4.1 电子的发现（课件PPT）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（教科版2019）

原子结构 第1节　电子的发现 第四章 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 物理观念 科学思维 科学态度与责任 1.知道阴极射线是由电子组成的，电子是原子的组成部分。 2．知道电荷是量子化的，即任何电荷只能是e的整数倍。 1.知道汤姆孙的原子结构模型。 2．知道比荷的概念，测定比荷的方法。 　　了解人类探索原子及其结构的历史。 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 一、阴极射线 1．定义：稀薄气体放电时阴极发出的能使对着阴极的玻璃管壁发出____的射线，称为阴极射线。 2．两种观点：________和带电微粒。 3．电性确定：汤姆孙通过阴极射线在磁场或____中的偏转，确定阴极射线为__电荷。 必备知识 自主学习 荧光 电磁辐射 电场 负 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 二、微粒比荷的测定　元电荷 1．比荷：带电粒子的______与质量之比称为比荷，是带电粒子的基本属性之一。 2．元电荷：能独立存在的____电荷称为元电荷，______通过著名的“____实验”精确地测出了电子电荷量。电子电荷量一般取e＝_____________C，电子质量me＝____________kg。 必备知识 自主学习 电荷量 最小 密立根 油滴 1.6×10－19 9.1×10－31 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 3．比荷的测定 如图所示为汤姆孙的气体放电管。 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 (1)在金属板D1、D2之间加上如图所示的电场时，发现阴极射线向上偏转，说明它带__电荷。 (2)在金属板D1、D2之间单独加____________的磁场，可以让阴极射线向上偏转。 (3)当运动电荷在D1、D2间受到电场力和洛伦兹力而平衡时得到的关系式为___________。 (4)撤去D1、D2间的电场，带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，若速度为v，磁感应强度为B，运动半径为R，可得到的关系式为qvB＝_____。 (5)联立以上两式可得比荷的表达式为___________。 必备知识 自主学习 负 垂直纸面向外 qE＝qvB 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 请判断下列说法的正误(对的画“√”，错的画“×”)。 (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)汤姆孙通过阴极射线在电场和磁场中的偏转证明了阴极射线带正电。(　　　　) (4)电子是原子的组成部分，电子电荷量可以取任意数值。(　　　) (5)原子核的电荷数等于核中的中子数。(　　　　) 必备知识 自主学习 √ × × × × 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 　　 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 [问题设计] (1)阴极射线管的构造是怎样的？ (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：(1)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)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。 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 1．电子的发现 (1)在真空玻璃管两极加上高电压，玻璃管壁上会发出荧光。 (2)德国物理学家戈德斯坦将阴极发出的射线命名为阴极射线。 (3)猜想 ①阴极射线是一种电磁辐射。 ②阴极射线是带电微粒。 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 (4)英国物理学家汤姆孙让阴极射线在电场和磁场中偏转。 (5)密立根通过“油滴实验”精确测定了电子的电荷量和电子的质量。 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 关键能力 互动探究 【例1】 如图所示，在阴极射线管中电子流方向由左向右，在其正下方放置一条形磁铁，位置如图，则阴极射线将会(　　) A．向上偏转 B．向下偏转 C．向纸内偏转 D．向纸外偏转 C 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 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。 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 [练1] 在真空的玻璃管中封有两个电极，当加上一定电压后，会从阴极射出一束高速电子流，称为阴极射线。若在玻璃管的正上方平行放置一根通有强电流的长直导线，其电流方向如图所示，则阴极射线将会(　　) A．向上偏转 B．向下偏转 C．向纸内偏转 D．向纸外偏转 A 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 如图所示是汤姆孙的气体放电管的示意图。 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 [问题设计] (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？ (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？ (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? 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 2．密立根实验的原理 (1)如图所示，两块平行放置的水平金属板A、B与电源相连接，使A板带正电，B板带负电，从喷雾器喷嘴喷出的小油滴经上面金属板中间的小孔，落到两板之间的匀强电场中。 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 【例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； 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 (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。 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 [练2] 美国科学家密立根通过油滴实验首次精确地测出了电子的电荷量，油滴实验的原理如图所示，两块水平放置的平行金属板与电源相连，上、下板分别带正、负电荷，油滴从喷雾器喷出后，由于摩擦带负电，经上板中央小孔落到两板间的匀强电场中，通过显微镜可以观察到它运动的情况，两金属板间的距离为d。