第一节电子的发现.

第1页第1页共42页第十八章原子结构第一节电子的发现第2页第2页共42页知识梳理图第3页第3页共42页【知识点】1.阴极射线的电性及比荷2.研究带电粒子性质的方法第4页第4页共42页情景设置长期以来,人们一直认为构成物质的最小微粒是原子,原子是一种不可再分割的粒子,这种认识一直统治了人类思想界.直到在19世纪末,科学界对实验中的阴极射线深入研究时,发现了电子,使人类对微观粒子的世界有了新的认识.电子的发现是19世纪末20世纪初物理学的三大发现之一.当时是怎样被发现的呢?第5页第5页共42页深化探究电子的发现1.阴极射线如图所示,在真空玻璃管中,阴极和阳极加近万伏的高压,会有射线从阴极发出,这种射线称为阴极射线.第6页第6页共42页2.汤姆孙的发现(1)阴极射线电性的发现为了研究阴极射线的电性,设计了如下图所示的装置,从阴极K发出的粒子流通过小孔A､B形成一束细的射线.它穿过两片平行金属板D1､D2之间的空间,到达右侧带有标尺的荧光屏上,在D1､D2之间加上电压,粒子流在通过时,如果带电就会在电场力的作用下,发生偏转,从而会打到荧光屏上某第7页第7页共42页一位置.因此可根据D1和D2的电势和偏转方向来判断粒子流的电性.结果发现阴极射线带负电.第8页第8页共42页(2)测定阴极射线的比荷如下图所示,从阴极K发出的阴极射线,通过一对平行金属板D1､D2之间的匀强电场,发生偏转,偏角为θ,与电场强度E,极板长度L,以及带电粒子的速度v的关系为:第9页第9页共42页tanθ=①然后再加一匀强磁场方向与D1､D2之间的匀强电场垂直形成一个速度选择器,使带电粒子流在电场力和洛伦兹力作用下平衡做匀速直线运动,不发生偏转,因此可得②将②式代入①式,并代入实验数据,得到该射线粒子的比荷为≈1011C/kg2tvEqLvmvEvBem第10页第10页共42页汤姆孙通过进一步的实验,发现当改变阴极材料时,测得的比荷都相同,表明这种粒子是各种材料都有的成份,1898年,汤姆孙测出这种粒子所带电荷和氢离子的电荷值接近,这种粒子的质量是氢离子质量的千分之一.至此,这种粒子的“身份”已经明确,它是一个带负电,质量很小的粒子.物理学家把这种粒子称为电子.第11页第11页共42页现代精确测量电子的比荷=1.75881×1011C/kg.1910年,由密立根通过著名的“油滴实验”测出电子的电荷量的现代值为e=1.60217733×10-19C.密立根的实验更重要的发现是:电荷是量子化的,即任何带电体的电量是e的整数倍.电子的质量me=9.1093897×10-31kgem第12页第12页共42页3.电子发现的重大意义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.第13页第13页共42页典例分析一､磁场对运动电荷的影响例1:阴极射线从阴极射线管中的阴极发出,在高压下加速飞向阳极,如下图所示,若要使射线向上偏转,所加磁场方向应为()第14页第14页共42页A.平行于纸面向左B.平行于纸面向上C.垂直纸面向外D.垂直纸面向里解析:由题意可知阴极射线的方向,阴极射线是电子流加上磁场后应使带电粒子受到向上的洛伦兹力才会向上偏转.电子向右运动,形成向左的等效电流,由左手定则判断,则磁场方向应为垂直纸面向外,故C选项正确.答案:C第15页第15页共42页巩固练习1:如图所示,一只阴极射线管,左侧不断有电子射出,若在管的正下方放一条通电直导线AB,发现射线径迹下偏,则()第16页第16页共42页A.导线中的电流由A流向BB.若使电子束的径迹向上偏,可以通过改变AB中电流方向来实现C.导线中电流由B流向AD.电子束的径迹与AB的电流方向无关答案:BC第17页第17页共42页二､测量带电粒子比荷的方法例2:一种测定电子比荷的实验装置如下图所示.真空玻璃管内､阴极发出的电子经阳极A与阴极K之间的高电压加速后,形成一束细电子流,以平行于平板电容器极板的速度进入两极板C､D间的区域.若两极板间无电压,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､第18页第18页共42页磁感应强度为B的匀强磁场,则电子在荧光屏上产生的光点又回到O,已知极板的长度l=5.00cm,C､D间的距离d=1.50cm,极板区的中点M到荧光屏中点O的距离为L=12.50cm,U=200V,B=6.3×10-4T,P点到O点的距离y=3.0cm,试求电子的比荷.第19页第19页共42页解析:以M点为坐标原点,水平方向为x轴,竖直方向为y轴.(1)同时加电场､磁场时,qE=Bqvx,因此vx.(2)只加电场时到达极板右边缘时,电子在竖直方向飞行的距离为电子在竖直方向的速度为EUBBd12222111()222yyxxFlqUlyatmvmdvyyyxxFlqUlvatmvmdv第20页第20页共42页121122P,yyy1.6110C/k2g).(2yxxxllLqUlLqUlyvtmdvvmdvqm电子飞出极板到达点时在竖直方向经过的距离因此解得答案:1.61×1011C/kg第21页第21页共42页巩固练习2:电子所带电量的精确值,最早是由美国物理学家密立根通过油滴实验测得的,他测定了上千个带电油滴的电量,发现这些电量都等于某个最小的电量的整数倍,这个最小电量值就是电子所带的电量.一个半径为1.64×10-4cm的带负电油滴,在电场强度等于1.92×105V/m的竖直向下的匀强电场中.如果油滴受到的库仑力恰好与重力平衡,问这个油滴带有几个电子的电量?(已知油滴的密度为0.851×103kg/m3)第22页第22页共42页解析:油滴的体积V=πr3=×3.14×(1.64×10-4×10-2)3m3=1.847×10-17m3.