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

PAGE9-1電子的發(fā)覺一、陰極射線1．陰極射線科學(xué)家用真空度很高的真空管做放電試驗(yàn)時(shí)，發(fā)覺真空管陰極放射出的一種射線，叫做陰極射線．2．陰極射線的產(chǎn)生陰極射線是一種帶負(fù)電的粒子流．英國物理學(xué)家湯姆孫使陰極射線在磁場和電場中產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，來確定射線微粒的帶電性質(zhì)．3．陰極射線的特點(diǎn)(1)在真空中沿直線傳播；(2)遇到物體可使物體發(fā)出熒光．電子的發(fā)覺是與陰極射線的試驗(yàn)探討聯(lián)系在一起的，而陰極射線的發(fā)覺和探討是從真空放電現(xiàn)象起先的.1858年，德國物理學(xué)家普呂克在利用德國玻璃工蓋斯勒獨(dú)創(chuàng)的蓋斯勒放電管探討氣體放電時(shí)，發(fā)覺對著陰極的管壁上出現(xiàn)了漂亮的綠色熒光.1876年德國物理學(xué)家戈德斯坦證明這種綠色熒光是由陰極上所產(chǎn)生的某種射線射到玻璃上產(chǎn)生的，他把這種射線命名為“陰極射線”．“陰極射線”究竟是什么？提示：帶負(fù)電的粒子流(高速電子流)．這個(gè)問題曾引起了物理學(xué)界一場大爭辯．法國物理學(xué)家大多認(rèn)為陰極射線是一種電磁波(以太波)，英國的物理學(xué)家則認(rèn)為是一種帶電粒子流，這一爭辯持續(xù)了二十年，促使很多物理學(xué)家進(jìn)行了很多有意義的試驗(yàn)，推動了物理學(xué)的發(fā)展，這場爭辯最終由J.J.湯姆孫解決了，他用試驗(yàn)表明陰極射線就是帶負(fù)電的粒子流．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)陰極射線在電場和磁場中的偏轉(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和不同的氣體做試驗(yàn)，所得的比荷都是相同的，是氫離子比荷的近千倍．湯姆孫干脆測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氫離子電荷基本相同．后來把組成陰極射線的粒子稱為電子．2．湯姆孫的進(jìn)一步探討湯姆孫的新發(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，它們都包含電子．結(jié)論：它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，電子是原子的組成部分，是比原子更基本的物質(zhì)單元．3．對電子的相識電子電荷量e＝1.6×10－19C，是由密立根通過聞名的“油滴試驗(yàn)”測出來的．密立根發(fā)覺，電荷是量子化的，任何電荷只能是e電子質(zhì)量m＝9.1×10－31kg，質(zhì)子的質(zhì)量與電子的質(zhì)量的比值：eq\f(mp,me)＝1_836.這個(gè)豐富多彩的世界是由原子構(gòu)成的．原子內(nèi)部呈現(xiàn)的困難的結(jié)構(gòu)，不斷地吸引著人們?nèi)ヌ骄浚F(xiàn)在利用先進(jìn)的手段已經(jīng)能夠“看到”或“拿起”一個(gè)原子，但在19世紀(jì)，試驗(yàn)手段和設(shè)備相當(dāng)簡陋，人類只能運(yùn)用觀測的現(xiàn)象推想原子內(nèi)部的情景．湯姆孫在探討原子結(jié)構(gòu)方面取得開拓性的成果．湯姆孫在當(dāng)時(shí)是通過什么樣的試驗(yàn)發(fā)覺電子的呢？提示：湯姆孫是在探討氣體放電產(chǎn)生陰極射線的試驗(yàn)中發(fā)覺電子的．考點(diǎn)一對陰極射線的相識1．對陰極射線本質(zhì)的相識——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．2．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，在電場(或磁場)中所受電場力(或洛倫茲力)遠(yuǎn)大于所受重力，故探討電磁力對電子運(yùn)動的影響時(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，通過打在熒光屏上的亮點(diǎn)的改變和電場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，依據(jù)亮點(diǎn)位置的改變和左手定則確定帶電的性質(zhì)．