高中物理人教版 (新课标)选修31 电子的发现教学设计

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1 电子的发现








eq \([先填空])


1．实验装置


真空玻璃管、阴极、阳极和感应圈．


2．实验现象


感应圈产生的高电压加在两极之间，玻璃管壁上发出B(A.阴极射线 B．荧光)．


3．阴极射线


荧光是由于玻璃受到阴极发出的某种射线的撞击而引起的，这种射线命名为阴极射线．


eq \([再判断])


1．阴极射线是由真空玻璃管中的感应圈发出的．(×)


2．阴极射线撞击玻璃管壁会发出荧光．(√)


3．阴极射线在真空中沿直线传播．(√)


eq \([后思考])


产生阴极射线的玻璃管为什么是真空的？


【提示】 在高度真空的放电管中，阴极射线中的粒子主要来自阴极，对于真空度不高的放电管，粒子还有可能来自管中的气体，为了使射线主要来自阴极，一定要把玻璃管抽成真空．





eq \([合作探讨])


如图18­1­1所示，在阴极和阳极之间加上高电压，阴极射线从阴极射线管中的阴极发出，射向阳极．





图18­1­1


探讨1：怎样判定阴极射线是不是电磁辐射？


【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则可判定是不是电磁辐射．


探讨2：根据带电粒子在电、磁场中的运动规律，哪些方法可以判断运动的带电粒子所带电荷的正负？


【提示】 带电粒子垂直进入匀强电场时，正负电荷的偏转方向不同，偏转方向与场强方向相同(相反)的粒子带正(负)电，不带电者不偏转．


带电粒子垂直进入匀强磁场时，做匀速圆周运动，所受的洛伦兹力提供向心力，根据左手定则可知其电性．


eq \([核心点击])


1．对阴极射线本质的认识——两种观点


(1)电磁波说，代表人物——赫兹，他认为这种射线是一种电磁辐射．


(2)粒子说，代表人物——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．


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．





1．阴极射线管中加高电压的作用是( )


【导学号：54472042】


A．使管内的气体电离


B．使阴极发出阴极射线


C．使管内障碍物的电势升高


D．使管内产生强电场，电场力做功使电子加速


【解析】 在阴极射线管中，阴极射线是由阴极处于炽热状态而发射出的电子流，B错误；阴极发射出的电子流通过高电压加速后，获得较高的能量，与玻璃壁发生撞击而产生荧光，故A、C错，D正确．


【答案】 D


2.如图18­1­2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，可采用加磁场或电场的方法．





图18­1­2


若加一磁场，磁场方向沿________方向，若加一电场，电场方向沿________方向．


【解析】 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．


【答案】 y轴正 z轴正





注意阴极射线电子从电源的负极射出，用左手定则判断其受力方向时四指的指向和射线的运动方向相反.








eq \([先填空])


1．汤姆孙的探究方法及结论


(1)根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定，它的本质是带负电的粒子流，并求出了这种粒子的比荷．


(2)换用不同材料的阴极做实验，所得比荷的数值都相同，是氢离子比荷的近两千倍．


(3)结论：阴极射线粒子带负电，其电荷量的大小与氢离子大致相同，而质量比氢离子小得多，后来组成阴极射线的粒子被称为电子．


2．汤姆孙的进一步研究


汤姆孙又进一步研究了许多新现象，证明了电子是原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元．


3．电子的电荷量及电荷量子化


(1)电子电荷量：1910年前后由密立根通过著名的eq \(油滴实验)得出，电子电荷的现代值为e＝1.602×10－19_C.


(2)电荷是量子化的，即任何带电体的电荷只能是e的整数倍．


(3)电子的质量：me＝9.109 389 7×10－31 kg，质子质量与电子质量的比eq \f(mp,me)＝1_836.


eq \([再判断])


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．带电体的电荷量可以是任意值．(×)


eq \([后思考])


汤姆孙怎样通过实验确定阴极射线是带负电的粒子？


【提示】 汤姆孙通过气体放电管研究阴极射线的径迹，未加电场时，射线不偏转，施加电场后，射线向偏转电场的正极板方向偏转，由此确定阴极射线是带负电的粒子．





eq \([合作探讨])


如图18­1­3所示，为测定电子比荷的实验装置，其中M1、M2为两正对平行金属板．





图18­1­3


探讨1：电子在两平行金属板间的运动轨迹是什么形状？


【提示】 抛物线．


探讨2：电子飞出金属板间后到荧光屏P的过程中的运动轨迹是什么形状？


【提示】 一条直线．


探讨3：要使电子在M1、M2之间沿水平方向做直线运动，所加的磁场应为什么方向？


【提示】 垂直于纸面向外．


eq \([核心点击])


1．电子比荷(或电荷量)的测定方法


根据电场、磁场对电子的偏转测量比荷(或电荷量)，可按以下方法：


(1)让电子通过正交的电磁场，如图18­1­4(甲)所示，让其做匀速直线运动，根据二力平衡，即F洛＝F电(Bqv＝qE)得到电子的运动速度v＝eq \f(E,B).





