2.1电子 学案（2020年教科版高中物理选修3-5）

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1、1 电子电子 学科素养与目标要求 物理观念：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.知道汤姆孙研究阴极 射线发现电子的过程及理论推导.3.知道电子电荷量最早是由密立根通过著名的“油滴实验” 得出的. 科学思维：1.体会电子的发现过程中蕴含的科学方法.2.知道电荷是量子化的，即任何电荷只 能是 e 的整数倍. 一、阴极射线 1.定义：科学家用真空度很高的真空管做放电实验时，发现真空管的阴极会发射出一种射线， 称为阴极射线. 2.特点 (1)在真空中沿直线传播； (2)碰到荧光物质可使荧光物质发出荧光. 3.阴极射线微粒的电性：阴极射线是带负电的粒子流. 二、微粒比荷的测定 1.

2、比荷：带电粒子的电荷量与质量之比称为比荷，又称荷质比.比荷是带电微粒的基本参量之一. 2.发现电子的过程与方法： (1)汤姆孙根据对微粒流在电场和磁场中的偏转情况的计算，发现粒子的比荷是氢离子比荷的 1 000 多倍. (2)他和他的学生测量出这种粒子的电荷量与氢离子的电荷量相同，因此断定这种粒子的质量 不到氢原子的 1 1 000，是比原子更小的“微粒”. (3)汤姆孙将这种粒子称为电子.目前，测到的电子静质量为 9.109 381 88(72)10 31 kg. 3.电子发现的意义：电子的发现揭开了认识原子结构的序幕. 三、电子电荷量的测定 元电荷 1.美国科学家密立根采用油滴实验最早测得

3、电子的电荷量. 2.元电荷的值 e1.60210 19 C. 判断下列说法的正误. (1)玻璃壁上出现的淡淡荧光就是阴极射线.( ) (2)阴极射线在真空中沿直线传播.( ) (3)英国物理学家汤姆孙认为阴极射线是一种电磁辐射.( ) (4)组成阴极射线的粒子是电子.( ) (5)电子是原子的组成部分，电子电荷量可以取任意数值.( ) 一、对阴极射线的认识 如图所示，接通真空管(又称阴极射线管)的电源，将条形磁铁的一个磁极靠近射线管，观察 阴极射线是否偏转，向什么方向偏转；把另一个磁极靠近射线管，观察射线的偏转情况.你认 为射线的偏转是什么原因造成的？你能通过射线偏转的情况来确定射线粒子流携带

4、的是哪种 电荷吗？ 答案 原因是运动电荷在磁场中受到洛伦兹力.根据左手定则， 结合磁场方向、 粒子运动方向， 可以判断出射线粒子流携带的电荷是正电荷还是负电荷. 1.对阴极射线本质的认识两种观点 (1)电磁波说，代表人物赫兹，他认为这种射线是一种电磁辐射. (2)粒子说，代表人物汤姆孙，他认为这种射线是一种带电粒子流. 2.阴极射线带电性质的判断方法 (1)方法一：在阴极射线所经区域加上电场，通过打在荧光屏上的亮点位置的变化和电场的情 况确定带电的性质. (2)方法二：在阴极射线所经区域加一磁场，根据亮点位置的变化和磁场方向利用左手定则确 定带电的性质. 3.实验结果 根据阴极射线在电场中和磁

5、场中的偏转情况，判断出阴极射线是粒子流，并且带负电. 例 1 (多选)下面对阴极射线的认识正确的是( ) A.阴极射线是由阴极发出的粒子撞击管端玻璃壁上的荧光粉而产生的 B.只要阴阳两极间加有电压，就会有阴极射线产生 C.阴极射线是真空玻璃管内由阴极发出的射线 D.阴阳两极间加有高电压时，电场很强，阴极中的电子受到很强的库仑力作用而脱离阴极 答案 CD 解析 阴极射线是真空玻璃管内由阴极直接发出的射线，故 A 错误，C 正确；只有当两极间 有高电压且阴极接电源负极时，阴极中的电子才会受到足够大的库仑力作用而脱离阴极成为 阴极射线，故 B 错误，D 正确. 针对训练 1 (多选)一只阴极射线管，

6、 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，发现射线径迹下偏，如图 1 所示.则( ) 图 1 A.导线中的电流由 A 流向 B B.导线中的电流由 B 流向 A C.若要使电子束的径迹向上偏，可以通过改变 AB 中电流的方向来实现 D.电子束的径迹与 AB 中电流的方向无关 答案 BC 解析 在阴极射线管中射出的阴极射线是带负电的电子流，在导线 AB 形成的磁场中向下偏 转，由左手定则可知磁场是垂直纸面向里的，根据安培定则可知导线 AB 中的电流是由 B 流 向 A 的，A 错，B 对；通过改变 AB 中的电流方向可以改变磁场方向从而使阴极射线的受力 方向向上，使电子束的

7、径迹向上偏，C 对；由此可知电子束的径迹与 AB 中的电流方向有关， D 错. 二、带电粒子比荷的测定及电子的发现 1.带电粒子比荷的测定方法 (1)利用磁偏转测量 让带电粒子通过相互垂直的匀强电场和匀强磁场(如图 2)， 并做匀速直线运动， 根据二力平 衡，即 F洛F电(BqvqE)，得到粒子的运动速度 vE B. 图 2 撤去匀强电场(如图 3)，保留匀强磁场，让带电粒子单纯地在匀强磁场中运动，由洛伦兹力 提供向心力，即 Bqvmv 2 r ，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径 r. 图 3 由以上两式确定带电粒子的比荷表达式：q m E B2r. (2)利用电偏转测量 带电粒子在匀强

