2024-2025學(xué)年高中物理第3章第1節(jié)敲開原子的大門教案粵教版選修3-5

PAGE7-第一節(jié)敲開原子的大門[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.知道陰極射線的概念，了解電子的發(fā)覺過程．(重點(diǎn))2.知道電子是原子的組成部分．(重點(diǎn))3.知道電子的電荷量和質(zhì)量．(重點(diǎn))4.理解電子比荷的測(cè)定原理及方法．(難點(diǎn))一、探究陰極射線1．試驗(yàn)裝置真空玻璃管、陰極、陽極和高壓電源．2．試驗(yàn)現(xiàn)象及陰極射線在一個(gè)被抽成真空的玻璃管兩端加上高電壓，這時(shí)陰極會(huì)發(fā)出一種射線，使正對(duì)陰極的玻璃管壁上出現(xiàn)綠色熒光．這種奇異的射線被稱為陰極射線．3．陰極射線的本質(zhì)湯姆生通過試驗(yàn)證明陰極射線本質(zhì)上是由帶負(fù)電的微粒組成的．二、電子的發(fā)覺1．湯姆生的探究方法及結(jié)論(1)依據(jù)陰極射線在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)狀況斷定，它的本質(zhì)是帶負(fù)電的粒子流，并求出了這種粒子的荷質(zhì)比．(2)換用不同材料的陰極做試驗(yàn)，所得荷質(zhì)比的數(shù)值都相同，湯姆生計(jì)算出的荷質(zhì)比大約比當(dāng)時(shí)已知的質(zhì)量最小的氫離子的荷質(zhì)比大2000倍．(3)結(jié)論：湯姆生干脆測(cè)量出粒子的電荷，發(fā)覺該粒子的電荷與氫離子的電荷大小基本上相同，說明它的質(zhì)量比任何一種分子和原子的質(zhì)量都小得多，至此，湯姆生完全確認(rèn)了電子的存在．2．電子的電荷量和質(zhì)量(1)電荷量：美國(guó)科學(xué)家密立根精確地測(cè)定了電子的電量e＝1.602_2×10－19C(2)質(zhì)量：依據(jù)荷質(zhì)比，可以精確地計(jì)算出電子的質(zhì)量為m＝9.109_4×10－31kg1．正誤推斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)陰極射線的本質(zhì)是由帶正電的微粒組成． (×)(2)在陰極射線所在的區(qū)域加一磁場(chǎng)，可推斷陰極射線的性質(zhì)． (√)(3)電子的電荷量是湯姆生首先精確測(cè)定的． (×)(4)帶電體的電荷量可以是隨意值． (×)2．關(guān)于陰極射線的本質(zhì)，下列說法正確的是()A．陰極射線本質(zhì)是氫原子B．陰極射線本質(zhì)是電磁波C．陰極射線本質(zhì)是電子D．陰極射線本質(zhì)是X射線C[陰極射線本質(zhì)上是電子流，帶負(fù)電，A、B、D選項(xiàng)錯(cuò)誤，C選項(xiàng)正確．]3．在陰極射線管的正上方平行放置通以強(qiáng)電流的一根長(zhǎng)直導(dǎo)線，其電流方向如圖所示．則陰極射線將()A．向上偏轉(zhuǎn) B．向下偏轉(zhuǎn)C．向紙里偏轉(zhuǎn) D．向紙外偏轉(zhuǎn)B[依據(jù)安培定則可知電流四周的磁場(chǎng)分布，陰極射線區(qū)域磁場(chǎng)垂直紙面對(duì)里，依據(jù)左手定則可知，電子流從左向右運(yùn)動(dòng)，電子向下偏轉(zhuǎn)，故B選項(xiàng)正確，選B.]對(duì)陰極射線的相識(shí)1.對(duì)陰極射線本質(zhì)的相識(shí)——兩種觀點(diǎn)(1)電磁波說，代表人物——赫茲，他認(rèn)為這種射線是一種電磁輻射．