2024-2025學(xué)年高中物理第十八章原子結(jié)構(gòu)第1節(jié)電子的發(fā)現(xiàn)學(xué)案新人教版選修3-5

PAGE7-第1節(jié)電子的發(fā)覺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．理解電子的發(fā)覺對(duì)揭示原子結(jié)構(gòu)的重大意義。4．體會(huì)電子的發(fā)覺過程中蘊(yùn)含的科學(xué)方法。一、陰極射線在充有淡薄氣體的玻璃管兩端安裝電極，當(dāng)兩極間加上肯定電壓時(shí)，陰極便發(fā)出一種看不見的射線，這種射線叫做eq\o(□,\s\up3(01))陰極射線。二、電子的發(fā)覺1．湯姆孫的探究方法及結(jié)論湯姆孫依據(jù)陰極射線在eq\o(□,\s\up3(01))電場(chǎng)和eq\o(□,\s\up3(02))磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)判定，它的本質(zhì)是帶負(fù)電的粒子流，并求出了這種粒子的比荷。湯姆孫用不同材料的陰極做試驗(yàn)，所得的比荷都是eq\o(□,\s\up3(03))相同的，是氫離子比荷的近兩千倍。湯姆孫干脆測(cè)量了陰極射線粒子的電荷量，得到這種粒子的電荷量大小與eq\o(□,\s\up3(04))氫離子大致相同。后來把組成陰極射線的粒子稱為eq\o(□,\s\up3(05))電子。2．湯姆孫的進(jìn)一步探討湯姆孫進(jìn)一步探討發(fā)覺，不論是陰極射線、β射線、光電效應(yīng)中的光電流還是熱離子放射效應(yīng)中的離子流，它們都包含eq\o(□,\s\up3(06))電子。結(jié)論：電子是從原子中放射出來的，它的質(zhì)量只比最輕原子的質(zhì)量的兩千分之一稍多一點(diǎn)，由此可見，電子是eq\o(□,\s\up3(07))原子的組成部分，是比原子更基本的物質(zhì)單元。3．對(duì)電子的相識(shí)電子電荷量e＝eq\o(□,\s\up3(08))1.602×10－19_C，是由密立根通過聞名的“eq\o(□,\s\up3(09))油滴試驗(yàn)”精確測(cè)定出來的。密立根發(fā)覺，電荷是eq\o(□,\s\up3(10))量子化的，任何電荷只能是e的整數(shù)倍。質(zhì)子的質(zhì)量與電子的質(zhì)量的比值：eq\o(□,\s\up3(11))1836∶1。判一判(1)陰極射線管發(fā)出熒光的緣由是由于陰極射線撞擊管壁而引起的。()(2)想知道陰極射線是電磁波還是帶電粒子，可以使陰極射線垂直進(jìn)入電場(chǎng)和磁場(chǎng)，通過熒光屏上的亮點(diǎn)位置來推斷。()(3)湯姆孫發(fā)覺了電子，從而相識(shí)到原子是可以再分的。()(4)湯姆孫指出陰極射線的本質(zhì)是帶負(fù)電的粒子流，密立根求出了粒子的比荷。()提示：(1)√(2)√(3)√(4)×想一想(1)氣體放電管中的氣體為什么會(huì)導(dǎo)電？提示：氣體分子內(nèi)部有電荷，正電荷和負(fù)電荷的數(shù)量相等，對(duì)外呈電中性，當(dāng)分子處于電場(chǎng)中時(shí)，正電荷和負(fù)電荷所受電場(chǎng)力的方向相反，電場(chǎng)很強(qiáng)時(shí)正、負(fù)電荷被“撕”開，于是出現(xiàn)了等量的正、負(fù)電荷，在電場(chǎng)力作用下做定向運(yùn)動(dòng)，氣體就導(dǎo)電了。(2)只有陰極射線中包含電子嗎？提示：不是只有陰極射線中包含電子。β射線、光電效應(yīng)中的光電流、熱離子放射效應(yīng)中的離子流，都包含電子。

課堂任務(wù)陰極射線1．演示試驗(yàn)：如圖所示，真空玻璃管中，K是金屬板制成的陰極，接在感應(yīng)線圈的負(fù)極上，金屬環(huán)制成的陽極A，接感應(yīng)線圈的正極，管中十字狀物體是一個(gè)金屬片，接通電源后，視察管端玻璃壁上亮度的改變。2．試驗(yàn)現(xiàn)象：德國物理學(xué)家普呂克爾在類似的試驗(yàn)中看到了玻璃壁上淡淡的熒光及管中物體在玻璃壁上的影。3．試驗(yàn)分析：熒光的實(shí)質(zhì)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。4．