【例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)先推斷出直導(dǎo)線下方電流產(chǎn)生的磁場的方向，再由左手定則即可推斷出陰極射線的偏轉(zhuǎn)方向．【答案】D【解析】長直導(dǎo)線的電流方向向左，由安培定則可判定直導(dǎo)線下方所處磁場垂直紙面對外，由于電子從負(fù)極射出，依據(jù)左手定則可判定電子向上偏轉(zhuǎn)，即陰極射線將向上偏轉(zhuǎn)．總結(jié)提能本題綜合考查了電流的磁場、左手定則以及陰極射線的產(chǎn)生和實(shí)質(zhì)．(多選)關(guān)于陰極射線，下列說法正確的是(BD)A．陰極射線就是淡薄氣體導(dǎo)電的輝光放電現(xiàn)象B．陰極射線是在真空管內(nèi)由陰極發(fā)生的電子流C．陰極射線是組成物體的原子D．陰極射線沿直線傳播，但在電場、磁場中偏轉(zhuǎn)解析：陰極射線是原子受激放射出的電子；遇到熒光物質(zhì)時(shí)，能使熒光物質(zhì)發(fā)光；電子流在電場和磁場中會發(fā)生偏轉(zhuǎn)．考點(diǎn)二帶電粒子比荷的確定1．電荷量的量子化帶電體所帶電荷量具有量子化，即任何帶電體所帶電荷量只能是電子電荷量的整數(shù)倍，即q＝ne(n為自然數(shù))．2．比荷(或電荷量)的測定依據(jù)電場、磁場對電子(帶電粒子)的偏轉(zhuǎn)測量比荷(或電荷量)，分以下兩步：(1)讓粒子通過正交的電磁場(如圖)，讓其做直線運(yùn)動，依據(jù)二力平衡，即F洛＝F電(Bqv＝qE)得到粒子的運(yùn)動速度v＝eq\f(E,B).(2)在其他條件不變的狀況下，撤去電場(如圖)，保留磁場讓粒子單純地在磁場中運(yùn)動，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，則由qvB＝meq\f(v2,r)得eq\f(q,m)＝eq\f(v,Br)＝eq\f(E,B2r).【例2】在測陰極射線比荷的試驗(yàn)中，湯姆孫采納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間加上方向向下，場強(qiáng)為E的勻強(qiáng)電場，陰極射線將向上偏轉(zhuǎn)；假如再利用通電線圈在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θ，試解決下列問題：(1)說明陰極射線的帶電性；(2)說明圖中磁場沿什么方向；(3)依據(jù)L、E、B和θ，求出陰極射線的比荷．由陰極射線在電場和磁場中受到的電場力和洛倫茲力的方向推斷電性和磁場方向，利用兩力的平衡關(guān)系，及陰極射線在磁場中做勻速圓周運(yùn)動列方程求解比荷．【答案】(1)負(fù)電(2)垂直紙面對里(3)eq\f(Esinθ,B2L)【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，即電場力的方向與電場方向相反，所以陰極射線帶負(fù)電．(2)依據(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，由左手定則可推斷，磁場方向垂直紙面對里．(3)當(dāng)射線在D、E間做勻速直線運(yùn)動時(shí)有：qE＝Bqv.當(dāng)射線在D、E間的磁場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，有Bqv＝eq\f(mv2,r)，同時(shí)又有：L＝r·sinθ，如圖．可得：eq\f(q,m)＝eq\f(Esinθ,B2L).總結(jié)提能(1)帶電粒子在勻強(qiáng)電場中做類平拋運(yùn)動，可利用運(yùn)動的分解、運(yùn)動學(xué)公式、牛頓運(yùn)動定律列出相應(yīng)的關(guān)系．(2)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動，要留意通過畫軌跡示意圖確定圓心位置，利用幾何學(xué)問求其半徑．(3)帶電粒子通過相互垂直的勻強(qiáng)電磁場時(shí)，可使其做勻速直線運(yùn)動，依據(jù)qE＝qvB可求其速度．解決此類問題，要在嫻熟駕馭各部分學(xué)問的基礎(chǔ)上敏捷解答．為了測定帶電粒子的比荷eq\f(q,m)，讓這個(gè)帶電粒子垂直電場方向飛進(jìn)平行金屬板間，已知?jiǎng)驈?qiáng)電場的場強(qiáng)為E，在通過長為L的兩金屬板間后，測得偏離入射方向的距離為d，假如在兩板間加垂直于電場方向的勻強(qiáng)磁場，磁場方向垂直于粒子的入射方向，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，則粒子恰好不偏離原來的方向，求q/m為多少？