第1節(jié)　電子的發(fā)現(xiàn)與湯姆孫原子模型

第4章原子結(jié)構(gòu)第1節(jié)電子的發(fā)現(xiàn)與湯姆孫原子模型核心素養(yǎng)導(dǎo)學(xué)物理觀念(1)了解人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的早期探究。(2)了解電子的發(fā)現(xiàn)過(guò)程。(3)知道湯姆孫原子結(jié)構(gòu)模型?？茖W(xué)思維電子的發(fā)現(xiàn)和電子比荷的測(cè)定?？茖W(xué)探究探究電子在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)規(guī)律。科學(xué)態(tài)度與責(zé)任熟悉電子的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，體會(huì)科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)探究的過(guò)程。一、物質(zhì)結(jié)構(gòu)的早期探究電子的發(fā)現(xiàn)1．1661年，________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，________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____________提出了分子假說(shuō)，指出分子可以由多個(gè)相同的原子組成。4．陰極射線的發(fā)現(xiàn)：科學(xué)家在研究________放電時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)玻璃管內(nèi)的氣體足夠稀薄時(shí)，______會(huì)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(chēng)為_(kāi)________。玻意耳道爾頓阿伏伽德羅稀薄氣體陰極陰極陰極射線5．湯姆孫的研究：1897年，英國(guó)科學(xué)家湯姆孫設(shè)計(jì)了一個(gè)巧妙實(shí)驗(yàn)，通過(guò)使陰極射線粒子受到的_______和_________平衡等方法，確定了陰極射線粒子的本質(zhì)是帶______的粒子流，并確定了其______，測(cè)量出了射線粒子的比荷，證明陰極射線的電荷量的大小與氫離子大致相同，而比荷卻是_______的近兩千倍。湯姆孫將這種帶電粒子稱(chēng)為電子。二、湯姆孫原子模型湯姆孫原子模型：原子_______的部分充斥整個(gè)原子，很小很輕的_____鑲嵌在球體的某些固定位置，正像葡萄干嵌在面包中那樣，這就是原子的“葡萄干面包”模型。靜電力洛倫茲力負(fù)電速度氫離子帶正電電子1.你能否設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行陰極射線的研究？能否通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)說(shuō)明這種射線是一種電磁波還是一種高速粒子流？出現(xiàn)什么樣的現(xiàn)象就可以認(rèn)為這是一種電磁波？出現(xiàn)其他什么樣的現(xiàn)象就可以認(rèn)為這是一種高速粒子流？能否測(cè)定這是一種什么粒子？提示：電磁輻射是電磁波的輻射，若使陰極射線通過(guò)電場(chǎng)或磁場(chǎng)，看傳播方向是否受其影響，若不受影響則可判定是電磁輻射，否則是粒子流；要準(zhǔn)確判斷粒子種類(lèi)需要利用電磁場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)進(jìn)行定量計(jì)算，測(cè)出粒子的比荷。2.如圖，人們通過(guò)研究陰極射線而發(fā)現(xiàn)了電子。判斷下列說(shuō)法的正誤。(1)英國(guó)物理學(xué)家湯姆孫認(rèn)為陰極射線是一種電磁輻射。

()(2)組成陰極射線的粒子是電子。

()(3)電子是原子的組成部分，其電荷量可以是任意值。

()×√×新知學(xué)習(xí)(一)|對(duì)陰極射線的認(rèn)識(shí)[任務(wù)驅(qū)動(dòng)]如圖所示為陰極射線管。請(qǐng)回答下列問(wèn)題：(1)陰極射線管的構(gòu)造是怎樣的？提示：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(yáng)極，它們分別連接在感應(yīng)圈的負(fù)極和正極上。管中十字狀物體是一個(gè)金屬片。(2)在圖中，K和A之間加上近萬(wàn)伏的高電壓后，玻璃管壁上觀察到什么現(xiàn)象？該現(xiàn)象說(shuō)明了什么問(wèn)題？提示：玻璃管壁上觀察到淡淡的熒光及管中物體在玻璃管壁上的影，這說(shuō)明陰極能夠發(fā)出某種射線，并且撞擊玻璃引起熒光。

