电子的发现课件

1新情境·激趣引航现代人已能“看到”原子的模样，而在没有先进实验设施的过去，人们是怎样感知物质的结构的呢？汤姆孙又是怎样发现电子的呢？电子的发现对人们认知物质世界的微观结构本质又有什么重大意义呢？带着上述问题进入我们今天的学习．2新知识·预习探索学习目标1.了解阴极射线及电子发现的过程．2.知道电子的概念及电子电荷量值及质量．3.理解电子比荷的测定原理及方法．新知预习一、阴极射线1．演示实验：如右图所示，真空玻璃管中K是金属板制成的阴极，接感应线圈的负极，A是金属环制成的阳极，接感应线圈的正极，接电源后，可观察管壁上亮度变化．2．实验现象：德国物理学家普吕克尔在类似的实验中看玻璃壁上淡淡的荧光及管中物体在玻璃壁上的影．3．阴极射线：荧光的实质是由于玻璃受到阴极发出的某种射线的撞击而引起的，这种射线被命名为阴极射线．二、电子的发现1．汤姆孙的探究方法及结论(1)让阴极射线分别通过电场或磁场，根据偏转现象，证明它是带负电的粒子流并求出了其比荷．(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：粒子带负电，其电荷量的大小与氢离子大致相同，而质量远小于氢离子的质量，后来组成阴极射线的粒子被称为电子．2．汤姆孙的进一步探究(1)汤姆孙研究的新现象：如光电效应，热离子发射效应和β射线等．发现，不论阴极射线、β射线、光电流还是热离子流，它们都包含电子．(2)结论：不论是正离子的轰击，紫外光的照射，金属受热，还是放射性物质的自发辐射，都能发射同样的带电粒子——电子，由此可见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年由密立根通过著名的油滴实验得出，电子电荷的现代值为e＝1.60×10－19C.(2)电荷是量子化的：即任何带电体的电荷量只能是电子电荷量的整数倍．问题探索◆想一想问题1阴极射线是如何产生的？有何特点？提示：阴极射线是阴极金属中的电子，在电场的作用下(或由于金属的温度较高金属中的电子逸出)被拉出后，又在电场力的作用下加速而形成的射线．它打在玻璃壁的荧光粉上，可以发出荧光．问题2阴极射线通过电场或磁场发生偏转说明了什么问题？如何探测其比荷？提示：阴极射线通过电场或磁场发生了偏转，说明它受到了电场或磁场的作用，而电场或磁场只对带电粒子产生作用，说明阴极射线是带电的粒子，由其偏转情况还可确定其带电性质．如果知道电场或磁场的具体情况，测量出阴极射线的偏转数值，即可由相关知识求出其比荷.3新课堂·互动探究知识点一对阴极射线的认识和理解重点聚焦1．阴极射线的发现(1)辉光放电现象：①放电管若有稀薄气体，在放电管两极加上高压可看到辉光放电现象．但若管内气体非常稀薄即接近真空时，辉光现象消失．②辉光放电的应用：利用其发光效应(如霓虹灯、日光灯)以及正常辉光放电的稳压效应(如氖稳压管)．(2)荧光的产生：玻璃管内气体接近真空，在阴极孔外玻璃管壁上观察到荧光，并且能使不透明物体产生阴影，后来就认定产生这种现象的原因是阴极发出的某种射线撞击玻璃的结果，即阴极射线．(3)阴极射线的来源：在高真空的放电管中，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，粒子还可能来自管中的气体．2．阴极射线的产生机理真空管中残存气体分子中的正负电荷在强电场的作用下被“拉开”(即气体分子被电离)，正电子(即正离子)在电场加速下撞击阴极，于是阴极释放更多电子形成了阴极射线．3．阴极射线带电性质的判断(1)利用电场：粒子在电场中运动如图所示．带电粒子在电场中运动，受电场力作用运动方向发生改变(粒子重力忽略不计)．带电粒子在不受其他力作用时，若沿电场线方向偏转，则粒子带正电；若逆着电场线方向偏转，则粒子带负电．(2)利用磁场：粒子在磁场中运动，如图所示．粒子将受到洛伦兹力作用F＝qvB，速度方向始终与洛伦兹力方向垂直，利用左手定则即可判断粒子的电性．