油滴的质量m=ρV=0.851×103×1.847×10-17kg=1.572×10-14kg设油滴中有N个电子,则mg=qE=E·N·e即4343145191.572101051.92101.610mgNEe个第23页第23页共42页梯度练习基础强化1.观察阴极射线的阴极射线管中的高电压的作用是()A.使管内气体电离B.使管内产生阴极射线C.使管中障碍物的电势升高D.使电子加速答案:D第24页第24页共42页解析:在阴极射线管中,阴极射线是由阴极处于炽热状态而发射电子的,通过高压对电子加速获得能量,与玻璃发生碰撞而产生荧光,故D正确.第25页第25页共42页2.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.电子质量是氢离子质量的1836倍D.电子是一种粒子,是构成物质的基本单元答案:AD第26页第26页共42页解析:汤姆孙对不同材料的阴极发出的射线进行研究,均为同一种相同的粒子——即电子,电子是构成物质的基本单元,它的质量远小于质子质量,故A､D选项正确.第27页第27页共42页3.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.原子核可再分答案:C第28页第28页共42页4.关于电荷量,下列说法正确的是()A.物体的带电量可以是任意值B.物体的带电量只能是某些值C.物体带电量的最小值是1.6×10-19CD.一个物体带上1.6×10-9C的正电荷,这是它失去了1010个电子的缘故答案:BCD第29页第29页共42页5.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的辉光放电现象B.阴极射线是在真空管内由阴极发生的电子流C.阴极射线是组成物体的原子D.阴极射线按直线传播,但可被电场､磁场偏转答案:BD第30页第30页共42页能力提升6.下图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,在下列措施中可采用的是()第31页第31页共42页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轴正方向解析:若加磁场,由左手定则可判断其方向应沿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,故只有B选项正确.应明确管内是电子流,然后根据洛伦兹力和电场力方向的判定方法进行判定.答案:B第32页第32页共42页7.如图,为示波管中电子枪的原理示意图,A为发射电子的阴极,K为接在高电势的加速极,A､K之间电压为U,电子离开阴极时的速度可以忽略,电子经加速后从K的小孔中射出的速度大小为v,下列说法正确的是()第33页第33页共42页A.如果A､K之间距离减半而电压仍为U,则电子离开K的速度为2vB.如果A､K间距离减半电压仍为U,则电子经过K时的速度为vC.如果A､K间距离保持不变而电压减半,则电子离开K时的速度为D.如果A､K间距离保持不变而电压减半,则电子离开K时的速度为2222v2v答案:C第34页第34页共42页解析:由动能定理可知,电子在加速电场中被加速,eU=mv2所以当电压减半后,速度为,故C选项正确.1222v第35页第35页共42页8.在场强为1.92×105N/C的匀强电场中,一半径为1.64×10-4cm,密度为0.851g/cm3的油滴恰能悬浮,求油滴的电量是电子的多少倍?第36页第36页共42页331363519199:mVr.,:mgqErq8.021043430.851104(1.6410)9.831.92108.02101.610Cqen.n5.gEC解析小油滴质量小油滴在电场中悬浮由平衡条件得小油滴所带电量是电子电量的倍数倍答案:5倍第37页第37页共42页9.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,已知匀强电场的场强为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,磁感应强度为B,则粒子恰好不偏离原来的方向,求q/m为多少?qm第38页第38页共42页2022202002211():2v222.,dat,qEqvB,vqELmvEBqELEmdBqEdmBL解析设带电粒子以跟电场垂直进入匀强电场则①此带电粒子垂直入射到正交的电磁场区域时不发生偏转由平衡条件得②由①②两式得解得22:2EdBL答案第39页第39页共42页10.(2007·广东高考)带电粒子的荷质比(即比荷)是一个重要的物理量.某中学物理兴趣小组设计了一个实验,探究电场和磁场对电子运动轨迹的影响,以求得电子的荷质比,实验装置如下图所示.qm第40页第40页共42页(1)他们的主要实验步骤如下:A.首先在两极板M1M2之间不加任何电场､磁场,开启阴极射线管电流,发射的电子束从两极板中央通过,在荧屏的正中心处观察到一个亮点;B.在M1M2两极板间加合适的电场,加极性如图所示的电压,并逐步调节增大,使荧屏上的亮点逐渐向荧屏下方偏移,直到荧屏上恰好看不见亮点为止,记下此时外加电压为U,请问本步骤的目的是什么?第41页第41页共42页C.保持步骤B中的电压U不变,对M1M2区域加一个大小､方向合适的磁场B,使荧光屏正中心处出现亮点,试问外加磁场的方向如何?(2)根据上述实验步骤,同学们正确地推算出电子的荷质比与外加电场､磁场及其他相关量的关系为一位同学说,这表明电子的荷质比大小将由外加电压决定,外加电压越大则电子的荷质比越大,你认为他的说法正确吗?为什么?22.qUmBd第42页第42页共42页解析:(1)B中荧光屏恰好看不到亮点,说明电子刚好落在正极板的靠近荧屏的边缘,目的是利用极板间的距