(2)粒子說，代表人物——湯姆生，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)的推斷方法(1)方法一：在陰極射線所經(jīng)區(qū)域加上電場(chǎng)，通過打在熒光屏上的亮點(diǎn)的變更和電場(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)位置的變更和左手定則確定帶電的性質(zhì)．3．試驗(yàn)結(jié)果依據(jù)陰極射線在電場(chǎng)中和磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)狀況，推斷出陰極射線是粒子流，并且?guī)ж?fù)電．【例1】(多選)如圖所示，一只陰極射線管左側(cè)不斷有電子射出，若在管的正下方放一通電直導(dǎo)線AB時(shí)，發(fā)覺射線徑跡下偏，則()A．導(dǎo)線中的電流由A流向BB．導(dǎo)線中的電流由B流向AC．若要使電子束的徑跡往上偏，可通過變更AB中電流的方一直實(shí)現(xiàn)D．電子束的徑跡與導(dǎo)線AB中電流的方向無關(guān)BC[電子向右運(yùn)動(dòng)，受到的洛倫茲力向下，依據(jù)左手定則知，在導(dǎo)線AB上方有垂直紙面對(duì)里的磁場(chǎng)，再依據(jù)安培定則推斷出電流方向由B到A.]陰極射線是高速運(yùn)動(dòng)的電子流，電子帶負(fù)電，在電場(chǎng)中或磁場(chǎng)中將要發(fā)生偏轉(zhuǎn).1．(多選)下面對(duì)陰極射線的相識(shí)正確的是()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粉而產(chǎn)生的B．只要陰、陽兩極間加有電壓，就會(huì)有陰極射線產(chǎn)生C．陰極射線是真空玻璃管內(nèi)由陰極發(fā)出的射線D．陰陽兩極間加有高壓時(shí)，電場(chǎng)很強(qiáng)，陰極中的電子受到很強(qiáng)的庫(kù)侖力作用而脫離陰極CD[陰極射線是真空玻璃管內(nèi)由陰極發(fā)出的射線，故A錯(cuò)誤，C正確；只有當(dāng)兩極間加足夠高的電壓且陰極接電源負(fù)極時(shí)，陰極中的電子才會(huì)受到足夠大的電場(chǎng)力作用而脫離陰極形成陰極射線，故B錯(cuò)誤，D正確．]電子荷質(zhì)比及電荷量的測(cè)定1.電子荷質(zhì)比(或電荷量)的測(cè)定方法依據(jù)電場(chǎng)、磁場(chǎng)對(duì)電子的偏轉(zhuǎn)測(cè)量比荷(或電荷量)，可按以下方法：(1)讓電子通過正交的電磁場(chǎng)，如圖甲所示，讓其做勻速直線運(yùn)動(dòng)，依據(jù)二力平衡，即F洛＝F電(qvB＝qE)得到電子的運(yùn)動(dòng)速度v＝eq\f(E,B).甲(2)在其他條件不變的狀況下，撤去電場(chǎng)，如圖乙所示，保留磁場(chǎng)讓電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，由洛倫茲力供應(yīng)向心力，即qvB＝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).乙2．密立根油滴試驗(yàn)(1)裝置密立根試驗(yàn)的裝置如圖所示．①兩塊水平放置的平行金屬板A、B與電源相接，使上板帶正電，下板帶負(fù)電．油滴從噴霧器噴出后，經(jīng)上面金屬板中間的小孔，落到兩板之間的勻強(qiáng)電場(chǎng)中．②大多數(shù)油滴在經(jīng)過噴霧器噴嘴時(shí)，因摩擦而帶負(fù)電，油滴在電場(chǎng)力、重力和空氣阻力的作用下下降．視察者可在強(qiáng)光照耀下，借助顯微鏡進(jìn)行視察．(2)方法①兩板間的電勢(shì)差、兩板間的距離都可以干脆測(cè)得，從而確定極板間的電場(chǎng)強(qiáng)度E.但是由于油滴太小，其質(zhì)量很難干脆測(cè)出．