课时作业10 电子的发现
1．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玻璃管壁上的荧光而产生的
B．只要阴阳两极间加有电压，就会有阴极射线产生
C．阴极射线可以穿透薄铝片，这说明它是电磁波
D．阴阳两极间加有高压时，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
解析：阴极射线是由阴极直接发出的，A错误；只有当两极间加有高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，B错误，D正确；阴极射线可以穿透薄铝片，可能是电磁波，也可能是更小的粒子，C错误。
答案：D
2．如果阴极射线像X射线一样，则下列说法正确的是( )
A．阴极射线管内的高电压能够对其加速而增加能量
B．阴极射线通过偏转电场不会发生偏转
C．阴极射线通过偏转电场能够改变方向
D．阴极射线通过磁场时方向可能发生改变
解析：X射线是电磁波，不带电，通过电场、磁场时不受力的作用，不会发生偏转、加速，B正确。
答案：B
3．如图10－1所示，在阴极射线管正下方平行放一通有强电流的长直导线，则阴极射线将( )
图10－1
A．向纸内偏转 B．向纸外偏转
C．向下偏转 D．向上偏转
解析：根据安培定则可知长直导线下方的磁场方向垂直纸面向外，电子从负极射出向右运动，由左手定则可知阴极射线(本质是电子流)将向上偏转，故D选项正确。
答案：D
4．关于电荷量下列说法错误的是( )
A．物体的带电荷量可以是任意值
B．物体的带电荷量只能是某些值
C．物体的带电荷量的最小值为1.6×10－19 C
D．一个物体带1.6×10－9 C的正电荷，这是它失去了1.0×1010个电子的缘故
解析：物体所带的电荷量是量子化的，它只能是电子电荷量e＝1.6×10－19 C的整数倍，故仅A选项错误。
答案：A
5.如图10－2所示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( )
图10－2
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
解析：由eU＝mv2得v＝ ，电子速度与A、K间距无关。当电压减半时，速度变为v。
答案：D
6．1897年，物理学家汤姆孙正式测定了电子的比荷，打破了原子是不可再分的最小单位的观点。因此，汤姆孙的实验是物理学发展史上最著名的经典实验之一。在实验中，汤姆孙采用了如图10－3所示的阴极射线管，从电子枪C射出来的电子经过A、B间的电场加速后，水平射入长度为L的D、E平行板间，接着在荧光屏F的中心出现荧光斑。若在D、E间加上方向向下，场强为E的匀强电场，电子将向上偏转；如果再利用通电线圈在D、E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)荧光斑恰好回到荧光屏中心，接着再去掉电场，电子向下偏转，偏转角为θ，试解决下列问题：
图10－3
(1)说明图中磁场沿什么方向；
(2)根据L、E、B和θ，求出电子的比荷。
解析：(1)根据题意，在D、E区加上磁场时，电子受到的洛伦兹力应向下，由左手定则可判断，磁场方向垂直纸面向里。
(2)当电子在D、E间做匀速直线运动时，有eE＝evB
当电子仅在D、E间的磁场中发生偏转时，有evB＝，同时又有L＝rsinθ，如图所示，可得＝。
答案：(1)垂直纸面向里 (2)
7.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10－4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，当调节A、B两板间的电压为U时，可使油滴匀速下降。已知油滴可看成球体，密度为ρ，下降的速度大小为v，受到空气的阻力f＝kπr2v，k为比例系数，r为油滴的大圆半径，两极板间距离为d，重力加速度为g，则带电油滴的带电量是多大？
图10－4
解析：油滴受三个力作用：重力、库仑力和空气阻力，因油滴匀速下降，三力平衡，有mg＝q＋f，将m＝ρ·πr3，f＝kπr2v代入，得q＝。
答案：