[重點(diǎn)釋解]1．對(duì)陰極射線本質(zhì)的認(rèn)識(shí)——兩種觀點(diǎn)(1)電磁波說(shuō)——代表人物是赫茲，他認(rèn)為這種射線是一種電磁輻射。(2)粒子說(shuō)——代表人物是湯姆孫，他認(rèn)為這種射線是一種帶電粒子流。2．陰極射線帶電性質(zhì)的判斷方法(1)方法一：在陰極射線所經(jīng)區(qū)域加上電場(chǎng)，通過(guò)打在熒光屏上的亮點(diǎn)的變化和電場(chǎng)的情況確定其帶電的性質(zhì)。(2)方法二：在陰極射線所經(jīng)區(qū)域加一磁場(chǎng)，根據(jù)亮點(diǎn)位置的變化和左手定則確定其帶電的性質(zhì)。3．實(shí)驗(yàn)結(jié)果根據(jù)陰極射線在電場(chǎng)中和磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)情況，判斷出陰極射線是粒子流，并且?guī)ж?fù)電。[典例體驗(yàn)][典例]

(多選)如圖所示是湯姆孫的陰極射線管的示意圖，下列說(shuō)法正確的是

(

)A．若在D1、D2兩極板之間不加電場(chǎng)和磁場(chǎng)，則陰極射線應(yīng)打到最右端的P1點(diǎn)B．若在D1、D2兩極板之間加上豎直向下的電場(chǎng)，則陰極射線應(yīng)向下偏轉(zhuǎn)C．若在D1、D2兩極板之間加上豎直向下的電場(chǎng)，則陰極射線應(yīng)向上偏轉(zhuǎn)D．若在D1、D2兩極板之間加上垂直紙面向里的磁場(chǎng)，則陰極射線不偏轉(zhuǎn)[解析]

實(shí)驗(yàn)證明，陰極射線是高速電子流，它在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)偏向帶正電的極板一側(cè)，選項(xiàng)C正確，B錯(cuò)誤；加上磁場(chǎng)時(shí)，電子在磁場(chǎng)中受洛倫茲力作用，要發(fā)生偏轉(zhuǎn)，選項(xiàng)D錯(cuò)誤；當(dāng)不加電場(chǎng)和磁場(chǎng)時(shí)，電子所受的重力可以忽略不計(jì)，因而不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，選項(xiàng)A正確。[答案]

AC[針對(duì)訓(xùn)練]1．關(guān)于陰極射線，下列說(shuō)法正確的是

(

)A．陰極射線是高速運(yùn)動(dòng)的質(zhì)子流B．陰極射線是可用人眼直接觀察的C．陰極射線是電磁波D．陰極射線是高速運(yùn)動(dòng)的電子流解析：陰極射線是高速運(yùn)動(dòng)的電子流，A、C錯(cuò)誤，D正確；陰極射線無(wú)法用人眼直接觀察，B錯(cuò)誤。答案：D

2.

陰極射線從陰極射線管中的陰極發(fā)出，在其間的高電壓下加速飛向陽(yáng)極，如圖所示，若要使射線向上偏轉(zhuǎn)，所加磁場(chǎng)的方向應(yīng)為 (

)A．平行于紙面向左 B．平行于紙面向上C．垂直于紙面向外

D．垂直于紙面向里解析：由于陰極射線的本質(zhì)是電子流，陰極射線方向向右，說(shuō)明電子的運(yùn)動(dòng)方向向右，相當(dāng)于存在向左的電流，利用左手定則，使電子所受洛倫茲力方向平行于紙面向上，可知磁場(chǎng)方向應(yīng)為垂直于紙面向外，故C正確。答案：C

新知學(xué)習(xí)(二)|電子比荷的測(cè)定[任務(wù)驅(qū)動(dòng)]如圖所示是湯姆孫的氣體放電管的示意圖。(1)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中金屬板D1、D2之間沒(méi)有加電磁場(chǎng)時(shí)，陰極射線是怎樣通過(guò)金屬板D1、D2的？打在哪個(gè)位置？提示：當(dāng)金屬板D1、D2之間未加電場(chǎng)時(shí)，射線不偏轉(zhuǎn)，沿直線通過(guò)金屬板D1、D2之間，射在屏上的P1點(diǎn)。(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中金屬板D1、D2之間加電場(chǎng)時(shí)，陰極射線是怎樣通過(guò)金屬板D1、D2的？打在哪個(gè)位置？提示：當(dāng)在平行金屬板D1、D2之間加一電場(chǎng)E時(shí)，發(fā)現(xiàn)陰極射線打在屏上的位置向下偏轉(zhuǎn)并射到屏P1點(diǎn)下面。(3)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持上述(2)中電場(chǎng)不變，金屬板D1、D2之間再加磁場(chǎng)時(shí)，陰極射線是怎樣才能沿直線通過(guò)金屬板D1、D2?[典例體驗(yàn)][典例]湯姆孫用來(lái)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(guò)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)的電子速度的大小。(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(shuō)明理由。/方法技巧/運(yùn)用電磁場(chǎng)測(cè)定電子比荷的思路(1)當(dāng)電子在復(fù)合電場(chǎng)中做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，qE＝qvB，可以測(cè)出電子速度的大小。(2)電子在熒光屏上的落點(diǎn)到屏中心的距離等于電子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)位移與電子出電場(chǎng)到屏之間的傾斜直線運(yùn)動(dòng)偏轉(zhuǎn)位移的和。

