3-1 敲开原子的大门-【创新设计】2019版同步课堂讲义物理（粤教版选修3-5）

第一节　敲开原子的大门 [目标定位]　1.了解阴极射线及电子发现的过程；2.知道汤姆生研究阴极射线发现电子的实验及理论推导；3.知道电子电荷量的测定． 一、探索阴极射线 1．阴极射线：在抽成真空的玻璃管两端加上高电压时，从阴极发出的一种使玻璃管壁上出现绿色荧光的射线． 2．汤姆生对阴极射线的探索方法 (1)让阴极射线通过电场，根据偏转情况，可判断阴极射线带负电． (2)让阴极射线通过磁场，根据偏转情况，测出阴极射线的荷质比． 二、电子的发现 　汤姆生的探究方法 1．换用不同的放电气体，或用不同金属材料制作电极，测得相同的荷质比． 2．在气体电离、光电效应中，可从不同物体中逸出这种射线粒子． 3．这种粒子的电荷与氢离子的电荷大小基本相同，质量却比氢原子小得多． 4． 想一想　电子发现的重大意义是什么？ 答案　电子是人类发现的第一个比原子小的粒子．电子的发现，打破了原子不可再分的传统观念，使人们认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也有内部结构．从此，原子物理学飞速发展，人们对物质结构的认识进入了一个新时代． 预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中 问题1 问题2 问题3 一、对阴极射线性质的研究 1．阴极射线的本质是电子，在电场(或磁场)中所受电场力(或洛伦兹力)远大于所受重力，故研究电场力(或洛伦兹力)对电子运动的影响时，一般不考虑重力的影响． 2．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． 【例1】　 (多选)如图1所示，一只阴极射线管的左侧不断有电子射出，如果在管的正上方放一通电直导线AB时，发现射线的径迹往下偏转，则下列判断正确的是(　　) 图1 A．导线中的电流从A流向B B．导线中的电流从B流向A C．电子束的径迹与AB中的电流无关 D．若要使电子束的径迹往上偏转，可以通过改变AB中的电流方向来实现 答案　AD 解析　由于电子带负电，并且向下偏转，由左手定则知该处的磁场方向应垂直纸面向里，又由安培定则可判断导线中的电流方向为由A到B.可以通过改变导线中的电流方向来改变粒子的径迹．故正确答案为A、D.[来源:学*科*网] 借题发挥　本题是运用左手定则和安培定则的综合性题目，在应用左手定则判断洛伦兹力的方向时，一定要注意运动电荷的正负． 针对训练1　阴极射线是从阴极射线管的阴极发出的高速运动的粒子流，这些微观粒子是________．若在图2所示的阴极射线管中部加上垂直于纸面向里的磁场，阴极射线将________(填“向下”、“向里”或“向外”)偏转．[来源:Zxxk.Com] 图2 答案　电子　向下 解析　阴极射线的实质是电子流，电子流形成的等效电流方向向左，当加上垂直纸面向里的磁场后，由左手定则判知电子受到的洛伦兹力的方向向下，故阴极射线将向下偏转． 二、电子荷质比的测定 实验探究 如图3所示为测定阴极射线粒子荷质比的装置，从阴极K发出的阴极射线通过一对平行金属板D1、D2间的匀强电场，发生偏转． 图3 (1)在D1、D2间加电场后射线偏到P2，则由电场方向知，该射线带什么电？ (2)再在D1、D2间加一磁场(图中未画出)，电场与磁场垂直，让射线恰好不偏转．设电场强度为E，磁感应强度为B，则电子的速度多大？ (3)撤去电场，只保留磁场，使射线在磁场中做圆周运动，若测出轨道半径为r，则粒子的荷质比是多大？[来源:学*科*网Z*X*X*K] 答案　(1)负电　(2)　(3) 解析　(2)粒子受两个力作用：电场力和磁场力，两个力平衡，即有qE＝qvB，得：v＝ (3)由洛伦兹力充当向心力：qvB＝m， 得出：. ＝ 又v＝， 则. ＝ 测出E、B、r即可求荷质比. 【例2】　1897年，物理学家汤姆生正式测定了电子的荷质比，打破了原子是不可再分的最小单位的观点．因此，汤姆生的实验是物理学发展史上最著名的经典实验之一．在实验中汤姆生采用了如图4所示的阴极射线管，从电子枪C出来的电子经过A、B间的电场加速后，水平射入长度为L的D、E平行板间，接着在荧光屏F中心出现荧光斑．若在D、E间加上方向向下，场强为E的匀强电场，电子将向上偏转；如果再利用通电线圈在D、E电场区加上一垂直纸面的磁感应强度为B的匀强磁场(图中未画)荧光斑恰好回到荧光屏中心，接着再去掉电场，电子向下偏转，偏转角为θ，试解决下列问题． 图4 (1)说明图中磁场沿什么方向；[来源:学科网ZXXK] (2)根据L、E、B和θ，求出电子的荷质比． 答案　(1)垂直纸面向里 (2) 解析　(1)磁场方向垂直纸面向里． (2)当电子在D、E间做匀速直线运动时有：eE＝Bev. 当电