资源简介

4.1　电子的发现
学习目标
1.通过任务1及其活动,了解科学家对阴极射线的探究过程,知道阴极射线的带电性质。(物理观念、科学态度与责任)
2.通过任务2及其活动,了解汤姆孙测定阴极射线粒子比荷的装置与方法,认识发现电子的重大意义。(科学探究、科学态度与责任)
【自主预习·悟新知】
思考并回答问题。
思考1:如果你认为阴极射线是带电粒子,你可以想出哪些方法判断其所带电荷的正负号


思考2:第一次较为精确地测量出电子电荷量的科学家是谁


正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)阴极射线管发出荧光的原因是阴极射线撞击管壁。 (　　)
(2)只要阴阳两极间加有电压,就会有阴极射线产生。 (　　)
(3)汤姆孙发现了电子,从而认识到原子是可以再分的。 (　　)
(4)汤姆孙指出阴极射线的本质是带负电的粒子流,但他没有求出该粒子的比荷。 (　　)
【合作探究·提素养】
任务1　阴极射线
19世纪中后期,物理学家在研究稀薄气体放电现象中发现:将充有足够稀薄气体的放电管的阴极和阳极接上高压电源后,阴极正对面的玻璃壁上会出现黄绿色的荧光。科学家研究认为,这是阴极发出的一种射线打到玻璃壁上产生的。科学家把从阴极发射出来的射线称为阴极射线。那么阴极射线究竟是什么 是光,还是粒子 它带电吗
1.如图所示,给阴极射线管加上高电压,将磁铁N极靠近阴极射线管内侧,你观察到什么现象 若将磁铁S极靠近阴极射线管内侧,你又观察到什么现象

2.根据观察到的现象,你认为阴极射线是中性的,还是带电的 如果是带电的,则是带了哪种电


3.你还能设计出其他实验方案验证阴极射线的带电性质吗


阴极射线
(1)19世纪中后期,科学家在研究稀薄气体放电时,发现真空度很高的玻璃管①　　会发射出一种射线。这种射线沿直线传播,撞击到玻璃壁上会产生黄绿色的荧光,科学家们把这种射线称为阴极射线。
(2)阴极射线是一种带②　　电的粒子流。
应用　阴极射线偏转方向的判断
电子射线管的示意图如图所示。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,下列措施可采用的是(　　)
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
如何判断负电荷所受电场力方向 如何判断负电荷所受洛伦兹力方向

任务2　微粒比荷的测定
阴极射线中带负电的粒子是什么 是原子还是分子 抑或是比原子或分子更小的某种物质微粒
为了进一步弄清这种带负电粒子的性质,必须设法测出阴极射线中一个带电粒子的质量。汤姆孙采用的是测比荷的方法,这种方法是通过实验测出粒子的比荷和电荷量q,从而求得粒子的质量m。
汤姆孙用如图所示的装置测定了这种粒子的比荷。当D1、D2两块金属极板之间不加电压时,射线打到荧光屏上的中心P1点。当D1、D2间加上方向向下的电场E时,带电粒子将会向上偏转。为了抵消射线由于电场作用产生的偏转,再在D1、D2两块金属极板之间加上一个大小为B、方向垂直纸面向里的磁场,使射线又重新回到P点。然后去掉D1、D2之间的电场E,只保留原磁场B,带电粒子在磁场区域内做圆周运动,打到荧光屏上的中心P2点,根据几何关系算出粒子做圆周运动半径为r。
1.请你根据情境中的信息,推导出这种粒子(阴极射线粒子)的比荷表达式。


2.汤姆孙测得这种粒子的比荷约为多少 这种粒子的比荷与氢离子的比荷相同吗 这种粒子的质量与氢离子的质量相同吗



3.汤姆孙将这种粒子命名为什么 汤姆孙的这一发现具有什么重要意义


电子的发现
(1)1897年,汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定,阴极射线的本质是③　　,并求出了这种粒子的④　　。
(2)汤姆孙用不同材料的阴极做实验,所得的比荷都是⑤　　的,后来,组成阴极射线的粒子被称为⑥　　。
(3)电子的发现使人们认识到⑦　　是可分的,传统的物质观念终于被否定了。汤姆孙对阴极射线的研究敲开了原子的大门,这标志着人类对物质结构的认识进入了一个崭新的阶段。
应用1　密立根“油滴实验”
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,该实验被称为密立根“油滴实验”。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而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m B.两板间的电压U
C.两板间的距离d D.两板的长度L
(2)用所选择的物理量表示该油滴的电荷量q=　　　　。(已知重力加速度为g)
(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,其值大约为e=　　 C。
应用2　阴极射线比荷的测定
真空玻璃管内,阴极K发出的电子经阳极A与阴极K之间的高电压加速后,形成一细束电子流,以方向平行于平行板电容器极板的速度进入两极板C、D间的区域。如图所示,若两极板C、D间无电压,电子将打在荧光屏上的O点;若在两极板间施加电压U,则离开极板区域的电子将打在荧光屏上的P点;若再在极板间施加一个方向垂直于纸面向外、磁感应强度大小为B的匀强磁场,则电子在荧光屏上产生的光点又回到O点。已知极板的长度l=5.00 cm,C、D间的距离d=1.50 cm,极板区的中点M到荧光屏中点O的距离L=12.50 cm,U=200 V,B=6.3×10-4 T,P点到O点的距离y=3.0 cm。求电子的比荷。
(1)如何计算电子在正交的电场和磁场中的速度
(2)在仅有电场时,电子在电场中做类平抛运动时,速度方向有什么特点

