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第1节　电子的发现与汤姆孙原子模型
学习目标：1.[物理观念]了解物质结构早期探究的基本历程．　2.[科学思维]知道阴极射线的产生及其本质，理解汤姆孙对阴极射线研究的方法及电子发现的意义．　3.[科学思维]了解汤姆孙原子模型．
一、物质结构的早期探究
1．古人对物质的认识
(1)我国西周的“五行说”认为万物是由金、木、水、火、土五种基本“元素”组成的．
(2)古希腊的亚里士多德认为万物的本质是土、水、火、空气四种“元素”，天体则由第五种“元素”——“以太”构成．
(3)古希腊哲学家德谟克利特等人建立了早期的原子论，认为宇宙间存在一种或多种微小的实体，叫作“原子”．
2．通过实验了解物质的结构
(1)1661年，玻意耳以化学实验为基础建立了科学的元素论．
(2)19世纪初，道尔顿提出了原子论，认为原子是元素的最小单位．
(3)1811年，意大利化学家阿伏伽德罗提出了分子假说，指出分子可以由多个相同的原子组成．
3．19世纪初期形成的分子—原子论认为，在物质的结构中存在着分子、原子这样的层次，宏观物质的化学性质决定于分子，而分子则由原子组成．原子是构成物质的不可再分割的最小颗粒，它既不能创生，也不能消灭．
二、电子的发现及汤姆孙模型
1．阴极射线：科学家在研究稀薄气体放电时发现，当玻璃管内的气体足够稀薄时，阴极发出一种射线，这种射线能使玻璃管壁发出荧光，这种射线称为阴极射线．
2．汤姆孙对阴极射线本质的探究
(1)通过实验：巧妙利用静电偏转力和磁场偏转力相抵消等方法，确定了阴极射线粒子的速度，并测量出了粒子的比荷．
(2)换用不同材料的阴极和不同的气体，所得粒子的比荷相同，这说明不同物质都能发射这种带电粒子，它是各种物质中共有的成分．
3．结论
(1)阴极射线是带电粒子流．
(2)不同物质都能发射这种带电粒子，它是各种物质中共有的成分，比最轻的氢原子的质量还要小得多，汤姆孙将这种带电粒子称为电子．
(3)电子的发现说明原子具有一定的结构，即原子是由电子和其他物质组成的．
4．电子发现的意义：电子的发现揭开了认识原子结构的序幕．
5．19世纪末微观世界三大发现
(1)1895年伦琴发现了X射线．
(2)X射线发现后不久，贝可勒尔发现了放射性．
(3)1897年汤姆孙发现了电子．
6．汤姆孙的原子模型
原子带正电的部分充斥整个原子，很小很轻的电子镶嵌在球体的某些固定位置，正像葡萄干嵌在面包中那样．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)阿伏伽德罗提出分子可以由多个原子组成． (√)
(2)19世纪初期形成的原子论观点认为原子是构成物质的最小颗粒，是不可分的． (√)
(3)电子的发现，说明原子具有一定的结构． (√)
(4)电子是第一种被人类发现的微观粒子． (√)
(5)电子的发现，是19世纪末的三大著名发现之一． (√)
2．(多选)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”．关于电子的说法正确的是(　　)
A．任何物质中均有电子
B．不同的物质中具有不同的电子
C．电子的质量比最轻的氢原子的质量小得多
D．电子是一种粒子，是构成物质的基本单元
ACD　[汤姆孙对不同材料的阴极发出的射线进行研究，均为相同的粒子——电子，所以选项A正确，B错误；电子是构成物质的基本单元，其质量是氢原子质量的，故选项C、D均正确．]
3．关于汤姆孙原子模型的说法正确的是(　　)
A．汤姆孙原子模型的提出是以严格的实验为基础的
B．汤姆孙认为原子是实心的
C．汤姆孙发现电子后猜想出原子内的正电荷集中在原子的中心
D．汤姆孙通过实验发现了质子
B　[汤姆孙原子模型是在一定的实验和理论基础上假想出来的，不是以严格的实验为基础的，A错误；汤姆孙认为，原子是球体，原子带正电的部分应充斥整个球体内，很小很轻的电子镶嵌在球体的某些固定位置，正像葡萄干嵌在面包中那样，B正确，C错误；汤姆孙发现了电子，并没有发现质子，D错误．]
阴极射线的研究
如图所示，在阴极和阳极之间加上高电压，可看到阴极射线从阴极射线管中的阴极发出，射向阳极．
