高中物理 第十八章 原子结构 1 电子的发现学案 新人教版选修35最新整理.docx
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高中物理第十八章原子结构1电子的发现学案新人教版选修35最新整理
高中物理第十八章原子结构1电子的发现学案新人教版选修3-5
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1 电子的发现
学习目标
知识脉络
1。
知道阴极射线的概念，了解电子的发现过程．（重点）
2．知道电子是原子的组成部分．（重点）
3．知道电子的电荷量及其他电荷与电子电荷量的关系．（重点、难点）
阴极射线
1．实验装置
真空玻璃管、阴极、阳极和感应圈．
2．实验现象
感应圈产生的高电压加在两极之间，玻璃管壁上发出B（A.阴极射线 B．荧光）．
3．阴极射线
荧光是由于玻璃受到阴极发出的某种射线的撞击而引起的，这种射线命名为阴极射线．
1．阴极射线是由真空玻璃管中的感应圈发出的．（×）
2．阴极射线撞击玻璃管壁会发出荧光．（√）
3．阴极射线在真空中沿直线传播．（√）
产生阴极射线的玻璃管为什么是真空的？
【提示】 在高度真空的放电管中，阴极射线中的粒子主要来自阴极，对于真空度不高的放电管，粒子还有可能来自管中的气体，为了使射线主要来自阴极，一定要把玻璃管抽成真空．
如图18。
1.1所示，在阴极和阳极之间加上高电压，阴极射线从阴极射线管中的阴极发出，射向阳极．
图18。
1。
1
探讨1：
怎样判定阴极射线是不是电磁辐射？
【提示】 电磁辐射是电磁波的辐射，若使阴极射线通过电场或磁场，看传播方向是否受其影响则可判定是不是电磁辐射．
探讨2：
根据带电粒子在电、磁场中的运动规律,哪些方法可以判断运动的带电粒子所带电荷的正负?
【提示】 带电粒子垂直进入匀强电场时，正负电荷的偏转方向不同,偏转方向与场强方向相同（相反）的粒子带正（负）电,不带电者不偏转．
带电粒子垂直进入匀强磁场时,做匀速圆周运动,所受的洛伦兹力提供向心力，根据左手定则可知其电性．
1．对阴极射线本质的认识-—两种观点
（1）电磁波说,代表人物-—赫兹，他认为这种射线是一种电磁辐射．
（2）粒子说,代表人物—-汤姆孙,他认为这种射线是一种带电粒子流．
2．阴极射线带电性质的判断方法
（1）方法一：
在阴极射线所经区域加上电场,通过打在荧光屏上的亮点的变化和电场的情况确定带电的性质．
（2）方法二：
在阴极射线所经区域加一磁场,根据亮点位置的变化和左手定则确定带电的性质．
3．实验结果
根据阴极射线在电场中和磁场中的偏转情况,判断出阴极射线是粒子流，并且带负电．
1．如图18。
1.2所示，在阴极射线管正下方平行放置一根通有足够强直流电流的长直导线，且导线中电流方向水平向右，则阴极射线将会向________偏转．
图18.1。
2
【解析】 阴极射线方向水平向右，说明其等效电流的方向水平向左，与导线中的电流方向相反，由左手定则，两者相互排斥，阴极射线向上偏转．
【答案】 上
2．如图18。
1 3是电子射线管示意图．接通电源后,电子射线由阴极沿x轴方向射出，在荧光屏上会看到一条亮线．要使荧光屏上的亮线向下（z轴负方向）偏转，可采用加磁场或电场的方法．
图18。
1 3
若加一磁场，磁场方向沿________方向,若加一电场，电场方向沿________方向．
【解析】 若加磁场，由左手定则可判定其方向应沿y轴正方向;若加电场,根据受力情况可知其方向应沿z轴正方向．
【答案】 y轴正 z轴正
注意阴极射线电子从电源的负极射出,用左手定则判断其受力方向时四指的指向和射线的运动方向相反。
电子的发现
1．汤姆孙的探究方法及结论
（1）根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定,它的本质是带负电的粒子流，并求出了这种粒子的比荷．
（2）换用不同材料的阴极做实验,所得比荷的数值都相同，是氢离子比荷的近两千倍．
（3）结论：
阴极射线粒子带负电，其电荷量的大小与氢离子大致相同，而质量比氢离子小得多，后来组成阴极射线的粒子被称为电子．
2．汤姆孙的进一步研究
汤姆孙又进一步研究了许多新现象，证明了电子是原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元．
3．电子的电荷量及电荷量子化
（1）电子电荷量:
1910年前后由密立根通过著名的
得出，电子电荷的现代值为e＝1。
602×10－19_C。
（2）电荷是量子化的，即任何带电体的电荷只能是e的整数倍．
（3）电子的质量：
me＝9。
1093897×10－31kg,质子质量与电子质量的比
＝1_836.
