2.1 电子的发现与汤姆孙模型 学案 (2)

第1节电子的发现与汤姆孙模型
课　标　解　读
重　点　难　点
1.了解物质结构早期探究的基本历程．2.知道阴极射线的产生及其本质，理解汤姆孙对阴极射线研究的方法及电子发现的意义．3.了解汤姆孙原子模型.
1.理解阴极射线的研究过程．(重点)2.汤姆孙发现电子的理论推导．(难点)3.电子电荷量的测定．(难点)
物质结构的早期探究
1.基本知识
(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5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，认为宇宙间存在一种或多种微小的实体，叫做“原子”．
(2)通过实验了解物质的结构
①1661年，玻意耳以化学实验为基础建立了科学的元素论．
②19世纪初，道尔顿提出了原子论，认为原子是元素的最小单位．
③1811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．
(3)结论
在物质的结构中存在着分子、原子这样的层次，宏观物质的化学性质决定于分子，而分子则由原子组成．原子是构成物质的不可再分割的最小颗粒，它既不能创生，也不能消灭．
2．思考判断
(1)玻意耳认为万物的本质是土、水、火、空气四种元素的元素论．(×)
(2)阿伏伽德罗提出分子可以由多个原子组成．(√)
(3)19世纪初期形成的原子论观点认为原子是构成物质的最小颗粒是不可分的．(√)
3．探究交流
试简述道尔顿提出原子论的依据．
【提示】　18世纪一系列重要的实验结果，如化学反应遵从质量守恒定律，元素形成化合物时遵从定比定律、倍比定律等，启示人们推想物质是由一些不可毁灭的微粒构成的，而且各种不同的元素微粒按照一定的比例形成化合物，在此基础上，19世纪初，道尔顿提出了原子论，认为原子是元素的最小单元.
电子的发现及汤姆孙模型
1.基本知识
(1)汤姆孙的探究方法
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，通过静电偏转力与磁场偏转力相抵消等方法，确定了阴极射线粒子的速度，并测量出了其比荷．
②换用不同金属的阴极，所得粒子的比荷值大体相同．
③粒子带负电，阴极射线的电荷与氢离子的电荷大小基本相同，比荷是氢离子的近两千倍，说明阴极射线粒子的质量远小于氢离子质量．
④组成阴极射线的粒子称为电子．
(2)结论
①阴极射线是高速电子流．
②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，比最轻的氢原子的质量还要小的多，汤姆孙将这种带电粒子称为电子．
(3)电子发现的意义
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．现在人们发现了各种物质里都有电子，而且电子的质量比最轻的氢原子质量小得多，这说明电子是原子的组成部分．电子带负电，而原子是电中性的，可见原子内还有带正电的物质，这些带正电的物质和带负电的电子如何构成原子呢？电子的发现大大激发了人们研究原子内部结构的热情，拉开了人们研究原子结构的序幕．
(4)19世纪末物理学的三大发现
①1895年伦琴发现了X射线；②X射线发现后不久，贝克勒尔发现了放射性；③1897年汤姆孙发现了电子．
(5)汤姆孙的原子模型
原子带正电的部分充斥整个原子，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．
2．思考判断
(1)电子的发现，说明原子具有一定的结构．(√)
(2)电子是第一种被人类发现的微观粒子．(√)
(3)电子的发现，是19世纪末的三大著名发现之一．(√)
3．探究交流
为什么汤姆孙要通过电场和磁场研究阴极射线？
【提示】　当时对阴极射线本质的认识存在两种认识：一是认为是带电粒子，二是认为是以太波．而汤姆孙认为阴极射线是带电粒子，而带电粒子可受电场力和磁场力.
“阴极射线”性质的研究
【问题导思】　
1．如何确定阴极射线的带电性质？
2．如何确定阴极射线的比荷？
3．阴极射线的本质是什么？
1．电性的确定
方法一：让阴极射线进入已知电场，由所受电场力方向确定带电的性质．
方法二：让阴极射线进入磁场，由所受洛伦兹力的方向，根据左手定则确定带电的性质．
2．比荷的测定方法
图2－1－1
(1)让粒子通过正交的电磁场，如图2－1－1所示，让其做直线运动，根据二力平衡条件，即F洛＝F电(Bqv＝qE)得到粒子的运动速度v＝.