(1)怎样判定阴极射线是不是电磁辐射？
(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：(1)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．
(2)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．
1．对阴极射线的认识
(1)现象：真空玻璃管两极加上高电压，可看到玻璃管壁上发出荧光及管中物体在玻璃壁上的影．
(2)命名：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)验证：英国物理学家汤姆孙让阴极射线在电场和磁场中偏转，发现阴极射线带负电并测出了粒子的比荷，进而发现电子．
(5)实验：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．
2．电子比荷的测定方法
(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＝．
甲　　　　　　　乙
(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：＝．
【例1】　汤姆孙用来测定电子的比荷(电子的电荷量与质量之比)的实验装置如图所示．真空管内的阴极K发出的电子(不计初速度、重力和电子间的相互作用)经加速电压加速后，穿过小孔C沿中心轴O1O的方向进入到两块水平正对放置的平行极板P和P′间的区域内．当极板间不加偏转电压时，电子束打在荧光屏的中心O点处，形成了一个亮点；加上偏转电压U后，亮点偏离到O′点(O′点与O点的竖直间距为d，水平间距可忽略不计)．此时，在P和P′间的区域内，再加上一个方向垂直于纸面向里的匀强磁场．调节磁场的强弱，当磁感应强度的大小为B时，亮点重新回到O点．已知极板水平方向的长度为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)推导出电子的比荷的表达式．
(3)上述实验中，未记录阴极K与阳极A之间的加速电压U0，根据上述实验数据能否推导出U0的表达式？说明理由．
思路点拨：解此题两个关键：(1)电子在电场中做类平抛运动，在电磁场中做匀速直线运动，受到的电场力和洛伦兹力平衡．(2)仔细分析其物理过程写出比荷表达式．
[解析]　(1)当电子受到的电场力与洛伦兹力平衡时，电子做匀速直线运动，亮点重新回到中心O点，设电子的速度为v，则evB＝eE，得v＝，又E＝，得v＝．
(2)当极板间仅有偏转电场时，电子以速度v进入后，在竖直方向做匀加速运动，加速度a＝，
电子在水平方向做匀速运动，在电场内的运动时间t1＝，
电子在电场中运动，竖直向上偏转的距离d1＝at＝，
离开电场时竖直向上的分速度v⊥＝at1＝，
电子离开电场后做匀速直线运动，经t2时间到达荧光屏，则t2＝，
t2时间内向上运动的距离d2＝v⊥t2＝，
电子向上的总偏转距离d＝d1＋d2＝（l1l2＋）
可解得＝．
(3)能．由动能定理可得eU0＝mv2－0，已知v和的表达式，可推导出U0的表达式．
[答案]　(1)　(2)　(3)见解析
分析阴极射线的两点注意
(1)阴极射线的本质是高速电子流，在电磁场中运动时，所受电场力与洛伦兹力远大于所受重力，故研究电磁力对电子运动的影响时，一般不考虑重力的影响．
(2)应用左手定则时，要注意负电荷运动的方向与它形成的电流方向相反，即应用左手定则时负电荷运动的方向应与四指所指的方向相反．
[跟进训练]
1．如图所示，让一束均匀的阴极射线从两极板正中间垂直穿过正交的电磁场，选择合适的磁感应强度B和两极之间的电压U，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，并垂直打到极板上，两极板之间的距离为d，求阴极射线中带电粒子的比荷．
[解析]　设阴极射线粒子的电荷量为q，质量为m，则在电磁场中由平衡条件得：q＝qvB，　　 ①
撤去电场后，由牛顿第二定律得qvB＝，　　 ②
R＝，　　 ③
解①②③得：＝．
[答案]　
汤姆孙原子结构模型
