3-1 敲开原子的大门 学案

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学案1　敲开原子的大门
[学习目标定位]
1.了解阴极射线及电子发现的过程.2.知道汤姆生是如何测定电子荷质比的，知道电子的电荷量和质量．
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1．电场和磁场对电荷的作用力
(1)电场力F＝qE，正电荷受力方向与场强E方向相同，负电荷受力方向与场强E方向相反．
(2)洛伦兹力：磁场对运动电荷的作用力f＝qvB，其方向可用左手定则判断．
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2．探索阴极射线
(1)阴极射线：在一个被抽成真空的玻璃管两端加上高电压，这时阴极发出的一种使正对阴极的玻璃管壁上出现绿色荧光的射线叫做阴极射线．
(2)汤姆生设计了阴极射线管来测定阴极射线的电荷．他通过阴极射线在磁场中偏转、在电场中偏转的实验证明阴极射线本质上是由带负电的微粒组成的，这种粒子的荷质比大约比当时已知的质量最小的氢离子的荷质比大2_000倍．
3．电子的发现
汤姆生发现，对于不同的放电气体，或者用不同的金属材料制作电极，都测得相同的荷质比，随后又发现在气体电离和光电效应等现象中，可以从不同物体中逸出这种带电粒子，这表明它是构成各种物体的共同成分．汤姆生发现该粒子的电荷与氢离子的电荷大小基本上相同，质量比任何一种分子和原子的质量都小得多，至此汤姆生完全确认了电子的存在，电子是构成原子的组成部分．
4．美国物理家密立根精确地测定了电子的电荷量，并根据荷质比精确地计算出了电子的质量．
5．电子的发现打破了传统的“原子不可分”的观念，使人类对自然世界的认识又向前迈进了一步.
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一、阴极射线
[问题设计]
1．在图1所示的演示实验中，K和A之间加上近万伏的高电压后，玻璃管壁上观察到什么现象？该现象说明了什么问题？
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图1
答案　玻璃管壁上观察到淡淡的荧光及管中物体在玻璃管壁上的影，这说明阴极能够发出某种射线，并且撞击玻璃引起荧光．
2．人们对阴极射线的本质的认识有两种观点，一种观点认为是电磁辐射，另一种观点认为是带电微粒，你认为应如何判断哪种观点正确？
答案　可以让阴极射线通过磁场，若射线垂直于磁场方向进入磁场后发生了偏转，则该射线是由带电微粒组成的．
[要点提炼]
1．阴极射线
科学家用真空度很高的真空管做放电实验时，发现真空管阴极会发射出一种射线，叫做阴极射线．
2．阴极射线的产生
阴极射线是一种带负电的粒子流．英国物理学家汤姆生通过阴极射线在磁场和电场中产生偏转的实验，确定了射线微粒的带电性质．
二、电子的发现
[问题设计]
如图2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．
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图2
(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，则粒子的荷质比是多大？
答案　(1)负电
(2)粒子受两个力作用：电场力和磁场力，两个力平衡，即有qE＝qvB，得：v＝
(3)根据洛伦兹力充当向心力：qvB＝m，得出：＝.
又v＝，则＝.测出E、B、r即可求荷质比.
[要点提炼]
1．汤姆生的研究方法及结论
(1)汤姆生根据阴极射线在电场和磁场中的偏转断定，它的本质是带负电的粒子流，并求出了这种粒子的荷质比．
(2)汤姆生用不同材料的阴极和不同的气体做实验，所得的荷质比都是相同的，是氢离子荷质比的近两千倍．
(3)汤姆生直接测量了阴极射线粒子的电荷，发现这种粒子的电荷与氢离子电荷大小基本相同．后来把组成阴极射线的粒子称为电子．
2．对电子的认识
电子的电荷量e＝1.6×10－19C，是由密立根通过著名的“油滴实验”测出来的．并计算出电子的质量m＝9.1×10－31
kg，质子的质量与电子的质量的比值：＝1_836.