【随堂检测·精评价】
1.(任务1)(多选)如图所示,一只阴极射线管的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,发现电子束的径迹往下偏,则 (　　)
A.导线中的电流从A流向B
B.导线中的电流从B流向A
C.若要使电子束的径迹向上偏,可以通过改变AB中的电流方向来实现
D.电子束的径迹与AB中的电流方向无关
2.(任务2)电子的发现说明 (　　)
A.原子是由原子核和电子组成的
B.物质是带电的且一定带负电
C.原子可进行再分
D.原子核可再分
3.(改编)(多选)许多物理学家的科学研究推动了人类文明的进程。科学史上一个著名的实验如图,以下说法正确的是 (　　)
A.此实验是J.J.汤姆孙测量油滴电荷量的实验
B.此实验的原理是二力平衡
C.通过此油滴实验直接测定了元电荷的数值
D.通过多次实验测量,发现油滴所带的电荷量虽然不相同,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
4.(任务2)为了测定带电粒子的比荷,让这个带电粒子垂直电场方向飞进平行金属板间,已知匀强电场的电场强度为E,在通过长为L的两金属板间后,测得偏离入射方向的距离为d,如果在两板间加垂直于电场方向的匀强磁场,磁场方向垂直于粒子的入射方向,当磁感应强度为B时,粒子恰好不偏离原来的方向,则该粒子的比荷为 (　　)
A. B.
C.
答案与解析
自主预习·悟新知
思考1:可以通过加电场或磁场的方法,根据粒子在场中偏转的方向确定其所带电荷的正负号。
思考2:密立根。
判断　(1)√　(2)×　(3)√　(4)×
合作探究·提素养
任务1
问题引领
1.如图所示,射线从左到右,当将磁铁N极靠近阴极射线管内侧时,发现射线向下偏转;当将磁铁S极靠近阴极射线管内侧时,发现射线向上偏转。
2.由实验现象结合左手定则可知,阴极射线是带电的,且带的是负电。即阴极射线是一种带负电的粒子流。
3.还可以设法让阴极射线通过电场(电场强度方向已知)来观察射线的偏转方向来验证阴极射线的带电性质。
知识生成　①阴极　②负
应用探究
例1　B　【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,B项正确。
任务2
问题引领
1.当在D1、D2两块金属极板同时存在电场与磁场时,射线又打到P点,即阴极射线刚好不偏转,此时带电微粒所受洛伦兹力与电场力大小相等,qE=qvB,然后撤去电场,只保留磁场,此时阴极射线向上偏转落在P2,这些粒子在磁场中做的是匀速圆周运动,由洛伦兹力提供向心力,有qvB=m,联立求出粒子的比荷=。
2.汤姆孙测得这种粒子的比荷约为1011 C/kg,这种粒子的比荷是氢离子比荷的1 000多倍。后来又有实验证实阴极射线粒子与氢离子的电荷量大小相近,由此证明阴极射线粒子的质量不到氢离子的。
3.汤姆孙将这种粒子命名电子。电子是人类发现的第一个比原子小的粒子。电子的发现,打破了原子不可再分的传统观念,使人们认识到原子不是组成物质的最小微粒,原子本身也有内部结构。从此,原子物理学飞速发展,人们对物质结构的认识进入了一个新时代。
知识生成　③带负电的粒子流　④比荷　⑤相同　⑥电子　⑦原子
应用探究
例2　(1)ABC　(2)　(3)1.6×10-19
【解析】(1)(2)平行金属板间存在匀强电场,油滴恰好处于静止状态,电场力与重力平衡,有mg=qE=,得q=,所以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。
(3)元电荷的值大约为e=1.6×10-19 C。
例3　【解答】因电子在正交的电场、磁场中不偏转且做匀速直线运动,所以有Bev=Ee=e,得v=
在只有偏转电场时,电子偏转的距离设为y1
则由几何关系知=,所以y1=
而y1=at2=
联立解得,电子的比荷
=≈1.61×1011 C/kg。
随堂检测·精评价
1.BC　【解析】电子往下偏,说明受到向下的洛伦兹力作用,由左手定则判断出磁场的方向垂直纸面向里,由右手定则得到AB中电流的方向由B流向A,A项错误,B项正确;若要使电子束的轨迹往上偏,即使电子受到向上的洛伦兹力作用,则可以使电流的方向变为由A流向B,C项正确,D项错误。
2.C　3.BD
4.B　【解析】设带电粒子以速度v垂直电场方向进入匀强电场,则d=at2=××,当加入磁场时,带电粒子不发生偏转,由平衡条件qE=qvB得v=,联立解得比荷=,B项正确。

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