后，亮點(diǎn)偏離到O′點(diǎn)(O′點(diǎn)與O點(diǎn)的豎直間距為d，水平間距可忽略不計(jì))．此時(shí)，在P和P′間的區(qū)域內(nèi)，再加上一個(gè)方向垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)．調(diào)節(jié)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為B時(shí)，亮點(diǎn)重新回到O點(diǎn)．已知極板水平方向的長(zhǎng)度為l1，極板間距為b，極板右端到熒光屏的距離為l2．(1)求打在熒光屏O點(diǎn)的電子速度的大?。?2)推導(dǎo)出電子的比荷的表達(dá)式．(3)上述實(shí)驗(yàn)中，未記錄陰極K與陽(yáng)極A之間的加速電壓U0，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能否推導(dǎo)出U0的表達(dá)式？說明理由．思路點(diǎn)撥：解此題兩個(gè)關(guān)鍵：(1)電子在電場(chǎng)中做類平拋運(yùn)動(dòng)，在電磁場(chǎng)中做勻速直線運(yùn)動(dòng)，受到的電場(chǎng)力和洛倫茲力平衡．(2)仔細(xì)分析其物理過程寫出比荷表達(dá)式．[解析](1)當(dāng)電子受到的電場(chǎng)力與洛倫茲力平衡時(shí)，電子做勻速直線運(yùn)動(dòng)，亮點(diǎn)重新回到中心O點(diǎn)，設(shè)電子的速度為v，則evB＝eE，得v＝eq\f(E,B)，又E＝eq\f(U,b)，得v＝eq\f(U,Bb)．(2)當(dāng)極板間僅有偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)時(shí)，電子以速度v進(jìn)入后，在豎直方向做勻加速運(yùn)動(dòng)，加速度a＝eq\f(eU,mb)，電子在水平方向做勻速運(yùn)動(dòng)，在電場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t1＝eq\f(l1,v)，電子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，豎直向上偏轉(zhuǎn)的距離d1＝eq\f(1,2)ateq\o\al(2,1)＝eq\f(el\o\al(2,1)U,2mv2b)，離開電場(chǎng)時(shí)豎直向上的分速度v⊥＝at1＝eq\f(el1U,mvb)，電子離開電場(chǎng)后做勻速直線運(yùn)動(dòng)，經(jīng)t2時(shí)間到達(dá)熒光屏，則t2＝eq\f(l2,v)，t2時(shí)間內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)的距離d2＝v⊥t2＝eq\f(eUl1l2,mv2b)，電子向上的總偏轉(zhuǎn)距離d＝d1＋d2＝eq\f(eU,mv2b)（l1l2＋eq\f(l1,2)）可解得eq\f(e,m)＝eq\f(2Ud,B2bl1l1＋2l2)．(3)能．由動(dòng)能定理可得eU0＝eq\f(1,2)mv2－0，已知v和eq\f(e,m)的表達(dá)式，可推導(dǎo)出U0的表達(dá)式．[答案](1)eq\f(U,Bb)(2)eq\f(2Ud,B2bl1l1＋2l2)(3)見解析分析陰極射線的兩點(diǎn)注意(1)陰極射線的本質(zhì)是高速電子流，在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，所受電場(chǎng)力與洛倫茲力遠(yuǎn)大于所受重力，故研究電磁力對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的影響時(shí)，一般不考慮重力的影響．(2)應(yīng)用左手定則時(shí)，要注意負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的方向與它形成的電流方向相反，即應(yīng)用左手定則時(shí)負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的方向應(yīng)與四指所指的方向相反．[跟進(jìn)訓(xùn)練]1．如圖所示，讓一束均勻的陰極射線從兩極板正中間垂直穿過正交的電磁場(chǎng)，選擇合適的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和兩極之間的電壓U，帶電粒子將不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，然后撤去電場(chǎng)，粒子將做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，并垂直打到極板上，兩極板之間的距離為d，求陰極射線中帶電粒子的比荷．