密立根通過測(cè)量油滴在空氣中下落的終極速度來測(cè)量油滴的質(zhì)量．沒加電場(chǎng)時(shí)，由于空氣的黏性，油滴所受的重力大小很快就等于空氣給油滴的摩擦力而使油滴勻速下落，可測(cè)得速度v1.②再加一足夠強(qiáng)的電場(chǎng)，使油滴做豎直向上的運(yùn)動(dòng)，在油滴以速度v2勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，油滴所受的靜電力與重力、阻力平衡．依據(jù)空氣阻力遵循的規(guī)律，即可求得油滴所帶的電荷量．(3)結(jié)論帶電油滴的電荷量都等于某個(gè)最小電荷量的整數(shù)倍，從而證明了電荷是量子化的，并求得了其最小值即電子所帶的電荷量e.【例2】如圖所示為湯姆孫用來測(cè)定電子荷質(zhì)比eq\f(q,m)的裝置．探究電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)電子運(yùn)動(dòng)軌跡的影響，以求得電子的荷質(zhì)比，其中兩正對(duì)極板M1、M2之間的距離為d，極板長(zhǎng)度為L(zhǎng).(1)主要試驗(yàn)步驟如下：A．首先在兩極板M1、M2之間不加任何電場(chǎng)、磁場(chǎng)，開啟陰極射線管電源，放射的電子束從兩極板中心通過，在熒光屏的正中心處視察到一個(gè)亮點(diǎn)；B．在M1、M2兩極板間加合適的電場(chǎng)；加極性如圖所示的電壓，并逐步調(diào)整增大，使熒光屏上的亮點(diǎn)漸漸向熒光屏下方偏移，直到熒光屏上恰好看不見亮點(diǎn)為止，登記此時(shí)外加電壓為U，請(qǐng)問本步驟的目的是什么？C．保持步驟B中的電壓U不變，對(duì)M1、M2間區(qū)域加一個(gè)大小、方向合適的磁場(chǎng)B，使熒光屏正中心處重現(xiàn)亮點(diǎn)，試問外加磁場(chǎng)的方向如何？(2)依據(jù)上述試驗(yàn)步驟，可推算出電子的荷質(zhì)比與外加電場(chǎng)、磁場(chǎng)及其他相關(guān)量的關(guān)系式為eq\f(q,m)＝eq\f(U,B2L2).一位同學(xué)說，這表明電子的荷質(zhì)比大小將由外加電壓確定，外加電壓越大則電子的荷質(zhì)比越大，你認(rèn)為他的說法正確嗎？為什么？思路點(diǎn)撥：(1)當(dāng)兩板間加上合適的電壓時(shí)，熒光屏上恰好看不見亮點(diǎn)，則電子在電場(chǎng)中豎直方向的偏移量為eq\f(1,2)d.(2)再加大小、方向合適的磁場(chǎng)，洛倫茲力和電場(chǎng)力大小相等，方向相反，則亮點(diǎn)在熒光屏中心．可以依據(jù)左手定則確定磁場(chǎng)方向．(3)電子的荷質(zhì)比由電子本身確定，與外加電壓無關(guān)．[解析](1)步驟B中電子在M1、M2兩極板間做類平拋運(yùn)動(dòng)，當(dāng)增大兩極板間電壓時(shí)，電子在兩極板間豎直方向的偏轉(zhuǎn)位移增大．當(dāng)在熒光屏上恰好看不到亮點(diǎn)時(shí)，電子剛好打在下極板M2靠近熒光屏端的邊緣，則eq\f(d,2)＝eq\f(Uq,2dm)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(L,v)))2，eq\f(q,m)＝eq\f(d2v2,UL2)，由此可以看出這一步的目的是使粒子在電場(chǎng)中豎直方向的偏轉(zhuǎn)位移成為已知量．步驟C加上磁場(chǎng)后電子不偏轉(zhuǎn)，電場(chǎng)力等于洛倫茲力，且洛倫茲力方向向上，由左手定則可知磁場(chǎng)方向垂直于紙面對(duì)外．