2.1电子的发现与汤姆孙模型 学案（2020年鲁科版高中物理选修3-5）

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1、第第 1 节节 电子的发现与汤姆孙模型电子的发现与汤姆孙模型 目标定位 1.知道阴极射线是由电子组成的，电子是原子的组成部分.2.了解汤姆孙发现电 子的研究方法及蕴含的科学思想.3.领会电子的发现对揭示原子结构的重大意义.4.了解汤姆 孙的原子模型 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，认为宇宙间存在着一种或多种微小 的实体，叫做“原子” 2大约在 1

2、7 世纪中叶，人们开始通过实验来了解物质的结构 (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 二、电子的发现 1阴极射线：科学家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)实验中通过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 量出了这些粒子的比荷：q m E RB2. (2)阴极射线

3、是带电粒子流，带负电 (3)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，其质量是氢离子质量的 1 1 800，汤姆孙将这种带电粒子称为电子 想一想 汤姆孙怎样通过实验确定阴极射线是带负电的粒子？ 答案 他根据阴极射线在电场和磁场中偏转情况判断其是带负电的电子流 三、汤姆孙原子模型 汤姆孙认为， 原子带正电的部分应充斥整个原子， 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，这就是原子的葡萄干面包模型 一、阴极射线的性质及特点 1阴极射线实质是电子束 2阴极射线的产生：玻璃管内的气体足够稀薄时，射线由阴极发出，它可使玻璃管壁发出 荧光 3阴极射线带电性质的判断方

4、法 (1)阴极射线的本质是电子，在电场(或磁场)中所受电场力(或洛伦兹力)远大于所受重力，故 研究电场力(或洛伦兹力)对电子运动的影响时，一般不考虑重力的影响 图 1 (2)带电性质的判断方法 粒子在电场中运动如图 1 所示带电粒子受电场力作用运动方向发生改变(粒子质量忽略 不计)带电粒子在不受其他力的作用时，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 图 2 粒子在磁场中运动，如图 2 所示粒子将受到洛伦兹力作用 FqvB，洛伦兹力方向始终 与速度方向垂直，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

5、带正电；若做逆时针的圆周运动，则粒子 带负电 【例 1】 如图 3 所示，一玻璃管中有从左向右的阴极射线可能是电磁波或某种粒子流形成 的射线，若在其下方放一通电直导线 AB，射线发生如图所示的偏转，AB 中的电流方向由 B 到 A，则该射线的本质为( ) 图 3 A电磁波 B带正电的高速粒子流 C带负电的高速粒子流 D不带电的高速中性粒子流 答案 C 解析 射线在电流形成的磁场中发生偏转， 即可确定该射线是由带电粒子构成的粒子流 根 据安培定则可知，AB 上方的磁场是垂直纸面向里的粒子向下偏转，洛伦兹力方向向下， 由左手定则可知射线所形成的电流方向向左，与粒子的运动方向相反，故粒子带负电 借题

6、发挥 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 针对训练 关于阴极射线的本质，下列说法正确的是( ) A阴极射线本质是氢原子 B阴极射线本质是电磁波 C阴极射线本质是电子 D阴极射线本质是 X 射线 答案 C 解析 阴极射线是原子受激发射出的电子流， 关于阴极射线是电磁波、 X 射线都是在研究阴 极射线过程中的一些假设，是错误的 二、电子比荷的测定 1汤姆孙在研究阴极射线时的实验装置如图 4 所示： 图 4 2带电粒子比荷的测定方法 图 5 (1)让粒子通过正交的电磁场(如图 5 所示)， 让其做直线运动， 根据

7、二力平衡， 即 F洛F电(Bqv qE)得到粒子的运动速度 vE B. (2)在其他条件不变的情况下， 图 6 撤去电场(如图 6 所示)， 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 mv 2 R ，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：q m E B2R，最后经定量计算汤姆孙认定组成阴极射线 的粒子为电子 【例 2】 如图 7 所示为测定阴极射线粒子比荷的装置， 从阴极 K 发出的阴极射线通过一对 平行金属板 D1、D2间的匀强电场，发生偏转 图 7 (1)在 D1、D2间加电场后射线偏到 P2，则由电场方向知，该射线带

8、什么电？ (2)再在 D1、D2间加一磁场(图中未画出)，电场与磁场垂直，让射线恰好不偏转设电场强 度为 E，磁感应强度为 B，则电子的速度多大？ (3)撤去电场，只保留磁场，使射线在磁场中做圆周运动，若测出轨道半径为 R，则粒子的荷 质比q m是多大？ 解析 (1)负电 (2)粒子受两个力作用：电场力和洛伦兹力，两个力平衡，即有 qEqvB，得：vE B (3)根据洛伦兹力充当向心力：qvBmv 2 R，得出： q m v BR. 又 vE B，则 q m E B2R.测出 E、B、R 即可求荷质比 q m. 答案 (1)负电 (2)E B (3) E B2R 借题发挥 测比荷的方法 带电粒

9、子的比荷，常见的测量方法有两种： (1)利用磁偏转测比荷，由 qvBmv 2 R得 q m v BR，只需知道磁感应强度 B、带电粒子的初速度 v 和偏转半径 R 即可 (2)利用电偏转测比荷，偏转量 y1 2at 21 2 qU md L v 2，故q m 2ydv2 UL2 .所以在偏转电场 U、d、L 已 知时，只需测量 v 和 y 即可 三、汤姆孙的原子模型 图 8 1汤姆孙原子模型：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，带负电的电子嵌在其中，就好像面包中嵌着一粒粒葡萄干一样 2汤姆孙原子模型的示意图：(如图 8 所示) 【例 3】 关于汤

10、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 答案 B 解析 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，所以 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 1 如图 9 所示， 在阴极射线管正上方平行放一通有强电流的长直导线， 则阴极射线将( ) 图

11、 9 A向纸内偏转 B向纸外偏转 C向下偏转 D向上偏转 答案 D 解析 由安培定则判断阴极射线所在处磁场垂直纸面向外， 电子从负极端射出， 由左手定则， 可判定阴极射线(电子)向上偏转，故 D 对 2.如图 10 所示是电子射线管示意图，接通电源后，电子射线由阴极沿 x 轴正方向射出，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( ) 图 10 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 答案 B 解析 由于电子沿 x 轴正方向运动，若

12、所受洛伦兹力向下，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 汤姆孙原子模型 3(多选)下列说法正确的是( ) A汤姆孙研究阴极射线，用测定粒子比荷的方法发现了电子 B电子的发现证明了原子是可分的 C汤姆孙认为原子里面带正电荷的物质应充斥整个原子，而带负电的电子，则镶嵌在球体 的某些固定位置 D汤姆孙原子模型是正确的 答案 ABC 解析 通过物理学史可得，选项 A 正确；根据电子发现的重要意义可得，选项 B 正确；选 项 C 描述的是汤姆孙原子模型，选项 C 正确；汤姆孙原子模型本身是错的，选项 D 错误 电子比荷的测定 4.如图 11 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 图 11 答案 2U B2d2 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：qU dqvB 撤去电场后，由牛顿第二定律得 qvBmv 2 R Rd 2 解得：q m 2U B2d2.