[針對(duì)訓(xùn)練]1．湯姆孫對(duì)陰極射線本質(zhì)的研究，采用的科學(xué)方法是

(

)A．用陰極射線轟擊金箔，觀察其散射情況B．用“油滴實(shí)驗(yàn)”精確測(cè)定電子所帶電荷量C．用陰極射線轟擊熒光物質(zhì)，對(duì)熒光物質(zhì)發(fā)出的光進(jìn)行光譜分析D．讓陰極射線通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)，觀察陰極射線的偏轉(zhuǎn)情況判斷其電性和計(jì)算其比荷解析：湯姆孫對(duì)陰極射線本質(zhì)的研究采用的主要方法是讓陰極射線通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)，觀察陰極射線的偏轉(zhuǎn)情況判斷其電性，結(jié)合類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng)與圓周運(yùn)動(dòng)的公式計(jì)算其比荷，選項(xiàng)D正確。答案：D

2.

如圖所示，電子以初速度v0從O點(diǎn)進(jìn)入長(zhǎng)為l、板間距離為d、電勢(shì)差為U的電場(chǎng)，出電場(chǎng)時(shí)打在屏上P點(diǎn)，經(jīng)測(cè)量O′點(diǎn)和P點(diǎn)的距離為h，求電子的比荷。一、好素材分享——看其他教材如何落實(shí)核心素養(yǎng)

科學(xué)思維——電子個(gè)數(shù)的測(cè)定1．(選自人教版新教材課后練習(xí))一個(gè)半徑為1.6×10－4cm的帶負(fù)電的油滴，在電場(chǎng)強(qiáng)度為1.92V/m、方向豎直向下的勻強(qiáng)電場(chǎng)中，如果油滴受到的庫(kù)侖力恰好與重力平衡，問(wèn)：這個(gè)油滴帶有幾個(gè)電子的電荷？已知油的密度為0.851×103kg/m3，g取10m/s2，π取3.14。(油滴可看作球形)

科學(xué)探究——測(cè)定電子比荷2．(選自人教版新教材課后練習(xí))一種測(cè)定電子比荷的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。真空玻璃管內(nèi)陰極K發(fā)出的電子經(jīng)陽(yáng)極A與陰極K之間的高壓加速后，形成一細(xì)束電子流，以平行于平板電容器極板的速度進(jìn)入兩極板C、D間的區(qū)域。若兩極板C、D間無(wú)電壓，電子將打在熒光屏上的O點(diǎn)；若在兩極板間施加電壓U，則離開(kāi)極板區(qū)域的電子將打在熒光屏上的P點(diǎn)；若再在極板間施加一個(gè)方向垂直于紙面向外、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則電子在熒光屏上產(chǎn)生的光點(diǎn)又回到O點(diǎn)。已知極板的長(zhǎng)度為5.00cm，C、D間的距離為1.50cm，極板區(qū)的中點(diǎn)M到熒光屏中點(diǎn)O的距離為12.50cm，電壓U為200V，磁感應(yīng)強(qiáng)度B為6.3×10－4T，P點(diǎn)到O點(diǎn)的距離y為3.00cm。試求電子的比荷。二、新題目精選——品立意深處所蘊(yùn)含的核心價(jià)值1.

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(zhǎng)直導(dǎo)線，則陰極射線(電子束)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管所在處磁場(chǎng)垂直紙面向外，電子從負(fù)極射出，由左手定則可判定陰極射線(電子束)向上偏轉(zhuǎn)。故正