(2)由電場(chǎng)力等于洛倫茲力得eq\f(Uq,d)＝Bqv解得v＝eq\f(U,Bd)又eq\f(q,m)＝eq\f(d2v2,UL2)得eq\f(q,m)＝eq\f(U,B2L2)當(dāng)U增大時(shí)，B必定也要增大，即eq\f(U,B2L2)的比值不會(huì)變更，電子的荷質(zhì)比是由電子本身的性質(zhì)確定的，是電子的固有參數(shù)，因此該同學(xué)的說法不正確．[答案]見解析奇妙運(yùn)用電磁場(chǎng)測(cè)定電子荷質(zhì)比1．當(dāng)電子在復(fù)合場(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?。?．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．訓(xùn)練角度1：對(duì)帶電體電荷量的理解2．(多選)關(guān)于電荷的電荷量，下列說法正確的是()A．物體所帶電荷量可以是隨意值B．物體所帶電荷量最小值為1.6×10－19C．物體所帶的電荷量都是元電荷的整數(shù)倍D．電子就是元電荷BC[密立根的油滴試驗(yàn)測(cè)出了電子的電量為1.6×10－19C，并提出了電荷量子化的觀點(diǎn)，故A錯(cuò)，B對(duì)；任何物體的電荷量都是e訓(xùn)練角度2：密立根油滴試驗(yàn)3．密立根油滴試驗(yàn)如圖所示，A、B是兩塊平行放置的水平金屬板，A板帶正電，B板帶負(fù)電，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，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，已知小油滴靜止時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度是1.92×105N/C，油滴半徑是1.64×10－4cm，油的密度是0.851g/cm3[解析]小油滴的質(zhì)量m＝ρV＝ρ·eq\f(4,3)πr3由題意知mg＝Eq由①②兩式可得q＝eq\f(ρ·4πr3g,3E)＝eq\f(0.851×103×4×3.14×1.64×10－63×9.8,3×1.92×105)C≈8．0×10－19小油滴所帶電荷量q是電子電荷量e的eq\f(8.0×10－19C,1.6×10－19C)＝5倍．[答案]8.0×10－19C課堂小結(jié)知識(shí)脈絡(luò)1.英國(guó)物理學(xué)家湯姆生發(fā)覺了電子.2.組成陰極射線的粒子——電子.3.密立根通過“油滴試驗(yàn)”精確測(cè)定了電子電荷量.4.密立根試驗(yàn)發(fā)覺：電荷是量子化的，即任何帶電體的電荷只能是e的整數(shù)倍.1．借助陰極射線管，我們看到的是()A．每個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)軌跡B．全部電子整體的運(yùn)動(dòng)軌跡C．看到的是真實(shí)的電子D．看到的是錯(cuò)誤的假象B[陰極射線管中不能看到每個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，借助陰極射線管，我們看到的是電子束的運(yùn)動(dòng)軌跡，即全部電子整體的運(yùn)動(dòng)軌跡，B選項(xiàng)正確．]2．下列說法中正確的是()A．湯姆生精確地測(cè)出了電子電荷量e＝1.60217733(49)×10－19B．電子電荷量的精確值是湯姆生通過“油滴試驗(yàn)”測(cè)出的C．湯姆生油滴試驗(yàn)更重要的發(fā)覺是：電荷量是量子化的，即任何電荷量只能是e的整數(shù)倍D．通過試驗(yàn)測(cè)得電子的比荷及電子電荷量e的值，就可以確定電子的質(zhì)量D[電子的電荷量是密立根通過“油滴試驗(yàn)”測(cè)出的，A、B、C錯(cuò)誤．測(cè)出荷質(zhì)比的值eq\f(e,m)和電子電荷量e的值，可以確定電子的質(zhì)量