8．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10－5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1.92×105 N/C，油滴半径是1.64×10－4 cm，油的密度是0.851 g/cm3，求油滴所带的电量，这个电量是电子电量的多少倍？
图10－5
解析：小油滴质量
m＝ρV＝ρ·πr3 ①
由题意知 mg＝Eq ②
由①②两式可得
q＝
＝ C
＝8.02×10－19 C。
小油滴所带电量q是电子电量e的＝5倍。
答案：8.02×10－19 C 5倍
9．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10－6所示。
图10－6
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10－6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？
C．保持步骤B中的电压U不变，对M1、M2区域加一个大小、方向合适的磁场B，使荧屏正中心处重现亮点，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？
解析：①B.使电子刚好落在正极板的近荧屏端边缘，利用已知量表达q/m。
C．垂直电场方向向外(垂直纸面向外)。
②说法不正确，电子的荷质比是电子的固有参数。
10．如图10－7所示为测量某种离子的比荷的装置。让中性气体分子进入电离室A，在那里被电离成离子。这些离子从电离室的小孔飘出，从缝S1进入加速电场被加速，然后让离子从缝S2垂直进入匀强磁场，最后打在底片上的P点，已知加速电压为U，磁场的磁感应强度为B，缝S2与P之间的距离为a，离子从缝S1进入电场时的速度不计，求该离子的比荷。
图10－7
解析：粒子经电场加速，经磁场偏转两个过程，从轨迹可知，离子带正电，设它进入磁场时速度为v，在电场中加速qU＝mv2。
在磁场中偏转Bqv＝mv2/r，而r＝a/2。
解上面几式可得：＝。
答案：
课件31张PPT。知识与技能
1．知道阴极射线的概念，了解电子的发现过程。
2．知道电子是原子的组成部分。
3．知道电子的电荷量及其他电荷与电子电荷量的关系。过程与方法
经历电子的发现过程。
情感、态度与价值观
1．体验发现新事物的乐趣。
2．认识到人们对物质结构的了解永无止境。1.1897年，汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定，它的本质是带________的粒子流并求出了这种粒子的________，后来汤姆孙直接测到了阴极射线粒子的________，它的电荷量的大小与氢离子大致相同。
2．组成阴极射线的粒子被称为________。电子是________的组成部分，是比原子更基本的物质单元。3．电子电荷的精确测定是在1910年前后由________通过著名的________做出的。电子电荷的值一般取做e＝________ C。
4．密立根实验更重要的发现是：电荷是________的，即任何带电体的电荷只能是e的________。
5．质子质量与电子质量的比值为 ＝________。答案：
1．负电 比荷 电荷量
2．电子 原子
3．密立根 “油滴实验” 1.6×10－19
4．量子化 整数倍 1 836
1．阴极射线的产生
阴极射线由阴极射线管产生，如图18－1－1所示，真空玻璃管中K是金属板制成的阴极，A是金属环制成的阳极，它们分别连接在感应圈的负极和正极上。管中十字状物体是一个金属片，玻璃壁上涂有荧光。图18－1－12．阴极射线
在两极间加有高压时，阴极会发生一种射线，这种射线称为阴极射线。
3．阴极射线的特点
阴极射线能够使荧光物质发光。
4．对阴极射线的本质的认识：
19世纪后期的两种观点：(1)认为是电磁辐射，类似X射线；(2)是带电粒子。【例1】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，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。知识点2电子的发现
1．汤姆孙对阴极射线的实验研究