[解析]設(shè)陰極射線粒子的電荷量為q，質(zhì)量為m，則在電磁場(chǎng)中由平衡條件得：qeq\f(U,d)＝qvB， ①撤去電場(chǎng)后，由牛頓第二定律得qvB＝eq\f(mv2,R)， ②R＝eq\f(d,2)， ③解①②③得：eq\f(q,m)＝eq\f(2U,B2d2)．[答案]eq\f(2U,B2d2)湯姆孫原子結(jié)構(gòu)模型電子是原子的一個(gè)組成部分，電子帶負(fù)電，且質(zhì)量很小，遠(yuǎn)小于原子的質(zhì)量．但原子呈電中性，原子內(nèi)還有帶正電的具有大部分原子質(zhì)量的部分，這部分物質(zhì)是什么？與電子是怎么分布在原子中的？提示：原子核；原子核在原子中心，電子繞核旋轉(zhuǎn)．1．湯姆孫原子模型提出的背景：電子的發(fā)現(xiàn)說明原子具有一定的結(jié)構(gòu)．既然原子中存在帶負(fù)電的電子，而原子通常是電中性的，那么原子中一定含有帶正電的部分．電子的質(zhì)量很小，因此，原子的質(zhì)量主要集中在帶正電的部分，原子中帶正電的部分和帶負(fù)電的電子是怎樣分布的呢？2．湯姆孫原子模型的特點(diǎn)：湯姆孫認(rèn)為原子是一個(gè)直徑約為10－10m的球體，正電荷均勻分布在整個(gè)球體中，帶負(fù)電的電子鑲嵌在其中，就好像面包中嵌著一粒粒葡萄干一樣．如圖所示為湯姆孫原子模型的示意圖．【例2】人們對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)有一個(gè)不斷深化的過程，下列先后順序中符合史實(shí)的是()①道爾頓提出的原子論②德謨克利特的古典原子論③湯姆孫提出的“葡萄干面包”原子模型A．①②③ B．②①③C．③②① D．③①②B[對(duì)于探索構(gòu)成物質(zhì)的最小微粒，古希臘哲學(xué)家德謨克利特建立了早期的原子論，19世紀(jì)初，道爾頓提出了原子論，湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子后，提出了“葡萄干面包”模型，故選項(xiàng)B正確．][跟進(jìn)訓(xùn)練]2．(多選)湯姆孫提出原子的“葡萄干面包”模型的主要依據(jù)是()A．原子構(gòu)成中有質(zhì)子B．原子構(gòu)成中有電子C．整個(gè)原子是電中性的D．原子構(gòu)成中有中子BC[湯姆孫發(fā)現(xiàn)了原子內(nèi)有帶負(fù)電的電子，而原子呈電中性，可見原子內(nèi)還有帶正電的物質(zhì)，湯姆孫并不知道里面的結(jié)構(gòu)，只是猜想出了“葡萄干面包”模型．]1．英國(guó)物理學(xué)家湯姆孫通過陰極射線的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)()A．陰極射線在電場(chǎng)中偏向正極板一側(cè)B．陰極射線在磁場(chǎng)中受力情況跟正電荷受力情況相同C．不同材料所產(chǎn)生的陰極射線的比荷不同D．湯姆孫直接測(cè)到了陰極射線粒子的電荷量A[陰極射線在電場(chǎng)中偏向正極板一側(cè)，因此陰極射線應(yīng)該帶負(fù)電荷，A正確；陰極射線在磁場(chǎng)中受力情況跟負(fù)電荷受力情況相同，B錯(cuò)誤；不同材料所產(chǎn)生的陰極射線的比荷相同，C錯(cuò)誤；湯姆孫并沒有直接測(cè)到陰極射線粒子的電荷量，D錯(cuò)誤。]2．關(guān)于陰極射線的本質(zhì)，下列說法正確的是()A．陰極射線的本質(zhì)是紫外線B．陰極射線的本質(zhì)是紅外線C．陰極射線的本質(zhì)是X射線D．陰極射線的本質(zhì)是電子流D[陰極射線的本質(zhì)是帶電的粒子流，即電子流．故D項(xiàng)正確．]3．下列說法錯(cuò)誤的是()A．電子是原子的組成部分B．電子電荷的精確測(cè)定最早是由密立根通過著名的“油滴實(shí)驗(yàn)”實(shí)現(xiàn)的C．電子電荷的數(shù)值約為1.602×10－19CD．電子質(zhì)量與電荷量的比值稱為電子的比荷D[電子是原子的組成部分，電子的發(fā)現(xiàn)說明原子是可以再分的，選項(xiàng)A正確；電子電荷的精確測(cè)定是由密立根通過著名的“油滴實(shí)驗(yàn)”做出的，其測(cè)得電子電荷的值約為1.602×10－19C，選項(xiàng)B、C正確；電子的電荷量與質(zhì)量的比值稱為電子的比荷，選項(xiàng)D錯(cuò)誤．]4．如圖所示，陰極射線管的玻璃管內(nèi)已經(jīng)抽成真空，當(dāng)左右兩個(gè)電極連接到高壓電源時(shí)，陰極會(huì)發(fā)射電子，電子在電場(chǎng)的加速下飛向陽(yáng)極，擋板上有一個(gè)扁平的狹縫，電子飛過擋板后形成一個(gè)扁平的電子束，長(zhǎng)條形的熒光板在陽(yáng)極端稍稍傾向軸線，電子束射到熒光板上，顯示出電子束的徑跡，現(xiàn)在用該裝置研究磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用的實(shí)驗(yàn)，下列對(duì)該實(shí)驗(yàn)的說法正確的是()A．沒有施加磁場(chǎng)時(shí)，電子束的徑跡是一條拋物線B．若圖中左側(cè)是陰極射線管的陰極，加上圖示的磁