1．阴极射线实际上是高速运动的电子流．（√）
2．电子的电荷量是汤姆孙首先精确测定的．（×）
3．带电体的电荷量可以是任意值．（×）
汤姆孙怎样通过实验确定阴极射线是带负电的粒子？
【提示】 汤姆孙通过气体放电管研究阴极射线的径迹，未加电场时，射线不偏转,施加电场后，射线向偏转电场的正极板方向偏转，由此确定阴极射线是带负电的粒子．
如图18.1 4所示，为测定电子比荷的实验装置，其中M1、M2为两正对平行金属板．
图18。
1。
4
探讨1:
电子在两平行金属板间的运动轨迹是什么形状？
【提示】 抛物线．
探讨2：
电子飞出金属板间后到荧光屏P的过程中的运动轨迹是什么形状？
【提示】 一条直线．
探讨3：
要使电子在M1、M2之间沿水平方向做直线运动，所加的磁场应为什么方向？
【提示】 垂直于纸面向外．
1．电子比荷（或电荷量）的测定方法
根据电场、磁场对电子的偏转测量比荷（或电荷量），可按以下方法:
（1）让电子通过正交的电磁场，如图18。
1 5（甲）所示，让其做匀速直线运动，根据二力平衡，即F洛＝F电（Bqv＝qE）得到电子的运动速度v＝
。
甲
（2）在其他条件不变的情况下,撤去电场，如图（乙）所示，保留磁场让电子在磁场中运动，由洛伦兹力提供向心力，即Bqv＝
根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径r,则由qvB＝m
得
＝
＝
.
乙
图18。
1。
5
2．密立根油滴实验
（1）装置
密立根实验的装置如图18.1。
6所示．
图18.1.6
①两块水平放置的平行金属板A、B与电源相接,使上板带正电，下板带负电．油滴从喷雾器喷出后，经上面金属板中间的小孔，落到两板之间的匀强电场中．
②大多数油滴在经过喷雾器喷嘴时，因摩擦而带负电，油滴在电场力、重力和空气阻力的作用下下降．观察者可在强光照射下，借助显微镜进行观察．
（2）方法
①两板间的电势差、两板间的距离都可以直接测得,从而确定极板间的电场强度E。
但是由于油滴太小，其质量很难直接测出．密立根通过测量油滴在空气中下落的终极速度来测量油滴的质量．没加电场时，由于空气的黏性，油滴所受的重力大小很快就等于空气给油滴的摩擦力而使油滴匀速下落,可测得速度v1.
②再加一足够强的电场，使油滴做竖直向上的运动，在油滴以速度v2匀速运动时，油滴所受的静电力与重力、阻力平衡．根据空气阻力遵循的规律,即可求得油滴所带的电荷量．
（3）结论
带电油滴的电荷量都等于某个最小电荷量的整数倍,从而证实了电荷是量子化的，并求得了其最小值即电子所带的电荷量e。
3．关于电荷的电荷量下列说法正确的是（ ）
A．电子的电量是由密立根油滴实验测得的
B．物体所带电荷量可以是任意值
C．物体所带电荷量最小值为1。
6×10－19C
D．物体所带的电荷量都是元电荷的整数倍
E．电子就是元电荷
【解析】 密立根的油滴实验测出了电子的电量为1.6×10－19C，并提出了电荷量子化的观点,因而A对,B错，C对；任何物体的电荷量都是e的整数倍，故D对．E错．
【答案】 ACD
4．密立根油滴实验进一步证实了电子的存在，揭示了电荷的非连续性．如图18。
1。
7所示是密立根油滴实验的原理示意图，设小油滴的质量为m，调节两极板间的电势差U，当小油滴悬浮不动时,测出两极板间的距离为d.则可求出小油滴的电荷量q＝________.
图18。
1。
7
【解析】 由平衡条件得mg＝q
，解得q＝
。
【答案】
5．如图18.1。
8所示为汤姆孙用来测定电子比荷的装置．当极板P和P′间不加偏转电压时，电子束打在荧光屏的中心O点处，形成一个亮点；加上偏转电压U后，亮点偏离到O′点,O′点到O点的竖直距离为d，水平距离可忽略不计；此时在P与P′之间的区域里再加上一个方向垂直于纸面向里的匀强磁场，调节磁感应强度，当其大小为B时，亮点重新回到O点．已知极板水平方向长度为L1，极板间距为b，极板右端到荧光屏的距离为L2.