从1890年起，英国物理学家汤姆孙进行了一系列实验研究，于1897年汤姆孙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这种粒子的比荷。并通过实验确定不同物质都能发射这种带电粒子，它是构成各种物质的共有成分。并通过进一步研究光电效应、热离子发射效应和β射线等，结合这种带电粒子的质量是最轻原子质量的二千分之一多一点，得出电子是原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元。2.密立根的“油滴实验”
1910年密立根通过“油滴实验”精确测定了电子电荷现代值为e＝1.602 177 33(49)×10－19 C，有关计算中一般使用e＝1.6×10－19 C。
该实验还发现：电荷是量子化的，即任何带电体的电荷只能是e的整数倍。
由比荷及e的数值确定电子的质量为me＝9.109 389 7×10－31 kg。
质子质量与电子质量的比值为 ＝1 836。【例2】汤姆孙用来测定电子的比荷(电子的电荷量与质量之比)的实验装置如图18－1－2所示。真空管内的阴极K发出的电子(不计初速、重力和电子间的相互作用)经加速电压加速后，穿过A′中心的小孔沿中心轴O1O的方向进入到两块水平正对放置的平行极板P和P′间的区域。当极板间不加偏转电压时，电子束打在荧光屏的中心O点处，形成了一个亮点；加上偏转电压U后，亮点偏离到O′点(O′点与O点的竖直间距为d，水平间距可忽略不计)。此时，在P和P′间的区域，再加上一个方向垂直于纸面向里的匀强磁场。调节磁场的强弱，当磁感应强度的大小为B时，亮点重新回到O点。已知极板水平方向的长度为L1，极板间距为b，极板右端到荧光屏的距离为L2。
(1)求打在荧光屏O点的电子速度的大小；
(2)推导出电子的比荷的表达式。
1.阴极射线带电性质的判断方法
方法一：粒子在电场中运动时，如图18－1－3所示。带电粒子在电场中运动，受电场力作用运动发生改变(粒子质量忽略不计)。带电粒子在不受其它力时，沿电场线方向偏转时，粒子带正电，逆电场线方向偏转时，粒子带负电。(2)粒子在磁场中运动时，如图18－1－4所示。粒子将受到洛伦滋力作用F洛＝qvB，而我们曾学习过，速度方向v始终与洛伦兹力方向F洛垂直，利用左手定则，即可判断粒子的电性。
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；如做逆时针的圆周运动，则粒子带负电。
通过上述方法可判定阴极射线是带有负电性质的电荷。
汤姆孙的成就
汤姆孙最重要的贡献是发现了电子。最初，由于对麦克斯韦的电磁辐射理论感兴趣，他进行了阴极射线的研究。X射线的发现使人们对气体电离行为的考察更加深入，在阴极射线本质的争论中他明确支持粒子说。接着他用一个巧妙的实验成功地证实了阴极射线在电场和磁场中发生偏转——这是判定阴极射线确实是带电粒子的决定性证据。继而，他采用静电偏转力和磁场偏转力相抵消等方法确定阴极射线粒子的速度，测量出这些粒子的荷质比，并进一步测出它们的质量约为氢原子质量的1/1 837。由此推断，阴极射线粒子比原子要小得多，可见这种粒子是组成一切原子的基本材料。汤姆孙于1807年4月30日宣布了他的发现。后来人们命名这种粒子为电子。电子是人类所认识的第一种基本粒子。此后，他又提出了“电子浸浮于均匀正电球”的原子结构模型(汤姆孙模型)。该模型虽然在后来被卢瑟福的核原子模型所替代，但它是建立原子结构模型的开端。1906年，由于汤姆孙对电子研究的重要贡献而被授予诺贝尔物理奖。1908年又被册封为爵士。
汤姆孙的另一个重要贡献是在研究极隧射线(穿过阳极细孔的带正电的粒子流)时发展了质谱方法。他的方法经过同事F.阿斯顿(F.W.Aston,1877—1945)的改进和完善，发展为今天的质谱仪。在极隧射线的研究中，他根据实验现象最先指出，普通元素也可能有同位素。1913年首次用物理方法成功地分离出了稳定元素的同位素，从而确立了这一事实。他也是经典金属电子论的创始人之一。此外，汤姆孙还是一位卓越的教师和科研事业领导人，他在担任卡文迪许实验室教授期间，创建了完整的研究生培养制度和培育了良好的学术风气。他理论与实验并重，特别提倡自制仪器，又善于抓住要害，进行精确的理论分析。他的博学、敏捷、科学直觉、想象力与创造力带领着一大批学者前进在科学前沿上，使卡文迪许实验室成为国际物理前沿研究中心之一。他的学生有7人获诺贝尔奖，27人取得英国皇家学会会员资格。他还努力促进大学与中学物理教学的提高，写出了几本出色的教材。英国能够在20世纪前30年代在原子物理学领域保持重要的领先地位，汤姆孙的有力指导和优秀教学能力起了相当作用。