對(duì)陰極射線本質(zhì)的相識(shí)：對(duì)于陰極射線的本質(zhì)，科學(xué)家做了大量的科學(xué)探討，主要形成了兩種觀點(diǎn)。(1)電磁波說：代表人物——赫茲，他認(rèn)為這種射線的本質(zhì)是一種電磁輻射。(2)粒子說：代表人物——湯姆孫，他認(rèn)為這種射線的本質(zhì)是一種帶電粒子流。例1關(guān)于陰極射線，下列說法正確的是()A．陰極射線就是淡薄氣體導(dǎo)電時(shí)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(xué)家戈德斯坦命名的D．陰極射線就是X射線(1)陰極射線是如何產(chǎn)生的？提示：在探討氣體導(dǎo)電的玻璃管內(nèi)有陰、陽兩極。當(dāng)兩極間加肯定電壓時(shí)，陰極便發(fā)出一種射線，這種射線為陰極射線。(2)陰極射線的本質(zhì)是什么？提示：電子流。[規(guī)范解答]陰極射線是在真空管中由負(fù)極發(fā)出的電子流，故A、B錯(cuò)誤；陰極射線是由德國物理學(xué)家戈德斯坦在1876年提出并命名，故C正確；陰極射線本質(zhì)是電子流，故D錯(cuò)誤。[完備答案]C對(duì)陰極射線的理解及帶電性質(zhì)的推斷方法(1)陰極射線事實(shí)上就是電子流。(2)輝光現(xiàn)象產(chǎn)生的條件：玻璃管中氣體淡薄。(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。(5)陰極射線帶電性質(zhì)的推斷方法陰極射線的本質(zhì)是電子流，在電場(chǎng)(或磁場(chǎng))中所受電場(chǎng)力(或洛倫茲力)遠(yuǎn)大于所受重力，故探討電場(chǎng)力(或洛倫茲力)對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的影響時(shí)，一般不考慮重力的影響，其帶電性質(zhì)的推斷方法如下：①方法一：在陰極射線所經(jīng)區(qū)域加上電場(chǎng)，通過打在熒光屏上的亮點(diǎn)的位置改變和電場(chǎng)的狀況確定帶電的性質(zhì)。②方法二：在陰極射線所經(jīng)區(qū)域加一磁場(chǎng)，依據(jù)亮點(diǎn)位置的改變和左手定則確定帶電的性質(zhì)。eq\a\vs4\al([變式訓(xùn)練1])如圖所示，在陰極射線管正上方平行放一通有向左的強(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)答案D解析由安培定則可知，陰極射線管處磁場(chǎng)方向垂直紙面對(duì)外，而陰極射線方向向右，即電子速度方向向右，由左手定則可知，電子所受洛倫茲力方向向上。故D正確。課堂任務(wù)帶電粒子比荷的測(cè)定1．讓粒子垂直通過方向垂直的電場(chǎng)、磁場(chǎng)復(fù)合區(qū)域(如圖所示)，讓粒子做直線運(yùn)動(dòng)，依據(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)。2．在其他條件不變的狀況下，撤去電場(chǎng)(如圖所示)，保留磁場(chǎng)，讓粒子垂直磁場(chǎng)方向，在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，由洛倫茲力供應(yīng)向心力即Bqv＝eq\f(mv2,r)，依據(jù)軌跡偏轉(zhuǎn)狀況，由幾何學(xué)問求出其半徑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2如圖所示為湯姆孫用來測(cè)定電子比荷的裝置。當(dāng)極板P和P′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′到O點(diǎn)的豎直距離為d，水平距離可忽視不計(jì)；此時(shí)在P與P′之間的區(qū)域里再加上一個(gè)方向垂直于紙面對(duì)里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，調(diào)整磁感應(yīng)強(qiáng)度，當(dāng)其大小為B時(shí)，亮點(diǎn)重新回到O點(diǎn)。