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一、对阴极射线的认识
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例1
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　(单选)阴极射线从阴极射线管中的阴极发出，在其间的高电压下加速飞向阳极，如图3所示．若要使射线向上偏转，所加磁场的方向应为(　　)
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图3
A．平行于纸面向左
B．平行于纸面向上
C．垂直于纸面向外
D．垂直于纸面向里
解析　由于阴极射线的本质是电子流，阴极射线方向向右传播，说明电子的运动方向向右，利用左手定则，使电子所受洛伦兹力方向平行于纸面向上，由此可知磁场方向应为垂直于纸面向外，故选项C正确．
答案　C
二、测量带电粒子的比荷
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例2　带电粒子的荷质比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，实验装置如图4所示．
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图4
(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，射出的电子从两极板中央通过，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：加上极性如图所示的电压，并逐步调节增大，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.请问本步骤的目的是什么？
C．保持步骤B中的电压U不变，在M1M2区域加一个大小、方向合适的磁场B，使荧光屏正中心重现亮点，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？
解析　依据运动的带电粒子在电场中受电场力和在磁场中受洛伦兹力，两者平衡列方程求荷质比．
(1)B中荧光屏上恰好看不到亮点说明电子刚好落在正极板的近荧光屏的边缘，目的是利用极板间的距离d表示荷质比.C中由于要求洛伦兹力方向向上，根据左手定则可知磁场方向垂直于纸面向外．
(2)不正确，电子的荷质比是电子的固有参数，与测量所加U、B以及极板间距离d无关．
答案　见解析
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1．(单选)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
2．(单选)关于电子的下列说法中，不正确的是(　　)
A．发现电子是从研究阴极射线开始的
B．任何物质中均有电子，它是原子的组成部分
C．电子发现的意义是：使人们认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也具有复杂的结构
D．电子是带正电的，它在电场中受到的电场力方向与电场线的切线方向相同
答案　D
3．(单选)关于密立根“油滴实验”，下列说法正确的是(　　)
A．密立根利用电场力和磁场力平衡的方法，测得了带电体的最小带电荷量
B．密立根利用电场力和重力平衡的方法，推测出了带电体的最小带电荷量
C．密立根利用磁偏转的知识推测出了电子的电荷量
D．密立根“油滴实验”直接验证了电子的质量不足氢离子质量的千分之一
答案　B
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[概念规律题组]
1．(双选)关于阴极射线的性质，判断正确的是(　　)
A．阴极射线带负电
B．阴极射线带正电
C．阴极射线的荷质比比氢原子荷质比大
D．阴极射线的荷质比比氢原子荷质比小
答案　AC
解析　通过阴极射线在电场、磁场中的偏转发现阴极射线带负电，其荷质比比氢原子的荷质比大得多，故A、C正确．
2．(双选)如图1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，发现射线径迹下偏，则(　　)
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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．如要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
D．电子的径迹与AB中电流的方向无关
答案　BC
解析　阴极射线带负电，由左手定则判断管内磁场垂直纸面向里；由安培定则判断AB中电流的方向由B流向A.电流方向改变，管内磁场方向改变，电子受力方向也改变．
[方法技巧题组]
3．(单选)如图2是阴极射线管示意图．接通电源后，阴极射线由阴极沿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(　　)
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图2
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　若加磁场，由左手定则可知，所加磁场方向沿y轴正方向，B正确；若加电场，因电子向下偏转，则电场方向沿z轴正方向．
4．(单选)图3为示波管中电子枪的原理示意图，示波管内被抽成真空，A为发射热电子的阴极，K为接在高电势点的加速阳极，A、K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.下面的说法中正确的是(　　)
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图3
A．如果A、K间距离减半而电压仍为U不变，则电子离开K时的速度变为2v
B．如果A、K间距离减半而电压仍为U不变，则电子离开K时的速度变为
C．如果A、K间距离保持不变而电压减半，则电子离开K时的速度变为
D．如果A、K间距离保持不变而电压减半，则电子离开K时的速度变为v
答案　D
解析　对电子从A到K的过程应用动能定理：eU＝mv2－0，所以电子离开K时的速度取决于A、K之间电压的大小，A、B错；如果电压减半，则v应变为原来的倍，C错，D对．
5．亥姆霍兹线圈是一对彼此平行串联的共轴圆形线圈，两线圈大小相同，线圈之间距离d正好等于圆形线圈的半径R，如图4所示．这种线圈的特点是能在其公共轴线中点O附近产生近似匀强磁场，且该匀强磁场的磁感应强度与线圈中的电流成正比，即B＝kI.电子枪将灯丝溢出的电子经电压为U的电场加速后，垂直射入上述匀强磁场中，测得电子做匀速圆周运动的半径为r，试求电子的荷质比．
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图4
答案　
解析　电子经电压U加速，由动能定理得：eU＝mv2①
当电子垂直射入由亥姆霍兹线圈产生的匀强磁场中，在洛伦兹力作用下电子发生偏转，做圆周运动．洛伦兹力为向心力，则evB＝m②
由①②两式得：＝
又知，亥姆霍兹线圈产生的磁场与电流成正比，即B＝kI，则＝.
[创新应用题组]
6．汤姆生1897年用阴极射线管测量了电子的荷质比(电子电荷量与质量之比)，其实验原理如图5所示．电子流平行于极板射入，极板P、P′间同时存在匀强电场E和垂直纸面向里的匀强磁场B时，电子流不发生偏转；极板间只存在垂直纸面向里的匀强磁场B时，电子流穿出平行板电容器时的偏向角θ＝
rad.已知极板长L＝3.0×10－2
m，电场强度大小为E＝1.5×104
V/m，磁感应强度大小为B＝5.0×10－4
T．求电子的荷质比．
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图5
答案　1.3×1011
C/kg
解析　无偏转时，有eE＝evB
只存在磁场时，有evB＝m(或r＝)，由几何关系得r＝
偏转角很小时，r≈，联立并代入数据得＝＝1.3×1011
C/kg.