第13.1节 电子的发现-【帮课堂】2024-2025学年高二物理同步学与练（沪科版2020上海选择性必修第三册）

第十三章 原子结构 13.1 电子的发现 课程标准 1. 了解阴极射线是电子流，及其发现过程和重要意义。 2. 了解密立根油滴实验测量电子电荷量的原理和方法。 物理素养 物理观念：通过阴极射线的发现，确定原子可分的思想观念。 科学思维：物理学规律的发现需要理论推导和实验验证相结合。 科学探究：阴极射线的电性如何判断？ 科学态度与责任：探索微观世界的粒子是一个不断突破的过程，养成正确客观的科学态度。 一、阴极射线的本质 汤姆孙已经可以确认阴极射线是一种带负电的粒子流。 ※辉光放电：日光灯是常见的辉光放电现象，原理是稀薄气体中正离子被电场加速，撞击阴极，产生大量高能态带电粒子，这些被激发的粒子跃迁到基态时产生光子，从而发光的现象。 二、电子的发现 汤姆孙通过测量比荷发现电子，实验装置如下。 将阴极K和阳极A与直流高压电源相连，阴极射线自K射出，并在A、K间加速后，沿直线向右运动。 C、D是一对平行金属板，接到另一直流电源上，C、D之间的电场对粒子束产生偏转作用，从C、D 板右侧射出的粒子束沿直线射到偏转管最右端荧光屏上的P处。 在管外于C、D极板前后两侧加装载流线圈，线圈产生一个与 C、D间强电场及粒子束运动方向均垂直的匀强磁场。调节线圈中的电流，使得粒子束在C、D间所受电场力与洛伦兹力平衡，粒子束便无偏转地沿直线射至荧光屏上O处。 测得C、D间偏转电场的电势差U，载流线圈所产生的磁场的磁感应强度B，平行金属板C、D的长度l以及间距d，从偏电场右边界直至O、P两处的粒子直线径迹间的夹角θ。 由这些数据便可推得粒子的比荷。tanθ ＝＝ q=qv0B 将v0带入前式，可得到比荷。 汤姆孙发现了电子，密立根用油滴实验测定了电子的电荷量。 三、阴极射线的研究和电子的发现所具有的重要意义 汤姆孙的研究表明，相对于原子而言，电子是更基本的组成物质的粒子，它是原子的组成部分。 电子的发现打破了原子不可分的传统物质观。 ①原子不可分 ↓ ②阴极射线是什么？ ↓ ③比荷的测量 ↓ ④电子的发现 例1．关于阴极射线，下列说法正确的是（　　） A．阴极射线就是稀薄气体导电时的辉光放电现象 B．阴极射线是在真空管内由正极放出的电子流 C．阴极射线管中的高电压是为了使电子加速 D．阴极射线管中的高电压是为了使电子偏转，使实验现象更明显 【答案】C 【解析】A．辉光放电是气体中正离子被加速，撞击产生电子，使气体导电，电子从高能态跃迁时发光现象，不是阴极射线，A错误。 B．阴极射线是在真空管内由负极放出的高速电子流，B错误。 CD．阴极射线管中的高电压是为了使电子加速，选项C正确，D错误。 题型01 阴极射线在电场或磁场中的运动 例2．如图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，在下列措施中可采用的是(　　) A．加一磁场，磁场方向沿z轴负方向 B．加一磁场，磁场方向沿y轴正方向 C．加一电场，电场方向沿z轴负方向 D．加一电场，电场方向沿y轴正方向 【答案】B 【解析】管内是电子流，然后根据洛伦兹力和电场力方向的判定方法进行判定。 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，故B正确。 题型02 电子的电荷量的测量 例3．（23-24高二上·上海松江·期中）美国物理学家密立根通过如图所示的实验装置，最先测出了电子的电荷量，被称为密立根油滴实验。如下图所示，两块水平放置的金属板分别与电源的正负极相连接，板间产生匀强电场，方向竖直向下，图中油滴由于带负㫣悬浮在两板间保持静止． （1）若要测出该油滴的电荷量，需要测出的物理量有 ； A．油滴质量     B．两板间的电压     C．两板间的距离d     D．