图2－1－2
(2)在其他条件不变的情况下，撤去电场，如图2－1－2所示，保留磁场，让粒子只在磁场中运动，由洛伦兹力提供向心力即Bqv＝，根据磁场情况和轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径R.
(3)由以上方法确定粒子比荷的表达式：＝.
3．电子的发现
(1)汤姆孙测得阴极射线粒子的比荷约为1011
C/kg，电荷量与氢离子基本相同，质量为氢离子的.
(2)最后经定量计算，汤姆孙认定组成阴极射线的粒子为电子．
　
1．阴极射线的来源：若放电管的真空度高，阴极射线的粒子主要来自阴极；若放电管的真空度不高，粒子还可能来自管中气体．
2．阴极射线不是X射线．
　(2012·文昌检测)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．
在汤姆孙测电子比荷的实验中，采用了如图2－1－3所示的阴极射线管，从电子枪C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、G平行板间，接着在荧光屏中心F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，电子将向上偏转；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，电子向下偏转，偏转角为θ，试解决下列问题．
图2－1－3
(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．
【审题指导】　阴极射线带负电，根据运动的速度方向及在磁场中的偏转方向利用左手定则判断磁场方向，并利用几何关系计算比荷．
【解析】　(1)由于所加磁场使电子受到向下的洛伦兹力，因此磁场的方向垂直纸面向里．
(2)如图，当电子在DG间做匀速直线运动时，
有eE＝evB①
当电子在DG间的磁场中偏转时，有evB＝②
同时又有L＝r
sin
θ③
由①②③式得＝.
【答案】　见解析
1．比荷的测定问题只是带电粒子在磁场和电场中运动的一类典型例子，这种方法可以推广到带电粒子在复合场中的运动，求其他相关的问题．
2．解决带电粒子在电磁场中运动的问题时要注意以下几点：
(1)带电粒子的带电性质．
(2)正确描绘运动轨迹．
(3)能确定半径、圆心．
(4)会利用几何知识把有关线段与半径联系起来．
　(2013·琼海检测)如图2－1－4所示是汤姆孙的气体放电管的示意图，下列说法中正确的是(　　)
汤姆孙的气体放电管的示意图
图2－1－4
A．若在D1、D2之间不加电场和磁场，则阴极射线应打到最右端的P1点
B．若在D1、D2之间加上竖直向下的电场，则阴极射线应向下偏转
C．若在D1、D2之间加上竖直向下的电场，则阴极射线应向上偏转
D．若在D1、D2之间加上垂直纸面向里的磁场，则阴极射线不偏转
【解析】　实验证明，阴极射线是电子流，它在电场中偏转时应偏向带正电的极板一侧，可知选项C正确，选项B错误．加上磁场时，电子在磁场中受洛伦兹力作用，要发生偏转，因而选项D错误．当不加电场和磁场时，电子所受的重力可以忽略不计，因而不发生偏转，选项A的说法正确．
【答案】　AC
易错案例警示——对汤姆孙原子
　　
模型的意义认识不清导致错误
　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
【正确解答】　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．
【答案】　ABC
　【易错分析】　本题易错选项及错误原因分析如下：
易错选项
错误原因
漏选C
尽管汤姆孙原子模型是错误的，但选项C中对汤姆孙原子模型的陈述是正确的，导致漏选
错选D
不了解正确的原子结构，导致错选
【备课资源】(教师用书独具)
电子电荷量的测定——密立根油滴实验
1．密立根油滴实验的原理
电子所带的电荷量最早是由美国科学家密立根所做的油滴实验测出的．密立根实验的原理如图教2－1－1所示．
图教2－1－1
(1)两块水平放置的平行金属板A、B与电源相接，使上板带正电，下板带负电，油滴从喷雾器喷出后，经上面金属板中间的小孔，落到两板之间的匀强电场中．
(2)大多数油滴在经过喷雾器喷嘴时，因摩擦而带负电，油滴在电场力、重力和空气阻力的作用下下降．观察者可在强光照射下，借助显微镜进行观察.
2．方法
(1)两板间的电势差、两板间的距离都可以直接测得，从而确定极板间的电场强度E，但是由于油滴太小，其质量很难直接测出．密立根通过测量油滴在空气中下落的终极速度来测量油滴的质量．没加电场时，由于空气的黏性，油滴所受的重力大小很快就等于空气给油滴的摩擦力而使油滴匀速下落，可测得速度v1.