甲


(2)在其他条件不变的情况下，撤去电场，如图18­1­4(乙)所示，保留磁场让电子在磁场中运动，由洛伦兹力提供向心力，即Bqv＝eq \f(mv2,r)，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径r，则由qvB＝meq \f(v2,r)得eq \f(q,m)＝eq \f(v,Br)＝eq \f(E,B2r).





乙


图18­1­4


2．密立根油滴实验


(1)装置


密立根实验的装置如图18­1­5所示．





图18­1­5


①两块水平放置的平行金属板A、B与电源相接，使上板带正电，下板带负电．油滴从喷雾器喷出后，经上面金属板中间的小孔，落到两板之间的匀强电场中．


②大多数油滴在经过喷雾器喷嘴时，因摩擦而带负电，油滴在电场力、重力和空气阻力的作用下下降．观察者可在强光照射下，借助显微镜进行观察．


(2)方法


①两板间的电势差、两板间的距离都可以直接测得，从而确定极板间的电场强度E.但是由于油滴太小，其质量很难直接测出．密立根通过测量油滴在空气中下落的终极速度来测量油滴的质量．没加电场时，由于空气的黏性，油滴所受的重力大小很快就等于空气给油滴的摩擦力而使油滴匀速下落，可测得速度v1.


②再加一足够强的电场，使油滴做竖直向上的运动，在油滴以速度v2匀速运动时，油滴所受的静电力与重力、阻力平衡．根据空气阻力遵循的规律，即可求得油滴所带的电荷量．


(3)结论


带电油滴的电荷量都等于某个最小电荷量的整数倍，从而证实了电荷是量子化的，并求得了其最小值即电子所带的电荷量e.





3．(多选)关于电荷的电荷量下列说法正确的是( )


A．电子的电量是由密立根油滴实验测得的


B．物体所带电荷量可以是任意值


C．物体所带电荷量最小值为1.6×10－19 C


D．物体所带的电荷量都是元电荷的整数倍


【解析】 密立根的油滴实验测出了电子的电量为1.6×10－19 C，并提出了电荷量子化的观点，因而A对，B错，C对；任何物体的电荷量都是e的整数倍，故D对．


【答案】 ACD


4．密立根油滴实验进一步证实了电子的存在，揭示了电荷的非连续性．如图18­1­6所示是密立根油滴实验的原理示意图，设小油滴的质量为m，调节两极板间的电势差U，当小油滴悬浮不动时，测出两极板间的距离为d.则可求出小油滴的电荷量q＝________.





图18­1­6


【解析】 由平衡条件得mg＝qeq \f(U,d)，解得q＝eq \f(mgd,U).


【答案】 eq \f(mgd,U)


5．如图18­1­7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.





图18­1­7


(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．


【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＝eq \f(U,b)e，得v＝eq \f(U,Bb)


即打到荧光屏O点的电子速度的大小为eq \f(U,Bb).


(2)由d＝eq \f(1,2)eq \f(Ue,bm)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(L1,v)))2＋eq \f(Ue,bm)eq \f(L1,v)·eq \f(L2,v)可得


eq \f(e,m)＝eq \f(2dbv2,UL1L1＋2L2)＝eq \f(2dU,B2bL1L1＋2L2).


【答案】 (1)eq \f(U,Bb) (2)eq \f(2dU,B2bL1L1＋2L2)





巧妙运用电磁场测定电子比荷


(1)当电子在复合场中做匀速直线运动时，qE＝qvB，可以测出电子速度的大小．


(2)电子在荧光屏上的落点到屏中心的距离等于电子在电场中的偏转位移与电子出电场到屏之间的倾斜直线运动偏转位移的和．








学 习 目 标
知 识 脉 络
1.知道阴极射线的概念，了解电子的发现过程．(重点)


2.知道电子是原子的组成部分．(重点)


3.知道电子的电荷量及其他电荷与电子电荷量的关系．(重点、难点)
阴 极 射 线
电 子 的 发 现