两板的长度 （2）用所选择的物理量表示出该油滴的电荷量 （已知重力加速度为）； （3）在进行了几百次的测量以后，密立根发现油滴所带的电荷量虽不同，但都是某个最小电荷量的 倍（填：A奇数倍；B偶数倍；C整数倍），这个最小电荷量被认为是元电荷 【答案】 ABC C 【详解】（2）[2]平行板电容器间的电场为匀强电场，液滴处于静止状态， 所以电场力与重力平衡即 可得 （1）[1]由（2）中分析可知要测出该油滴的电荷量，需要测出的物理量有油滴质量、两板间的电压、两板间的距离d。 故选ABC； （3）[3]在进行了几百次的测量以后，密立根发现油滴所带的电荷量虽不同，但都是某个最小电荷量的整数倍，这个最小电荷量被认为是元电荷。 故选C。 1．汤姆孙通过对什么射线的研究，提出了原子的“葡萄干蛋糕模型”（　　） A．α射线 B．β射线 C．γ射线 D．阴极射线 【答案】D 【详解】汤姆孙通过对阴极射线的研究，发现了电子，提出了原子的“葡萄干蛋糕模型”。故选D。 2．（多选）如图所示是汤姆孙的气体放电管的示意图，下列说法中正确的是（　　） A．若在D1、D2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之间加上垂直纸面向里的磁场，则阴极射线向上偏转 【答案】AC 【解析】BC．实验证明，阴极射线是电子，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； D．加上垂直纸面向里的磁场时，电子在磁场中受洛伦兹力作用，要向下偏转，D错误； A．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。 3.（多选）如图所示，一只阴极射线管左侧不断有电子射出，若在管的正下方放一通电直导线AB时，发现射线的轨迹往下偏，则(　　) A．导线中的电流由A流向B B．阴极射线管处磁场方向垂直纸面向里 C．若要使电子束的轨迹往上偏，可以通过改变AB中的电流方向来实现 D．电子束的轨迹与AB中的电流方向无关 【答案】BC 【解析】A、电子往下偏，说明受向下的洛伦兹力，由左手定则判断出磁场的方向向里，由右手定则得到AB中电流的方向由B向A，故A错误，B正确； C、若要使电子束的轨迹往上偏，即使电子受向上的洛伦兹力，则可以使电流的方向改变为由A向B，故C正确，D错误。 4．（22-23高二下·上海·随堂练习）（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 【详解】A．由图可知，电容器板间电场方向向下，油滴所受的电场力向上，则知油滴带负电，故A正确； B．油滴的质量很小，不能通过天平测量，故B错误； C．根据油滴受力平衡可得 解得 可知要测出两板间的距离、电压和油滴的质量才能求出油滴所带的电荷量，故C错误； D．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。 5． 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，求： (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。 【答案】（1）（2） 【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: ，所以 （2）利用平抛规律：离开偏转电场时速度偏转角的反向延长线过，水平位移中点。 得出： / 学科网（北京）股份有限公司 $$ 第十三章 原子结构 13.1 电子的发现 课程标准 1. 了解阴极射线是电子流，及其发现过程和重要意义。 2. 了解密立根油滴实验测量电子电荷量的原理和方法。 物理素养 物理观念：通过阴极射线的发现，确定原子可分的思想观念。 科学思维：物理学规律的发现需要理论推导和实验验证相结合。 科学探究：阴极射线的电性如何判断？ 科学态度与责任：探索微观世界的粒子是一个不断突破的过程，养成正确客观的科学态度。 一、阴极射线的本质 汤姆孙已经可以确认阴极射线是一种带负电的粒子流。 ※辉光放电：日光灯是常见的辉光放电现象，原理是稀薄气体中正离子被电场加速，撞击阴极，产生大量高能态带电粒子，这些被激发的粒子跃迁到基态时产生光子，从而发光的现象。 