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

第1节　电子的发现 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。 [对应学生用书P73] 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荧光的射线，称为阴极射线。 2．两种观点：电磁辐射和带电微粒。 3．电性确定：汤姆孙通过阴极射线在磁场或电场中的偏转，确定阴极射线为负电荷。 二、微粒比荷的测定　元电荷 1．比荷：带电粒子的电荷量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：能独立存在的最小电荷称为元电荷，密立根通过著名的“油滴实验”精确地测出了电子电荷量。电子电荷量一般取e＝1.6×10－19C，电子质量me＝9.1×10－31 kg。 3．比荷的测定 如图所示为汤姆孙的气体放电管。 (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，说明它带负电荷。 (2)在金属板D1、D2之间单独加垂直纸面向外的磁场，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qE＝qvB。 (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＝。 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。(　　×　　) 备课札记 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 [对应学生用书P74] 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 [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。 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。 (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。 【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　解析：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。 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。 [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　解析：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 如图所示是汤姆孙的气体放电管的示意图。 [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? 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，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。 (1)让带电粒子通过相互垂直的电场和磁场(如图甲) (3)由以上两式确定粒子的比荷表达式：＝。 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。 (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。 【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； (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： 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。 [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) (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。 答案：(1)　(2)(gt2－2d) 解析：(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。 [对应学生用书P77] 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 C　解析：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。 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 AD　解析：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。 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 BC　解析：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。 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。 (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。 答案：(1)　(2)ABC　(3)C 解析：(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。 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。 答案： 解析：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＝。 [课时梯级训练(16)见P178] 学科网（北京）股份有限公司 $$