第1节 电子的发现（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（教科版2019）

核心素养导学 第四章　原子结构 第1节　电子的发现 物理观念 (1)了解人们对物质结构的早期探究。 (2)了解电子的发现过程。 (3)了解比荷和元电荷的含义。 科学思维 电子的发现和电子比荷的测定。 科学探究 探究电子在电场、磁场中的偏转规律。 科学态度与责任 熟悉电子的发现过程，体会科学家进行科学探究的过程。 一、阴极射线 1．阴极射线：在研究稀薄气体放电时，由______发出的，能使玻璃管壁发出_______的射线。 2．汤姆孙实验：让阴极射线分别通过电场和磁场，根据偏转情况，证明它是________的粒子流。 阴极 荧光 带负电 二、微粒比荷的测定、元电荷 1．比荷：带电粒子的________与_______之比。 2．电子的发现：1897年，英国科学家汤姆孙设计了一个巧妙实验，通过使阴极射线粒子受到的静电力和洛伦兹力平衡等方法，确定了阴极射线粒子的本质是带______的粒子流，并确定了其______，测量出了射线粒子的比荷，证明阴极射线的电荷量的大小与氢离子大致相同，而比荷却是________的1 000多倍。汤姆孙将这种带电粒子称为电子。 电荷量 质量 负电 速度 氢离子 3．元电荷 (1)密立根采用“油滴实验”，通过带电油滴在________与重力作用下的平衡，测量出油滴的电荷量。 (2)任何带电体的电荷都是________的，只能是e的_______，通常e取1.6×10－19 C。 (3)能独立存在的最小电荷被称为_________。 电场力 量子化 整数倍 元电荷 1.设计一个实验来进行阴极射线的研究，通过实验现象来说明这种射线是一种电磁波还是一种高速粒子流。 出现什么样的现象就可以认为这是一种电磁波？出现其他什么样的现象就可以认为这是一种高速粒子流？能否测定这是一种什么粒子？ 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，若不受影响则可判定是电磁辐射，否则是粒子流；要准确判断粒子种类需要利用电磁场的偏转进行定量计算，测出粒子的比荷。 2．如图所示为汤姆孙的气体放电管。判断下列说法正误： (1)英国物理学家汤姆孙认为阴极射线是一种电磁辐射。 ( ) (2)组成阴极射线的粒子是电子。 ( ) (3)电子是原子的组成部分，其电荷量可以是任意值。 ( ) × √ × 新知学习(一)|阴极射线的实质 [任务驱动] 如图所示为阴极射线管。请回答下列问题： (1)阴极射线管的构造是怎样的？ 提示：真空玻璃管中K是金属板制成的阴极，A是金属环制成的阳极，它们分别连接在感应圈的负极和正极上。管中十字状物体是一个金属片。 (2)在图中，K和A之间加上近万伏的高电压后，玻璃管壁上观察到什么现象？该现象说明了什么问题？ 提示：玻璃管壁上观察到淡淡的荧光及管中物体在玻璃管壁上的影，这说明阴极能够发出某种射线，并且撞击玻璃引起荧光。　　　　 [重点释解] 1．对阴极射线本质的认识——两种观点 (1)电磁波说——代表人物是赫兹，他认为这种射线是一种电磁辐射。 (2)粒子说——代表人物是汤姆孙，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其带电的性质。 (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其带电的性质。 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。 [典例体验] [典例]　(多选)如图所示是汤姆孙的阴极射线管的示意图，下列说法正确的是 (　 ) A．若在D1、D2两极板之间不加电场和磁场，则阴极射线应打到最右端的P1点 B．若在D1、D2两极板之间加上竖直向下的电场，则阴极射线应向下偏转 C．若在D1、D2两极板之间加上竖直向下的电场，则阴极射线应向上偏转 D．