2017-2018学年高二物理粤教版选修3-5教师用书：第3章 第1节 敲开原子的大门

第一节　敲开原子的大门
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.知道阴极射线的概念，了解电子的发现过程．(重点)
2.知道电子是原子的组成部分．(重点)
3.知道电子的电荷量及其他电荷与电子电荷量的关系．(重点、难点)
探索阴极射线
1．实验装置
真空玻璃管、阴极、阳极和高压电源．
2．实验现象及阴极射线
在一个被抽成真空的玻璃管两端加上高电压，这时阴极会发出一种射线，使正对阴极的玻璃管壁上出现绿色荧光．这种奇妙的射线被称为阴极射线．
3．阴极射线的本质
汤姆生通过实验证明阴极射线本质上是由带负电的微粒组成的．
1．阴极射线的本质是由带正电的微粒组成．(×)
2．在阴极射线所在的区域加一磁场，可判断阴极射线的性质．(√)
3．阴极射线在真空中沿直线传播．(√)
产生阴极射线的玻璃管为什么是真空的？
【提示】　在高度真空的放电管中，阴极射线中的粒子主要来自阴极，对于真空度不高的放电管，粒子还有可能来自管中的气体，为了使射线主要来自阴极，一定要把玻璃管抽成真空．
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——汤姆生，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场中的偏转情况，判断出阴极射线是粒子流，并且带负电．
1．如图3-1-1所示，在阴极射线管正下方平行放置一根通有足够强直流电流的长直导线，且导线中电流方向水平向右，则阴极射线将会向________偏转．
图3-1-1
【解析】　阴极射线方向水平向右，说明其等效电流的方向水平向左，与导线中的电流方向相反，由左手定则，两者相互排斥，阴极射线向上偏转．
【答案】　上
2．如图3-1-2是电子射线管示意图．接通电源后，电子射线由阴极沿x轴方向射出，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，可采用加磁场或电场的方向．
图3-1-2
若加一磁场，磁场方向沿________方向，若加一电场，电场方向沿________方向．
【解析】　若加磁场，由左手定则可判定其方向应沿y轴正方向；若加电场，根据受力情况可知其方向应沿z轴正方向．
【答案】　y轴正　z轴正
注意阴极射线?电子?从电源的负极射出，用左手定则判断其受力方向时四指的指向和射线的运动方向相反.
电 子 的 发 现
1．汤姆生的探究方法及结论
(1)根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定，它的本质是带负电的粒子流，并求出了这种粒子的荷质比．
(2)换用不同材料的阴极做实验，所得荷质比的数值都相同，汤姆生计算出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)结论：汤姆生直接测量出粒子的电荷，发现该粒子的电荷与氢离子的电荷大小基本上相同，说明它的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．
2．电子的电荷量和质量
(1)电荷量：美国科学家密立根精确地测定了电子的电量e＝1.602_2×10－19 C.
(2)质量：根据荷质比，可以精确地计算出电子的质量为m＝9.109_4×10－31 kg.
1．阴极射线实际上是高速运动的电子流．(√)
2．电子的电荷量是汤姆生首先精确测定的．(×)
3．带电体的电荷量可以是任意值．(×)
汤姆生怎样通过实验确定阴极射线是带负电的粒子？
【提示】　汤姆生通过气体放电管研究阴极射线的径迹，未加电场时，射线不偏转，施加电场后，射线向偏转电场的正极板方向偏转，由此确定阴极射线是带负电的粒子．
1．电子荷质比(或电荷量)的测定方法
根据电场、磁场对电子的偏转测量比荷(或电荷量)，可按以下方法：
(1)让电子通过正交的电磁场，如图3-1-3甲所示，让其做匀速直线运动，根据二力平衡，即F洛＝F电(Bqv＝qE)得到电子的运动速度v＝.
甲
(2)在其他条件不变的情况下，撤去电场，如图3-1-3乙所示，保留磁场让电子在磁场中运动，由洛伦兹力提供向心力，即Bqv＝，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径r，则由qvB＝m得＝＝.
乙
图3-1-3
2．密立根油滴实验
(1)装置
密立根实验的装置如图3-1-4所示．
图3-1-4
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
带电油滴的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，并求得了其最小值即电子所带的电荷量e.
3．(多选)关于电荷的电荷量，下列说法正确的是(　　)
A．物体所带电荷量可以是任意值
B．物体所带电荷量最小值为1.6×10－19 C
C．物体所带的电荷量都是元电荷的整数倍
D．电子就是元电荷
【解析】　密立根的油滴实验测出了电子的电量为1.6×10－19 C，并提出了电荷量子化的观点，因而故A错，B对；任何物体的电荷量都是e的整数倍，故C对，D错．
【答案】　BC
4．密立根油滴实验进一步证实了电子的存在，揭示了电荷的非连续性．如图3-1-5所示是密立根油滴实验的原理示意图，设小油滴的质量为m，调节两极板间的电势差U，当小油滴悬浮不动时，测出两极板间的距离为d.则可求出小油滴的电荷量q＝________.
图3-1-5
【解析】　由平衡条件得mg＝q，解得q＝.
【答案】　
5．如图3-1-6所示为汤姆生用来测定电子比荷的装置．当极板P和P′间不加偏转电压时，电子束打在荧光屏的中心O点处，形成一个亮点；加上偏转电压U后，亮点偏离到O′点，O′点到O点的竖直距离为d，水平距离可忽略不计；此时在P与P′之间的区域里再加上一个方向垂直于纸面向里的匀强磁场，调节磁感应强度，当其大小为B时，亮点重新回到O点．已知极板水平方向长度为L1，极板间距为b，极板右端到荧光屏的距离为L2.
图3-1-6
(1)求打在荧光屏O点的电子速度的大小．
(2)推导出电子比荷的表达式．
【解析】　(1)电子在正交的匀强电场和匀强磁场中做匀速直线运动，有Bev＝Ee＝e，得v＝
即打到荧光屏O点的电子速度的大小为.
(2)由d＝2＋·可得
＝＝.
【答案】　(1)　(2)
巧妙运用电磁场测定电子比荷
1．当电子在复合场中做匀速直线运动时，qE＝qvB，可以测出电子速度的大小．
2．电子在荧光屏上的落点到屏中心的距离等于电子在电场中的偏转位移与电子出电场到屏之间的倾斜直线运动偏转位移的和．