答案：eq\f(2Ed,B2L2)解析：設(shè)帶電粒子以v0跟電場垂直進(jìn)入勻強(qiáng)電場，則d＝eq\f(1,2)at2＝eq\f(1,2)eq\f(qE,m)(eq\f(L,v0))2①此帶電粒子垂直入射到正交的電磁場區(qū)域時(shí)不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由平衡條件qE＝qv0B，得v0＝eq\f(E,B)②由①②兩式得eq\f(qEL2,2md)＝eq\f(E2,B2).解得eq\f(q,m)＝eq\f(2Ed,B2L2).重難疑點(diǎn)辨析密立根油滴試驗(yàn)測量電子帶的電荷量1．密立根試驗(yàn)的原理(1)如圖所示，兩塊平行放置的水平金屬板A、B與電源相連接，使A板帶正電，B板帶負(fù)電．從噴霧器嘴噴出的小油滴經(jīng)上面的金屬板中間的小孔，落到兩板之間的勻強(qiáng)電場E中．(2)小油滴由于摩擦而帶負(fù)電，調(diào)整A、B兩板間的電壓，可以使小油滴在兩板之間靜止或做勻速直線運(yùn)動，忽視空氣阻力，此時(shí)油滴所受的電場力和重力平衡，即mg＝Eq，則電荷的電荷量q＝eq\f(mg,E).試驗(yàn)發(fā)覺，q肯定是某個(gè)最小電荷量的整數(shù)倍，這個(gè)最小的電荷量就是電子的電荷量，即e＝1.60217733×10－19C2．密立根試驗(yàn)更重要的發(fā)覺電荷量是量子化的，即任何電荷的電荷量只能是元電荷e的整數(shù)倍，并求得了元電荷即電子所帶的電荷量e.【典例】圖中，在A板上方用噴霧器將油滴噴出，若干油滴從板上的一個(gè)小孔中落下，噴出的油滴因摩擦而帶負(fù)電．已知A、B板間電壓為U、間距為d時(shí)，油滴恰好靜止．撤去電場后油滴緩緩下落，最終測出油滴以速度v勻速運(yùn)動，已知空氣阻力正比于速度f＝kv，則油滴所帶的電荷量q＝________.某次試驗(yàn)得q的測量值見下表(單位：10－19C6.418.019.6511.2312.83分析這些數(shù)據(jù)可知：______________________________.【解析】mg－Eq＝0，mg－kv＝0，解得q＝eq\f(kv,E).油滴帶的電荷量是1.6×10－19C的整數(shù)倍，故電荷的最小電荷量為1.6×10－19C.【答案】eq\f(kv,E)電荷的最小電荷量為1.6×10－19C實(shí)際調(diào)整電壓使油滴靜止是很困難的，故實(shí)際測量需使油滴勻速運(yùn)動，測出油滴勻速下降、上升的速度v1、v2，再求油滴帶的電荷量．1．下面對陰極射線的相識正確的是(D)A．陰極射線是由陰極發(fā)出的粒子撞擊玻璃管壁上的熒光而產(chǎn)生的B．只要陰陽兩極間加有電壓，就會有陰極射線產(chǎn)生C．陰極射線可以穿透薄鋁片，這說明它是電磁波D．陰陽兩極間加有高壓時(shí)，電場很強(qiáng)，陰極中的電子受到很強(qiáng)的庫侖力作用而脫離陰極解析：陰極射線是由陰極干脆發(fā)出的，A錯(cuò)誤；只有當(dāng)兩極間加有高壓且陰極接電源負(fù)極時(shí)，陰極中的電子才會受到足夠大的庫侖力作用而脫離陰極成為陰極射線，B錯(cuò)誤，D正確；可以穿透薄鋁片的，可能是電磁波，也可能是更小的粒子，C錯(cuò)誤．2．(多選)關(guān)于電荷量，下列說法中正確的是(BCD)A．物體所帶電荷量可以是隨意值B．物體所帶電荷量只能是某些值C．物體所帶電荷量的最小值為1.6×10－19D．一個(gè)物體帶1.6×10－9C的正電荷，這是它失去了1.0×1010解析：電荷量是量子化的，即物體的帶電荷量只能是某一最小電荷量的整數(shù)倍，這一最小電荷量是1.6×10－19C3．帶電微粒所帶的電荷量不行能是下列值中的(A)A．2.4×10－19C B．－6.4×10－C．－1.6×10－18C D．4.0×10－解析：任何帶電體的電荷量都只能是元電荷的整數(shù)倍，元電荷電荷量為e＝1.6×10－19C4．如圖所示為電視機(jī)顯像管的偏轉(zhuǎn)線圈示意圖，圓心黑點(diǎn)表示從電子槍垂直于紙面射出的電子，它的方向由紙內(nèi)指向紙外，當(dāng)偏轉(zhuǎn)線圈通以圖示方向的電流時(shí)，電子束應(yīng)(D)A．向左偏轉(zhuǎn) B．向下偏轉(zhuǎn)C．向右偏轉(zhuǎn) D．向上偏轉(zhuǎn)解析：由安培定則可判定上、下螺旋管的N極都在右方，S極都在左方，考慮到電子帶負(fù)電，用左手定則，不難推斷出，電子受