若在D1、D2两极板之间加上垂直纸面向里的磁场，则阴极射线不偏转 [解析]　实验证明，阴极射线是高速电子流，它在电场中偏转时应偏向带正电的极板一侧，C正确，B错误；加上磁场时，电子在磁场中受洛伦兹力作用，要发生偏转，D错误；当不加电场和磁场时，电子所受的重力可以忽略不计，因而不发生偏转，A正确。 [答案]　AC [针对训练] 1．关于阴极射线，下列说法正确的是 (　 ) A．阴极射线是高速运动的质子流 B．阴极射线是可用人眼直接观察的 C．阴极射线是电磁波 D．阴极射线是高速运动的电子流 解析：阴极射线是高速运动的电子流，A、C错误，D正确；阴极射线无法用人眼直接观察，B错误。 答案：D　 2.阴极射线从阴极射线管中的阴极发出，在其间的高电压下加速飞向阳极，如图所示，若要使射线向上偏转，所加磁场的方向应为 (　 ) A．平行于纸面向左　　 B．平行于纸面向上 C．垂直于纸面向外 D．垂直于纸面向里 解析：由于阴极射线的本质是电子流，阴极射线方向向右，说明电子的运动方向向右，相当于存在向左的电流，利用左手定则，使电子所受洛伦兹力方向平行于纸面向上，可知磁场方向应为垂直于纸面向外，故C正确。 答案：C　 新知学习(二)|电子比荷的测定 [任务驱动] 如图所示是汤姆孙的气体放电管的示意图。 (1)实验过程中金属板D1、D2之间没有加电磁场时，阴极射线是怎样通过金属板D1、D2的？打在哪个位置？ 提示：当金属板D1、D2之间未加电场时，射线不偏转，沿直线通过金属板D1、D2之间，射在屏上的P1点。 (2)实验过程中金属板D1、D2之间加电场时，阴极射线是怎样通过金属板D1、D2的？打在哪个位置？ 提示：当在平行金属板D1、D2之间加一电场E时，发现阴极射线打在屏上的位置向下偏转并射到屏P1点下面。 (3)实验过程中保持上述(2)中电场不变，金属板D1、D2之间再加磁场时，阴极射线是怎样才能沿直线通过金属板D1、D2? (1)他们的主要实验步骤如下： A．首先在两极板M1、M2之间不加任何电场、磁场，开启阴极射线管电源，发射的电子从两极板中央通过，在荧屏的正中心处观察到一个亮点。 B．在M1、M2两极板间加合适的电场：加极性如图所示的电压，并逐步调节增大，使荧屏上的亮点逐渐向荧屏下方偏移，直到荧屏上恰好看不见亮点为止，记下此时外加电压为U。请问本步骤的目的是什么？ C．保持步骤B中的电压U不变，在M1、M2两极板区域加一个大小、方向合适的磁场，磁感应强度为B，使荧屏正中心重现亮点。试问外加磁场的方向如何？ (2)不正确，电子的比荷是由电子本身决定的，是电子的固有属性，因此他的说法不正确。 2．如图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。 (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。 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 物理观念——阴极射线的研究 1．(选自鲁科版教材课后练习)(多选)汤姆孙通过对阴极射线的实验研究发现 (　 ) A．阴极射线在电场中受力方向与电场方向相反 B．阴极射线在磁场中受力情况跟正电荷受力情况相同 C．不同材料所产生的阴极射线的比荷不同 D．阴极射线的比荷比氢离子的比荷大得多 解析：阴极射线就是带负电的电子流，A正确，B错误；不同材料产生的阴极射线比荷是相同的，C错误；阴极射线的比荷比氢离子的比荷大得多，D正确。 答案：AD　 科学思维——油滴实验的计算 2．(选自人教版教材课后练习)一个半径为1.6×10－4 cm的带负电的油滴，在电场强度为1.92 V/m、方向竖直向下的匀强电场中，如果油滴受到的库仑力恰好与重力平衡，问：这个油滴带有几个电子的电荷？已知油的密度为0.851×103 kg/m3，g取10 m/s2，π取3.14。(油滴可看作球形) 答案：475 047 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1.如图所示为汤姆孙阴极射线管的构造简图，将两极间加有一定电压的阴极射线管置于U形磁铁两极之间，分析左端射入的电子束可知 (　 ) A．增大加速电压，观察到的偏转现象将更加明显 B．减小磁感应强度，观察到的偏转现象将更加明显 C．电子束向下偏转 D．