(忽略油滴之间的相互作用力和空气对油滴的浮力及阻力) 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 (1)调节两金属板间的电压，当U＝U0时，观察到某个质量为m1的油滴恰好匀速竖直下落，求该油滴所带的电荷量； (2)若油滴进入电场时的初速度可以忽略，当两金属板间的电势差U＝U1时，观察到某个质量为m2的油滴进入电场后做匀加速运动，经过时间t运动到下极板，求此油滴所带的电荷量。 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 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 素养训练 学业评价 C 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 2．(多选)1897年英国物理学家汤姆孙对阴极射线的探究，最终发现了电子，由此被称为“电子之父”，下列关于电子的说法正确的是(　　) A．任何物质中均有电子 B．不同物质中具有不同性质的电子 C．电子质量是质子质量的1 836倍 D．电子是一种粒子，是比原子更基本的物质单元 素养训练 学业评价 AD 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 3．(多选)阴极射线管及方向坐标如图所示。电子束从阴极射出，直线射出狭缝掠射到荧光屏上，显示出电子束的径迹，以下偏转情况判断正确的是(　　) A．在阴极射线管中加一个方向向上的电场，射线向上偏转 B．在阴极射线管中加一个方向向下的电场，射线向上偏转 C．在阴极射线管中加一个方向向前的磁场，射线向上偏转 D．在阴极射线管中加一个方向向后的磁场，射线向上偏转 素养训练 学业评价 BC 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 4．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A、B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，图中油滴由于带负电悬浮在两板间保持静止。 素养训练 学业评价 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ (1)用所选择的物理量表示出该油滴的电荷量q＝______________(已知重力加速度为g)；(2)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m B．两板间的电压U C．两板间的距离d D．两板的长度L (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。 素养训练 学业评价 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 5．如图所示，让一束均匀的阴极射线垂直穿过正交的电磁场。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荷质比。 素养训练 学业评价 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 谢谢观看 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ＝ 探究点一___电子的发现及比荷的测定 如图所示为发现阴极射线的实验装置 由安培定则可知，条形磁铁在阴极射线处产生的磁场方向斜向上(左侧斜向左上，右侧斜向右上)，电子带负电，向右运动，由左手定则判定电子流所受洛伦兹力方向垂直纸面向里，故阴极射线会向纸内偏转，C正确。 根据右手定则判定通电导线下方部分的磁场方向垂直纸面向外；根据左手定则判断电子在磁场中受力方向向上，故阴极射线将向上偏转，A正确。 探究点二___比荷的测定 提示：(1)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)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)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＝。 1．汤姆孙阴极射线实验原理 (1)让带电粒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(Bqv＝qE)，得到粒子的运动速度v＝。 (2)撤去电场(如图乙)，保留磁场，让粒子单纯地在磁场中运动，由洛伦兹力提供向心力，即Bqv＝m，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径r。 (3)由以上两式确定粒子的比荷表达式：＝。 (2)小油滴由于摩擦而带负电，调节A、B两板间的电压，可以使小油滴静止在两板之间，此时电场力和重力平衡，即mg＝Eq，则电荷的电荷量q＝。实验发现，q一定是某个最小电荷量的整数倍，这个最小的电荷量就是电子的电荷量。 答案：(1)　(2) (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)P与P′之间只有偏转电场时，电子的加速度为a，运动时间为t，电子离开偏转电场的偏移量为y，速度偏转角为θ，根据运动学公式：y＝at2 根据牛顿第二定律有：a＝ 运动时间：t＝ 解得：y＝ 由于：＝ 可得：＝。 应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。 答案：(1)　(2)(gt2－2d) (1)当U＝U0时，油滴恰好做匀速直线运动，满足 m1g－q＝0 解得 q＝。 (2)当U＝U1时，质量为m2的油滴做匀加速运动，满足 d＝at2 m2g－q′＝m2a 联立解得 q′＝(g－)＝(gt2－2d)。 测量带电粒子比荷的三种常见方法 (1)利用磁偏转测比荷：由qvB＝m得＝，只需知道磁感应强度B、带电粒子的速度v和偏转半径R即可。 (2)利用电偏转测比荷：偏转量y＝at2＝··，故＝，在偏转电场U、d、L已知时，只需测量v和y即可。 (3)利用加速电场测比荷：由动能定理qU＝mv2得＝，在加速电场U已知时，只需测出v即可。 阴极射线是在真空管内由负极放出的高速电子流，A、B错误。阴极射线管中的高电压是为了使电子加速，C正确，D错误。 电子是构成物质的基本粒子，任何物质中均有电子，A正确；电子的性质均一样，B错误；质子质量是电子质量的1 836倍，C错误；电子是一种粒子，是比原子更基本的物质单元，D正确。 在阴极射线管中加一个方向向上的电场，射线向下偏转，A错误；在阴极射线管中加一个方向向下的电场，射线向上偏转，B正确；在阴极射线管中加一个方向向前的磁场，射线向上偏转，C正确；在阴极射线管中加一个方向向后的磁场，射线向下偏转，D错误。 答案：(1)　(2)ABC　(3)C (1)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 mg＝qE＝q 可得q＝。 (2)由(1)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m、两板间的电压U、两板间的距离d，A、B、C正确。 (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，C正确。 答案： 因为带电粒子不偏转，所以受到的电场力与洛伦兹力平衡，即qE＝qBv 所以v＝ 粒子进入磁场后做匀速圆周运动，由洛伦兹力提供向心力qvB＝ 所以，其半径为R＝ 所以＝。 $$