不考虑其他力的作用，如果粒子按图示方向进入磁场，且做顺时针的圆周运动，则粒子带正电；若做逆时针的圆周运动，则粒子带负电．4．阴极射线的应用如示波管、电视显像管、电子显微镜，高速的阴极射线打在某些金属靶上能产生X射线，还能用于研究物质晶体结构，直接用于切割、熔化、焊接等．特别提醒当阴极射线穿过电场或磁场区域时，其重力远小于电场力或洛伦兹力，因此一般不考虑其重力．典例精析如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()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】由于电子沿x轴正方向运动，若所受洛仑兹力向下，使电子射线向下偏转，由左手定则可知磁场方向应沿y轴正方向；若加电场使电子射线向下偏转，所受电场力方向向下，则所加电场方向应沿z轴正方向，由此可知B正确．【答案】B【方法归纳】应用左手定则根据洛伦兹力方向分析磁场方向．跟踪练习1．(多选)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通电直导线AB时，发现射线的轨迹往下偏，则()A．导线中的电流由A流向BB．导线中的电流由B流向AC．若要使电子束的轨迹往上偏，可以通过改变AB中的电流方向来实现D．电子束的轨迹与AB中的电流方向无关【解析】因为AB中通有电流，所以会在阴极射线管中产生磁场，电子受到洛伦兹力作用而发生偏转，由左手定则可知，阴极射线管中的磁场方向垂直于纸面向里，再根据安培定则可知，AB中的电流方向应是由B流向A，当AB中的电流方向变为由A向B，则AB上方的磁场方向变为垂直于纸面向外，电子所受洛伦兹力方向变为向上，电子束的轨迹会变为向上偏转．【答案】BC知识点二比荷的测定重点聚焦1．电荷量的量子化：带电体所带电荷量具有量子化，即任何带电体所带电荷量只能是电子电荷量的整数倍，即q＝ne(n为自然数)．2．比荷(或电荷量)的测定根据电场、磁场对电子(带电粒子)的偏转测量比荷(或电荷量)，分以下两步：(1)让粒子通过正交的电磁场(如图)，让其做直线运动，根据二力平衡，即F洛＝F电(Bqv＝qE)得到粒子的运动速度v＝EB.(2)在其他条件不变的情况下，撤去电场(如图)，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＝mv2r，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径r，则由qvB＝mv2r得qm＝vBr＝EB2r.典例精析在汤姆孙测阴极射线比荷的实验中，采用了如图所示的阴极射线管，从C出来的阴极射线经过A、B间的电场加速后，水平射入长度为L的D、G平行板间，接着在荧光屏F中心出现荧光斑．若在D、G间加上方向向下，场强为E的匀强电场，阴极射线将向上偏转；如果再利用通电线圈在D、G电场区加上一垂直纸面的磁感应强度为B的匀强磁场(图中未画)，荧光斑恰好回到荧光屏中心，接着再去掉电场，阴极射线向下偏转，偏转角为θ，试解决下列问题：(1)说明阴极射线的电性；(2)说明图中磁场沿什么方向；(3)根据L、E、B和θ，求出阴极射线的比荷．【解析】(1)由于阴极射线向上偏转，因此受电场力方向向上，又由于匀强电场方向向下，则电场力的方向与电场方向相反，所以阴极射线带负电．(2)由于所加磁场使阴极射线受到向下的洛伦兹力，由左手定则得磁场的方向垂直纸面向里．(3)设此射线带电量为q，质量为m，当射线在DG间做匀速直线运动时，有qE＝Bqv当射线在DG间的磁场中偏转时，有Bqv＝mv2r同时又有L＝r·sinθ解得qm＝EsinθB2L.【答案】(1)带负电(2)垂直纸面向里(3)EsinθB2L【方法归纳】(1)带电粒子只在电场中偏转时做类平抛运动，可利用运动的分解、运动公式、牛顿定律列出相应的关系．