(2)再加一足够强的电场，使油滴做竖直向上的运动，在油滴以速度v2匀速运动时，油滴所受的静电力与重力、阻力平衡．根据空气阻力遵循的规律，即可求得油滴所带的电荷量．
3．结论
密立根测定了数千个带电油滴的电荷量，发现这些电荷量都等于某个最小电荷量的整数倍，从而证实了电荷是量子化的，并求得了元电荷即电子或质子所带的电荷量e.
1．历史上第一个发现电子的科学家是(　　)
A．贝可勒尔　　　　　　
B．道尔顿
C．伦琴
D．汤姆孙
【解析】　贝可勒尔发现了天然放射现象，道尔顿提出了原子论，伦琴发现了X射线，汤姆孙发现了电子．
【答案】　D
图2－1－5
2．如图2－1－5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(　　)
A．向纸内偏转
B．向纸外偏转
C．向下偏转
D．向上偏转
【解析】　本题综合考查电流产生的磁场、左手定则和阴极射线的产生及性质．由题目条件不难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，根据左手定则可判定阴极射线(电子)向上偏转．
【答案】　D
3．关于电荷的电荷量，下列说法错误的是(　　)
A．电子的电荷量是由密立根油滴实验测得的
B．物体所带电荷量可以是任意值
C．物体所带电荷量最小值为1.6×10－19
C
D．物体所带的电荷量都是元电荷的整数倍
【解析】　密立根油滴实验测出了电子的电荷量为1.6×10－19
C，并提出了电荷量量子化的观点，因而A、C对，B错；任何物体的电荷量都是e的整数倍，故D对；因此选B.
【答案】　B
4．关于阴极射线的性质，下列说法正确的是
(　　)
A．阴极射线带负电
B．阴极射线带正电
C．阴极射线中的负电粒子的比荷与氢离子的基本相同
D．阴极射线中的负电粒子的带电荷量与氢离子的相同
【解析】　阴极射线是电子流，故带负电，A对B错．电子与氢离子的带电荷量相同，但质量不同，故C错D对．
【答案】　AD
5．阴极射线是从阴极射线管的阴极发出的高速运动的
图2－1－6
粒子流，这些微观粒子是________．
若在如图2－1－6所示的阴极射线管中部加垂直于纸面向里的磁场，阴极射线将________(选填“向上”、“向下”或“向外”)偏转．
【解析】　阴极射线即为电子流．当电子流穿过垂直纸面向里的磁场时，将受到洛伦兹力的作用而向下偏转(注意电流方向与电子流方向相反)．
【答案】　电子　向下
1．早期原子论是由谁创立的(　　)
A．阿伏伽德罗　　　　
B．汤姆孙
C．玻意耳
D．德谟克利特
【解析】　根据物理学史，古希腊哲学家德谟克利特建立了早期的原子论，认为宇宙间存在一种或多种微小的实体，叫做“原子”，D正确．玻意耳创立了元素论，C错．阿伏伽德罗提出了分子假说，A错．汤姆孙发现了电子，B错．
【答案】　D
2．(2013·济南检测)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其能量
B．阴极射线通过偏转电场时不会偏转
C．阴极射线通过偏转电场时能够改变方向
D．阴极射线通过磁场时方向可能发生改变
【解析】　X射线是频率很高的光子，不带电．电场、磁场不能改变其运动方向，B正确．
【答案】　B
3．(2013·福州四中检测)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．电子质量是质子质量的1
836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，均为相同的粒子——电子，故A正确、B错误；电子是构成物质的基本单元，它的质量远小于质子的质量，为质子质量的，故C错、D对．
【答案】　AD
图2－1－7
4．如图2－1－7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，发现射线径迹往下偏，则
(　　)
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往上偏，可以通过改变AB中的电流方向来实现
D．电子束的径迹与AB中的电流方向无关
【解析】　阴极射线的粒子带负电，由左手定则判断管内磁场方向垂直纸面向里．由安培定则判定AB中电流的方向由B流向A，故B正确．电流方向改变，管内磁场方向改变，电子受力方向也改变，故C对．
【答案】　BC
5．(2013·莆田检测)下列说法中正确的是(　　)
A．原子是可以再分的，是由更小的微粒组成的
B．通常情况下，气体是导电的
C．在强电场中气体能够被电离而导电
D．平时我们在空气中看到的放电火花，就是气体电离导电的结果
【解析】　原子可以再分为原子核和核外电子，A对；通常情况下，气体不导电，但在强电场中被电离后可导电，B错，C、D对．
【答案】　ACD
6．汤姆孙用电场和磁场对电子进行偏转实验从而测定其比荷．在图所示的匀强电场和匀强磁场共存的区域内，电子可能沿水平方向向右做匀速直线运动的是(　　)
【答案】　C
7．(2013·漳州高二检测)如图2－1－8所示，有一混合正离子束先后通过正交电磁场区域Ⅰ和匀强磁场区域Ⅱ，如果这束正离子束在区域Ⅰ中不偏转，进入区域Ⅱ后偏转半径R相同，则它们具有相同的(　　)
图2－1－8
A．电荷量　　　　　　　
B．质量
C．速度
D．比荷
【解析】　正交电磁场区域Ⅰ实际上是一个速度选择器，这束正离子在区域Ⅰ中均不偏转，说明它们具有相同的速度，故C正确．在区域Ⅱ中半径相同，R＝，所以它们应具有相同的比荷．正确选项为C、D.