若将粒子源更换为α粒子源，磁场中粒子束偏转方向不变 答案：C　 2.(多选)如图是密立根油滴实验的示意图。油滴从喷雾器嘴喷出，落到图中的匀强电场中，调节两板间的电压，通过显微镜观察到某一油滴静止在电场中，下列说法正确的是 (　 ) A．油滴带负电 B．油滴质量可通过天平来测量 C．只要测出两板间的距离和电压就能求出油滴所带的电荷量 D．该实验测得油滴所带电荷量等于元电荷的整数倍 答案：AD　 提示：保持上述电场不变，在平行金属板D1、D2之间的区域再加一磁场B，且磁场方向垂直纸面向外。当满足条件qvB＝qE时，阴极射线不发生偏转，则v＝。　　　　 　　　　 　　 甲　　　　　　　 　乙 [重点释解] 1．让电子通过相互垂直的电场和磁场(如图甲)，让其做匀速直线运动，根据二力平衡，即F洛＝F电(evB＝eE)，得到电子的运动速度v＝。 2．撤去电场(如图乙)，保留磁场，让电子单纯地在磁场中运动，由洛伦兹力提供向心力，即evB＝m，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径r。 3．由以上两式确定电子的比荷表达式：＝。 [典例体验] [典例]　带电粒子的比荷是一个重要的物理量。某中学物理兴趣小组设计了一个实验，探究电场和磁场对电子运动轨迹的影响，以求得电子的比荷，实验装置如图所示。 (2)根据上述实验步骤，同学们正确推算出电子的比荷与外加电场、磁场及其他相关量的关系为＝。一位同学说，这表明电子的比荷大小将由外加电压决定，外加电压越大则电子的比荷越大，你认为他的说法正确吗？为什么？ [解析]　(1)步骤B中电子在M1、M2两极板间做类平抛运动，当增大两极板间电压时，电子在两极间的偏转位移增大。当在荧屏上看不到亮点时，电子刚好打在下极板M2靠近荧屏端的边缘，设两极板间的距离为d，则＝·2，＝。由此可以看出这一步的目的是使电子在电场中的偏转位移成为已知量，就可以表示出电子的比荷。步骤C加上磁场后电子不偏转，则电场力等于洛伦兹力，且洛伦兹力方向向上，由左手定则可知磁场方向垂直于纸面向外。 [答案]　(1)步骤B中使电子刚好打在下极板M2靠近荧屏端的边缘，利用方便测量的量表示　步骤C中磁场方向垂直纸面向外 (2)不正确，因为电子的比荷是由电子本身决定的，与外加电压无关。 /方法技巧/ 运用电磁场测定电子比荷的解题技巧 (1)当电子在复合场中做匀速直线运动时，eE＝evB，可以测出电子速度大小。 (2)当电子在匀强磁场中偏转时，evB＝m，测出圆周运动半径，即可确定比荷。 (3)当电子在匀强电场中偏转时，y＝at2＝，测出电场中的偏转量也可以确定比荷。　　 [针对训练] 1.如图所示，电子以初速度v0从O点进入长为l、板间距离为d、电势差为U的电场，出电场时打在屏上P点，经测量O′点和P点的距离为h，求电子的比荷。 解析：由于电子进入电场中做类平抛运动，沿电场线方向做初速度为零的匀加速直线运动，有 h＝at2＝2＝，则＝。 答案： 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evB＝Ee＝e，得v＝ 即打到荧光屏O点的电子速度的大小为。 (2)由题意得d＝··2＋·， 代入v＝， 解得＝。 答案：(1)　(2)＝ 解析：由题意可知油滴受到的电场力等于重力，则 neE＝mg，m＝ρV＝ρ·πr3 解得：n＝ ＝ ≈475 047(个)。 解析：由R＝可知，增大加速电压从而增大电子的速度，增大电子做圆周运动的半径，偏转将不明显，减小磁场的磁感应强度，也增大电子的偏转半径，从而使偏转不明显，故A、B均错误；电子由左向右运动，由左手定则可以确定电子将向下偏转，C正确；若将粒子源换为α粒子源，因α粒子带正电，由左手定则可知，α粒子将向上偏转，D错误。 解析：由题图知，电容器两极板间电场方向向下，油滴所受的电场力向上，则知油滴带负电，故A正确；油滴的质量很小，不能通过天平测量，故B错误；根据油滴受力平衡得：mg＝qE＝q，得q＝，所以要测出两板间的距离、电压和油滴的质量才能求出油滴的电荷量，故C错误；根据密立根油滴实验研究可知：该实验测得油滴所带电荷量等于元电荷的整数倍，故D正确。 $$