(2)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，要注意通过画轨迹示意图确定圆心位置，利用几何知识求出其半径．(3)带电粒子若通过相互垂直的电、磁场时，一般使其不发生偏转，由此可求出带电粒子的速度．跟踪练习2.电子所带电量的精确数值最早是由美国物理学家密立根通过油滴实验测得的．他测定了数千个带电油滴的电量，发现这些电量都等于某个最小电量的整数倍．这个最小电量就是电子所带的电量．密立根实验的原理如图所示，A、B是两块平行放置的水平金属板，A板带正电，B板带负电．从喷雾器嘴喷出的小油滴，落到A、B两板之间的电场中．小油滴由于摩擦而带负电，调节A、B两板间的电压，可使小油滴受到的电场力和重力平衡．已知小油滴静止处的电场强度是1.92×105N/C，油滴半径是1.64×10－4cm，油的密度是0.851g/cm3，求油滴所带的电量．这个电量是电子电量的多少倍？(g取9.8m/s2)【解析】小油滴质量m＝ρV＝ρ·43πr3，①由题意知mg－Eq＝0②由①②两式可得：q＝ρ·4πr3g3E＝0.851×103×4π×9.8×1.64×10－633×1.92×105C≈8.02×10－19C.小油滴所带电量q是电子电量e的倍数为n＝8.02×10－191.6×10－19倍＝5倍．【答案】8.02×10－19C5倍4新思维·随堂自测1．如右图所示，在阴极射线管正上方平行放一通有向左的强电流的长直导线，则阴极射线将()A．向纸内偏转B．向纸外偏转C．向下偏转D．向上偏转【解析】由安培定则可知，阴极射线管处磁场方向向外，而阴极射线方向向右，即电子速度方向向右，由左手定则可知，电子所受洛伦兹力方向向上．故D正确．【答案】D2．下列说法中正确的是()A．阴极射线在电场中一定会受到电场力的作用B．阴极射线在磁场中一定会偏转C．阴极射线在磁场中一定会受到磁场对它的作用力D．阴极射线的本质是一种电磁波【解析】电子在电场中受电场力的作用，在磁场中不一定受洛伦兹力，故不一定发生偏转．【答案】A3．(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【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．【答案】AD4．(多选)如下图所示，从正离子源发射的正离子经加速电压U加速后进入相互垂直的匀强电场E和匀强磁场B中，发现离子向上偏转，要使此离子沿直线穿过电场()A．增大电场强度E，减小磁感应强度BB．减小加速电压U，增大电场强度EC．适当地增大加速电压UD．适当地减小电场强度E【解析】正离子进入相互垂直的匀强电场和匀强磁场的区域中，受到的电场力F＝qE，方向向上，受到的洛伦兹力f＝qvB，方向向下，离子向上偏，说明了电场力大于洛伦兹力，要使离子沿直线运动，即qE＝qvB，则只有使洛伦兹力增大或电场力减小，增大洛伦兹力的途径是增大加速电压U或增大磁感应强度B，减小电场力的途径是减小场强E.选项C、D正确．【答案】CD5新视点·名师讲座利用电场使阴极射线发生偏转计算阴极射线的比荷阴极射线以速度v0沿垂直于电场线的方向进入匀强电场，粒子受到恒定的与初速度方向垂直的电场力作用而做匀变速曲线运动．将其运动进行分解：沿初速度方向做匀速直线运动，沿电场力方向做初速度为零的匀加速直线运动．然后根据牛顿第二定律和运动学公式求出其偏转的距离，进而求出其比荷．带电粒子的比荷qm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，以求得电子的比荷，实验装置如图所示．(1)他们的主要实验步骤如下：A．首先在两极板M1、M2之间不加任何电场、磁场，开启阴极射线管电源，发射的电子束从两极板中央通过，在荧光屏的正中心处观察到一个亮点；B．在M1、M2两极板间加合适的电场，加极性如图所示的电压，并逐步调节使其增大，使荧光屏上的亮点逐渐向荧光屏下方偏移，直到荧光屏上恰好看不见亮点为止，记下此时外加电压为U；C．保持步骤B中