电子是原子的一个组成部分，电子带负电，且质量很小，远小于原子的质量．但原子呈电中性，原子内还有带正电的具有大部分原子质量的部分，这部分物质是什么？与电子是怎么分布在原子中的？
提示：原子核；原子核在原子中心，电子绕核旋转．
1．汤姆孙原子模型提出的背景：电子的发现说明原子具有一定的结构．既然原子中存在带负电的电子，而原子通常是电中性的，那么原子中一定含有带正电的部分．电子的质量很小，因此，原子的质量主要集中在带正电的部分，原子中带正电的部分和带负电的电子是怎样分布的呢？
2．汤姆孙原子模型的特点：汤姆孙认为原子是一个直径约为10－10 m的球体，正电荷均匀分布在整个球体中，带负电的电子镶嵌在其中，就好像面包中嵌着一粒粒葡萄干一样．如图所示为汤姆孙原子模型的示意图．
【例2】　人们对原子结构的认识有一个不断深化的过程，下列先后顺序中符合史实的是(　　)
①道尔顿提出的原子论　②德谟克利特的古典原子论　③汤姆孙提出的“葡萄干面包”原子模型
A．①②③ B．②①③
C．③②① D．③①②
B　[对于探索构成物质的最小微粒，古希腊哲学家德谟克利特建立了早期的原子论，19世纪初，道尔顿提出了原子论，汤姆孙发现电子后，提出了“葡萄干面包”模型，故选项B正确．]
[跟进训练]
2．(多选)汤姆孙提出原子的“葡萄干面包”模型的主要依据是(　　)
A．原子构成中有质子
B．原子构成中有电子
C．整个原子是电中性的
D．原子构成中有中子
BC　[汤姆孙发现了原子内有带负电的电子，而原子呈电中性，可见原子内还有带正电的物质，汤姆孙并不知道里面的结构，只是猜想出了“葡萄干面包”模型．]
1．英国物理学家汤姆孙通过阴极射线的实验研究发现(　　)
A．阴极射线在电场中偏向正极板一侧
B．阴极射线在磁场中受力情况跟正电荷受力情况相同
C．不同材料所产生的阴极射线的比荷不同
D．汤姆孙直接测到了阴极射线粒子的电荷量
A　[阴极射线在电场中偏向正极板一侧，因此阴极射线应该带负电荷，A正确；阴极射线在磁场中受力情况跟负电荷受力情况相同，B错误；不同材料所产生的阴极射线的比荷相同，C错误；汤姆孙并没有直接测到阴极射线粒子的电荷量，D错误。]
2．关于阴极射线的本质，下列说法正确的是(　　)
A．阴极射线的本质是紫外线
B．阴极射线的本质是红外线
C．阴极射线的本质是X射线
D．阴极射线的本质是电子流
D　[阴极射线的本质是带电的粒子流，即电子流．故D项正确．]
3．下列说法错误的是(　　)
A．电子是原子的组成部分
B．电子电荷的精确测定最早是由密立根通过著名的“油滴实验”实现的
C．电子电荷的数值约为1.602×10－19 C
D．电子质量与电荷量的比值称为电子的比荷
D　[电子是原子的组成部分，电子的发现说明原子是可以再分的，选项A正确；电子电荷的精确测定是由密立根通过著名的“油滴实验”做出的，其测得电子电荷的值约为1.602×10－19 C，选项B、C正确；电子的电荷量与质量的比值称为电子的比荷，选项D错误．]
4．如图所示，阴极射线管的玻璃管内已经抽成真空，当左右两个电极连接到高压电源时，阴极会发射电子，电子在电场的加速下飞向阳极，挡板上有一个扁平的狭缝，电子飞过挡板后形成一个扁平的电子束，长条形的荧光板在阳极端稍稍倾向轴线，电子束射到荧光板上，显示出电子束的径迹，现在用该装置研究磁场对运动电荷的作用的实验，下列对该实验的说法正确的是(　　)
A．没有施加磁场时，电子束的径迹是一条抛物线
B．若图中左侧是阴极射线管的阴极，加上图示的磁场，电子束会向上偏转
C．施加磁场后，根据电子束在磁场中运动径迹和磁场方向，可由相关知识判断出阴极射线管两个电极的极性
D．施加磁场后，结合阴极射线管的两个电极的极性和电子束在磁场中运动的径迹，可以判断出磁场的方向，但无法判断出磁场的强弱
C　[没有施加磁场时，电子束的径迹是一条直线，选项A错误；若图中左侧是阴极射线管的阴极，加上图示的磁场，根据左手定则可知，电子束会向下偏转，选项B错误；施加磁场后，根据电子束在磁场中运动径迹和磁场方向，可由左手定则以及相关知识判断出阴极射线管两个电极的极性，根据轨迹的偏转程度可判断磁场的强弱，选项C正确，D错误。]
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