图18。
1。
8
（1）求打在荧光屏O点的电子速度的大小．
（2）推导出电子比荷的表达式．
【解析】
（1）电子在正交的匀强电场和匀强磁场中做匀速直线运动,有Bev＝Ee＝
e,得v＝
即打到荧光屏O点的电子速度的大小为
.
（2）由d＝
2＋
·
可得
＝
＝
。
【答案】
（1）
（2）
巧妙运用电磁场测定电子比荷
（1）当电子在复合场中做匀速直线运动时，qE＝qvB,可以测出电子速度的大小．
（2）电子在荧光屏上的落点到屏中心的距离等于电子在电场中的偏转位移与电子出电场到屏之间的倾斜直线运动偏转位移的和．
学业分层测评（九）
（建议用时：
45分钟）
［学业达标]
1．已知X射线的“光子”不带电，假设阴极射线像X射线一样,则下列说法正确的是（ ）
A．阴极射线管内的高电压不能够对其加速而增加能量
B．阴极射线通过偏转电场不会发生偏转
C．阴极射线通过磁场方向一定不会发生改变
D．阴极射线通过偏转电场能够改变方向
E．阴极射线通过磁场方向可能发生改变
【解析】 因为X射线的“光子”不带电，故电场、磁场对X射线不产生作用力，故选项A、B、C对．
【答案】 ABC
2．汤姆孙通过对阴极射线的探究,最终发现了电子，由此被称为“电子之父”,关于电子的说法正确的是（ ）
A．任何物质中均有电子
B．不同的物质中具有不同的电子
C．不同物质中的电子是相同的
D．电子质量是质子质量的1836倍
E．电子是一种粒子，是构成物质的基本单元
【解析】 汤姆孙对不同材料的阴极发出的射线进行研究,发现均为同一种相同的粒子——即电子，电子是构成物质的基本单元，它的质量远小于质子的质量；由此可知A、C、E正确,B、D错误．
【答案】 ACE
3．下列说法中正确的是（ ）
A．汤姆孙精确地测出了电子电荷量
e＝1.60217733（49）×10－19C
B．电子电荷量的精确值是密立根通过“油滴实验"测出的
C．汤姆孙油滴实验更重要的发现是：
电荷量是量子化的,即任何电荷量只能是e的整数倍
D．通过实验测得电子的比荷及电子电荷量e的值，就可以确定电子的质量
E．阴极射线的本质是电子
【解析】 电子的电荷量是密立根通过“油滴实验”测出的，A、C错误，B正确．测出比荷的值
和电子电荷量e的值，可以确定电子的质量，故D正确．阴极射线即电子流，E正确．
【答案】 BDE
4．关于电子的发现，下列叙述中正确的是（ ）
A．电子的发现,说明原子是由电子和原子核组成的
B．电子的发现,说明原子具有一定的结构
C．电子是第一种被人类发现的微观粒子
D．电子的发现，比较好地解释了物体的带电现象
E．电子的发现说明原子核具有一定的结构
【解析】 发现电子之前，人们认为原子是不可再分的最小粒子，电子的发现，说明原子有一定的结构，B正确E错误；电子是人类发现的第一种微观粒子，C正确；物体带电的过程，就是电子的得失和转移的过程D正确．
【答案】 BCD
5．阴极射线管中的高电压的作用是________．
【解析】 在阴极射线管中，阴极射线是由阴极处于炽热状态而发射出的电子流，通过高电压对电子加速获得能量，使之与玻璃发生撞击而产生荧光．
【答案】 使电子加速
6．向荧光屏上看去,电子向我们飞来，在偏转线圈中通以如图18。
1 9所示的电流，电子的偏转方向为________．
图18.1。
9
【解析】 根据安培定则，环形磁铁右侧为N极、左侧为S极，在环内产生水平向左的匀强磁场，利用左手定则可知,电子向上偏转．
【答案】 向上
7．如图18。
1。
10所示,让一束均匀的阴极射线以速率v垂直进入正交的电、磁场中,选择合适的磁感应强度B和电场强度E,带电粒子将不发生偏转,然后撤去电场,粒子将做匀速圆周运动，测得其半径为R，求阴极射线中带电粒子的比荷．
图18 1 10
【解析】 因为带电粒子在复合场中时不偏转，所以qE＝qvB,即v＝
撤去电场后，粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，则qvB＝m
.由此可得
＝
。
【答案】
[能力提升]