已知極板水平方向長度為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)出電子比荷的表達(dá)式。(1)如何計(jì)算電子在正交的電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的速度？提示：因?yàn)殡娮釉谡浑妶?chǎng)和磁場(chǎng)中做勻速直線運(yùn)動(dòng)，所以依據(jù)受力平衡求解：evB＝Ee，又E＝eq\f(U,b)，可得：v＝eq\f(U,Bb)。(2)在僅有電場(chǎng)時(shí)，電子在電場(chǎng)中做類平拋運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度方向有什么特點(diǎn)？提示：物體做類平拋運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度方向的反向延長線過水平位移中點(diǎn)。[規(guī)范解答](1)設(shè)電子的速度為v，則有evB＝eE，所以v＝eq\f(E,B)＝eq\f(U,Bb)。(2)當(dāng)極板間僅有偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)時(shí)，電子在電場(chǎng)中豎直方向上的偏轉(zhuǎn)距離為y1＝eq\f(1,2)ateq\o\al(2,1)＝eq\f(1,2)eq\f(eU,mb)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(L1,v)))2＝eq\f(eL\o\al(2,1)U,2mv2b)電子離開電場(chǎng)時(shí)豎直方向上的分速度為v1＝at1＝eq\f(eU,mb)·eq\f(L1,v)電子離開電場(chǎng)后做勻速直線運(yùn)動(dòng)，到熒光屏的時(shí)間為t2，這段時(shí)間內(nèi)豎直方向上運(yùn)動(dòng)的距離為y2＝v1t2＝eq\f(eUL1L2,mv2b)，這樣，電子在豎直方向上偏轉(zhuǎn)的總距離為d＝y(tǒng)＝y(tǒng)1＋y2＝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,B2bL1\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(L2＋\f(L1,2))))。[完備答案](1)v＝eq\f(U,Bb)(2)eq\f(e,m)＝eq\f(Ud,B2bL1\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(L2＋\f(L1,2))))帶電粒子的比荷常見的三種測(cè)量方法(1)利用磁偏轉(zhuǎn)測(cè)比荷：由qvB＝meq\f(v2,R)得eq\f(q,m)＝eq\f(v,BR)，只需知道磁感應(yīng)強(qiáng)度B、帶電粒子的初速度v和偏轉(zhuǎn)半徑R即可。(2)利用電偏轉(zhuǎn)測(cè)比荷：偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)電場(chǎng)U、d、L已知時(shí)，只需測(cè)量v和y即可。(3)利用加速電場(chǎng)測(cè)比荷：由動(dòng)能定理qU＝eq\f(1,2)mv2，因此eq\f(q,m)＝eq\f(v2,2U)，只需再測(cè)出v即可。eq\a\vs4\al([變式訓(xùn)練2])電子所帶電荷量的精確數(shù)值最早是由美國物理學(xué)家密立根通過油滴試驗(yàn)測(cè)得的。他測(cè)定了數(shù)千個(gè)帶電油滴的電荷量，發(fā)覺這些電荷量都等于某個(gè)最小電荷量的整數(shù)倍，這個(gè)最小電荷量就是電子所帶的電荷量。密立根試驗(yàn)的原理如圖所示，A、B是兩塊平行放置的水平金屬板，A板帶正電荷，B板帶負(fù)電荷，從噴霧器嘴噴出的小油滴，落到A、B兩板之間的電場(chǎng)中，小油滴由于摩擦而帶負(fù)電荷，調(diào)整A、B兩板間的電壓，可使小油滴受到的電場(chǎng)力和重力平衡。已知小油滴靜止處的電場(chǎng)強(qiáng)度是1.92×102N/C。油滴半徑是1.64×10－1cm。油的密度是0.851g/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？(g取9.