8、电场中运动，沿电场方向的偏转距离 y1 2at 21 2 qU md( L v) 2，故q m 2ydv2 UL2 ，所以 在偏转电场中，U、d、L 已知时，只需测量 v 和 y 即可. 2.证明阴极射线是电子的思路 (1)通过阴极射线在电场中的偏转证明它是带负电的粒子流. (2)测定它的比荷. (3)根据阴极射线粒子的比荷与氢离子比荷的关系求出它的质量. (4)证明阴极射线是质量远小于氢离子的粒子电子. 3.电子发现的意义 (1)电子发现以前人们认为物质由分子组成，分子由原子组成，原子是不可再分的最小微粒. (2)现在人们发现了各种物质里都有电子，而且电子是原子的组成部分. (3)电子带负电

9、，而原子是电中性的，说明原子是可再分的. 4.电子电荷量的精确测定是密立根通过“油滴实验”实现的，密立根实验的重要意义是发现 电荷量是量子化的，即任何电荷只能是 e 的整数倍. 例 2 在再现汤姆孙测阴极射线比荷的实验中，采用了如图 4 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 中心出现光斑.若在 D、 G 间加上方向向上、 场强为 E 的匀强电场， 阴极射线将向下偏转； 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 出)，光斑恰好回到荧光屏中心，接着再

10、去掉电场，阴极射线向上偏转，偏转角为 ，试解决 下列问题： 图 4 (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 ，求出阴极射线的比荷. 答案 (1)负电 (2)垂直纸面向外 (3)Esin B2L 解析 (1)由于阴极射线在电场中向下偏转，因此阴极射线受电场力方向向下，又由于匀强电 场方向向上，则阴极射线所受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上的洛伦兹力，而与电场力平衡，由左手定则得磁场的方 向垂直纸面向外. (3)设此射线带电荷量为 q，质量为 m，当射线在 D、G 间做匀速直线运动时，有 qEBq

11、v.当 射线在 D、 G 间的磁场中偏转时， 如图所示， 有 Bqvmv 2 r .同时又有 Lr sin ， 解得q m Esin B2L . 运用电磁场测定电子比荷的解题技巧 1.当电子在复合场中做匀速直线运动时，eEevB，可以测出电子速度大小. 2.当电子在匀强磁场中偏转时，evBmv 2 r ，测出电子圆周运动半径，即可确定比荷. 3.当电子在匀强电场中偏转时，y1 2at 2eUL 2 2mv2d，测出电子在电场中沿电场方向的偏转距离也 可以确定比荷. 针对训练 2 如图 5 所示，电子以初速度 v0从 O 点进入长为 l、板间距离为 d、电势差为 U 的平行板电容器中，出电场时打

12、在屏上 P 点，经测量 OP 距离为 Y0，求电子的比荷. 图 5 答案 2dY0v 2 0 Ul2 解析 由于电子在电场中做类平抛运动，沿电场线方向做初速度为零的匀加速直线运动，满足 Y01 2at 21 2 eU d m ( l v0) 2 eUl2 2dmv 2 0 ， 则 e m 2dY0v 2 0 Ul2 . 1.(对阴极射线的认识)关于阴极射线的实质，下列说法正确的是( ) A.阴极射线实质是氢原子 B.阴极射线实质是电磁波 C.阴极射线实质是电子 D.阴极射线实质是 X 射线 答案 C 2.(电子电荷量)下列说法中正确的是( ) A.汤姆孙精确地测出了电子电荷量 e1.60210

13、 19 C B.电子电荷量的精确值是卢瑟福测出的 C.物体所带电荷量可以是任意值 D.物体所带的电荷量都是元电荷的整数倍 答案 D 解析 密立根通过油滴实验精确测得了电子的电荷量并提出了电荷量是量子化的，A、B 错 误；物体所带电荷量只能是元电荷的整数倍，最小值是 e，C 错误，D 正确. 3.(对电子的认识)(多选)1897 年英国物理学家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”，下列关于电子的说法正确的是( ) A.任何物质中均有电子 B.不同物质中具有不同的电子 C.电子质量是质子质量的 1 836 倍 D.电子是一种粒子，是比原子更基本的物质单元 答案 AD 解

14、析 汤姆孙用不同的材料做阴极，都能发现阴极射线且阴极射线均为同一物质电子， 这说明任何物质中均含有电子，A 对，B 错；电子电荷量和氢离子的电荷量相同，电子的质 量远小于质子质量，是质子质量的 1 1 836，说明电子有质量和电荷量，是一种粒子，并且电子 是比原子更基本的物质单元，C 错，D 对. 4.(电子电荷量的测定)密立根油滴实验原理如图 6 所示， 两块水平放置的金属板分别与电源的 正、负极相接，板间距离为 d，板间电压为 U，形成竖直向下、场强为 E 的匀强电场.用喷雾 器从上板中间的小孔喷入大小、 质量和电荷量各不相同的油滴.通过显微镜可找到悬浮不动的 油滴，若此悬浮油滴的质量为 m，重力加速度为 g，则下列说法正确的是( ) 图 6 A.悬浮油滴带正电 B.悬浮油滴的电荷量为mg U C.增大场强，悬浮油滴将向上运动 D.油滴的电荷量不一定是电子电荷量的整数倍 答案 C 解析 带电油滴在两板间静止时，电场力向上，应带负电，A 项错误；qEmg，即 qU dmg， 所以 qmgd U ，B 项错误；当 E 变大时，qE 变大，合力向上，油滴将向上运动，C 项正确；任 何带电物体的电荷量都是电子电荷量的整数倍，D 项错误.