8．如图18.1。
11所示，从正离子源发射的正离子经加速电压U加速后进入相互垂直的匀强电场E和匀强磁场B中，发现离子向上偏转，要使此离子沿直线穿过电场，则下列说法正确的是（ ）
图18.1。
11
A．增大电场强度E
B．增大磁感应强度B
C．减小加速电压U，增大电场强度E
D．适当地加大加速电压U
E．适当地减小电场强度E
【解析】 正离子进入相互垂直的匀强电场和匀强磁场区域中，受到的电场力F＝qE，方向向上,受到的洛伦兹力F洛＝qvB,方向向下，离子向上偏，说明电场力大于洛伦兹力，要使离子沿直线运动，须qE＝qvB,则可使洛伦兹力增大或电场力减小，增大洛伦兹力的途径是增大加速电压U或增大磁感应强度B，减小电场力的途径是减小电场强度E。
选项B、D、E正确．
【答案】 BDE
9．如图18.1.12所示是阴极射线显像管及其偏转线圈的示意图．显像管中有一个阴极，工作时它能发射阴极射线,荧光屏被阴极射线轰击就能发光．安装在管颈的偏转线圈产生偏转磁场，可以使阴极射线发生偏转．下列说法中正确的是（ ）【导学号：
66390028】
图18。
1 12
A．如果偏转线圈中没有电流，则阴极射线应该打在荧光屏正中的O点
B．如果要使阴极射线在竖直方向偏离中心，打在荧光屏上A点，则偏转磁场的方向应该垂直纸面向里
C．如果要使阴极射线在竖直方向偏离中心，打在荧光屏上B点，则偏转磁场的方向应该垂直纸面向里
D．如果要使阴极射线在荧光屏上的位置由B点向A点移动，则偏转磁场强度应该先由小到大，再由大到小
E．如果要使阴极射线在荧光屏上的位置由A点向B点移动,则偏转磁场强度应该先由大到小，再由小到大
【解析】 偏转线圈中没有电流，阴极射线沿直线运动，打在O点，A正确．由阴极射线的电性及左手定则可知B错误，C正确；由R＝
可知，B越小，R越大，故磁感应强度应先由大变小，再由小变大，故D错误E正确．
【答案】 ACE
10．电子所带电量的精确数值最早是由美国物理学家密立根通过油滴实验测得的．他测定了数千个带电油滴的电量，发现这些电量都等于某个最小电量的整数倍．这个最小电量就是电子所带的电量．密立根实验的原理如图18.1.3所示，A、B是两块平行放置的水平金属板，A板带正电，B板带负电．从喷雾器嘴喷出的小油滴，落到A、B两板之间的电场中．小油滴由于摩擦而带负电，调节A、B两板间的电压，可使小油滴受到的电场力和重力平衡．已知小油滴静止处的电场强度是1.92×105N/C，油滴半径是1。
64×10－4cm，油的密度是0.851g/cm3，求油滴所带的电量．这个电量是电子电量的多少倍？
（g取9.8m/s2）
【导学号：
66390029】
图18。
1.3
【解析】 小油滴质量为,m＝ρV＝ρ·
πr3
由题意得mg＝Eq
联立解得q＝
＝
C
＝8。
02×10－19C
小油滴所带电量q是电子电量e的倍数为n＝
＝
＝5倍．
【答案】 8。
02×10－19 5
11．在研究性学习中,某同学设计了一个测定带电粒子比荷的实验,其实验装置如图18。
1.14所示．abcd是个长方形盒子，在ad边和cd边上各开有小孔f和e，e是cd边上的中点，荧光屏M贴着cd放置，能显示从e孔射出的粒子落点位置．盒子内有一方向垂直于abcd平面的匀强磁场，磁感应强度大小为B.粒子源不断地发射相同的带电粒子，粒子的初速度可以忽略．粒子经过电压为U的电场加速后，从f孔垂直于ad边射入盒内．粒子经磁场偏转后恰好从e孔射出．若已知
＝
＝L，不计粒子的重力和粒子之间的相互作用．请你根据上述条件求出带电粒子的比荷
。
图18.1.14
【解析】 带电粒子进入电场，经电场加速．根据动能定理得qU＝
mv2，得v＝
.粒子进入磁场后做匀速圆周运动,轨迹如图所示．设圆周半径为R,在三角形Ode中，有（L－R）2＋
2＝R2,整理得：
R＝
L，洛伦兹力充当向心力：
qvB＝m
，联立上述方程，解得
＝
.
【答案】
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