【答案】　CD
8．如图2－1－9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2－1－9
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；若所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
9．密立根实验的原理如图2－1－10所示，在A板上方用喷雾器将油滴喷出，若干个油滴从板上的一个小孔中落下，喷出的油滴因摩擦而带负电．已知A、B板间电压为U、间距为d时，油滴恰好静止．撤去电场后油滴徐徐下落，最后测出油滴以速度v匀速运动，已知空气阻力正比于速度：F＝kv，则油滴所带的电荷量q＝________.
图2－1－10
某次实验得q的测量值见下表(单位：10－19
C)；
6.41
8.01
9.65
11.23
12.83
分析这些数据可知：________.
【解析】　mg－Eq＝0，mg－kv＝0，解得q＝kv/E.油滴所带电荷量是1.6×10－19
C的整数倍，故电荷的最小电荷量为1.6×10－19
C.
【答案】　　电荷的最小电荷量为1.6×10－19
C
10．(2013·南平检测)为测定带电粒子的比荷，让这个带电粒子垂直飞进平行金属板间，已知匀强电场的场强为E，在通过长为L的两金属板间后，测得偏离入射方向的距离为d，如果在两板间加垂直电场方向的匀强磁场，磁场方向垂直粒子的入射方向，磁感应强度为B，则离子恰好不偏离原来方向，求比荷的值为多少？
【解析】　只加电场时，在垂直电场方向
d＝()()2
加磁场后，粒子做直线运动，则qv0B＝Eq
，即v0＝.
联立解得：＝.
【答案】　
11．(2013·澄迈检测)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2－1－11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，平行极板间距为b.当极板间不加偏转电压时，电子束打在荧光屏和中心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．求打在荧光屏O点的电子速度的大小．
图2－1－11
【解析】　当电子受到的电场力与洛伦兹力相等时，电子做匀速直线运动、亮点重新回到中心O点，设电子的速度为v.则qvB＝qE，得v＝又E＝，所以v＝.
【答案】　
12．美国科学家密立根通过油滴实验首次测得电子电量．油滴实验的原理如图2－1－12所示，两块水平放置的平行金属板与电源相连，上下板分别带正、负电荷．油滴从喷雾器喷出后．由于摩擦而带电，经上板中央小孔落到两板间的匀强电场中，通过显微镜可以观察到它运动的情况．两金属板间的距离为d，忽略空气对油滴的浮力和阻力．
图2－1－12
(1)调节两金属板间的电势差U，当U＝U0时，使得某个质量为m1的油滴恰好做匀速运动，求该油滴所带的电荷量；
(2)若油滴进入电场时的初速度可以忽略，当两金属板间的电势差U＝U1时，观察到某个质量为m2的油滴进入电场后做匀加速运动，经过时间t运动到下极板，求此油滴所带的电荷量．
【解析】　(1)当U＝U0时，油滴恰好做匀速直线运动，满足m1g－q＝0，即q＝.
(2)当U＝U1时，质量为m2的油滴做匀加速运动，满足d＝at2，m2g－q′＝m2a
由此得q′＝(g－)＝(gt2－2d)．
【答案】　(1)　(2)(gt2－2d)