二、电子的发现 汤姆孙通过测量比荷发现电子，实验装置如下。 将阴极K和阳极A与直流高压电源相连，阴极射线自K射出，并在A、K间加速后，沿直线向右运动。 C、D是一对平行金属板，接到另一直流电源上，C、D之间的电场对粒子束产生偏转作用，从C、D 板右侧射出的粒子束沿直线射到偏转管最右端荧光屏上的P处。 在管外于C、D极板前后两侧加装载流线圈，线圈产生一个与 C、D间强电场及粒子束运动方向均垂直的匀强磁场。调节线圈中的电流，使得粒子束在C、D间所受电场力与洛伦兹力平衡，粒子束便无偏转地沿直线射至荧光屏上O处。 测得C、D间偏转电场的电势差U，载流线圈所产生的磁场的磁感应强度B，平行金属板C、D的长度l以及间距d，从偏电场右边界直至O、P两处的粒子直线径迹间的夹角θ。 由这些数据便可推得粒子的比荷。tanθ ＝＝ q=qv0B 将v0带入前式，可得到比荷。 汤姆孙发现了电子，密立根用油滴实验测定了电子的电荷量。 三、阴极射线的研究和电子的发现所具有的重要意义 汤姆孙的研究表明，相对于原子而言，电子是更基本的组成物质的粒子，它是原子的组成部分。 电子的发现打破了原子不可分的传统物质观。 ①原子不可分 ↓ ②阴极射线是什么？ ↓ ③比荷的测量 ↓ ④电子的发现 例1．关于阴极射线，下列说法正确的是（　　） A．阴极射线就是稀薄气体导电时的辉光放电现象 B．阴极射线是在真空管内由正极放出的电子流 C．阴极射线管中的高电压是为了使电子加速 D．阴极射线管中的高电压是为了使电子偏转，使实验现象更明显 题型01 阴极射线在电场或磁场中的运动 例2．如图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，在下列措施中可采用的是(　　) A．加一磁场，磁场方向沿z轴负方向 B．加一磁场，磁场方向沿y轴正方向 C．加一电场，电场方向沿z轴负方向 D．加一电场，电场方向沿y轴正方向 题型02 电子的电荷量的测量 例3．（23-24高二上·上海松江·期中）美国物理学家密立根通过如图所示的实验装置，最先测出了电子的电荷量，被称为密立根油滴实验。如下图所示，两块水平放置的金属板分别与电源的正负极相连接，板间产生匀强电场，方向竖直向下，图中油滴由于带负㫣悬浮在两板间保持静止． （1）若要测出该油滴的电荷量，需要测出的物理量有 ； A．油滴质量     B．两板间的电压     C．两板间的距离d     D．两板的长度 （2）用所选择的物理量表示出该油滴的电荷量 （已知重力加速度为）； （3）在进行了几百次的测量以后，密立根发现油滴所带的电荷量虽不同，但都是某个最小电荷量的 倍（填：A奇数倍；B偶数倍；C整数倍），这个最小电荷量被认为是元电荷 1．汤姆孙通过对什么射线的研究，提出了原子的“葡萄干蛋糕模型”（　　） A．α射线 B．β射线 C．γ射线 D．阴极射线 2．（多选）如图所示是汤姆孙的气体放电管的示意图，下列说法中正确的是（　　） A．若在D1、D2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之间加上垂直纸面向里的磁场，则阴极射线向上偏转 3.（多选）如图所示，一只阴极射线管左侧不断有电子射出，若在管的正下方放一通电直导线AB时，发现射线的轨迹往下偏，则(　　) A．导线中的电流由A流向B B．阴极射线管处磁场方向垂直纸面向里 C．若要使电子束的轨迹往上偏，可以通过改变AB中的电流方向来实现 D．电子束的轨迹与AB中的电流方向无关 4．（22-23高二下·上海·随堂练习）（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 5． 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，求： (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。 / 学科网（北京）股份有限公司 $$