第一节 敲开原子的大门
[学习目标] 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.知道电子的电荷量和质量．(重点)4.理解电子比荷的测定原理及方法．(难点)
一、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．
二、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．正误判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(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)电子的电荷量是汤姆生首先精确测定的． (×)
(4)带电体的电荷量可以是任意值． (×)
2．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
C [阴极射线本质上是电子流，带负电，A、B、D选项错误，C选项正确．]
3．在阴极射线管的正上方平行放置通以强电流的一根长直导线，其电流方向如图所示．则阴极射线将( )
A．向上偏转 B．向下偏转
C．向纸里偏转 D．向纸外偏转
B [根据安培定则可知电流周围的磁场分布，阴极射线区域磁场垂直纸面向里，根据左手定则可知，电子流从左向右运动，电子向下偏转，故B选项正确，选B.]
对阴极射线的认识
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．
【例1】 (多选)如图所示，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( )
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，可通过改变AB中电流的方向来实现
D．电子束的径迹与导线AB中电流的方向无关
BC [电子向右运动，受到的洛伦兹力向下，根据左手定则知，在导线AB上方有垂直纸面向里的磁场，再根据安培定则判断出电流方向由B到A.]
阴极射线是高速运动的电子流，电子带负电，在电场中或磁场中将要发生偏转.
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玻璃管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
CD [阴极射线是真空玻璃管内由阴极发出的射线，故A错误，C正确；只有当两极间加足够高的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电场力作用而脱离阴极形成阴极射线，故B错误，D正确．]
电子荷质比及电荷量的测定
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，如图甲所示，让其做匀速直线运动，根据二力平衡，即F洛＝F电(qvB＝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qvB＝，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
2．密立根油滴实验
(1)装置
密立根实验的装置如图所示．
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.
【例2】 如图所示为汤姆孙用来测定电子荷质比的装置．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，其中两正对极板M1、M2之间的距离为d，极板长度为L.
(1)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，对M1、M2间区域加一个大小、方向合适的磁场B，使荧光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，可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式为＝.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？
思路点拨：(1)当两板间加上合适的电压时，荧光屏上恰好看不见亮点，则电子在电场中竖直方向的偏移量为d.
(2)再加大小、方向合适的磁场，洛伦兹力和电场力大小相等，方向相反，则亮点在荧光屏中心．可以根据左手定则确定磁场方向．
(3)电子的荷质比由电子本身决定，与外加电压无关．
[解析] (1)步骤B中电子在M1、M2两极板间做类平抛运动，当增大两极板间电压时，电子在两极板间竖直方向的偏转位移增大．当在荧光屏上恰好看不到亮点时，电子刚好打在下极板M2靠近荧光屏端的边缘，则＝2，＝，由此可以看出这一步的目的是使粒子在电场中竖直方向的偏转位移成为已知量．步骤C加上磁场后电子不偏转，电场力等于洛伦兹力，且洛伦兹力方向向上，由左手定则可知磁场方向垂直于纸面向外．
(2)由电场力等于洛伦兹力得＝Bqv
解得v＝
又＝
得＝
当U增大时，B必定也要增大，即的比值不会变化，电子的荷质比是由电子本身的性质决定的，是电子的固有参数，因此该同学的说法不正确．
[答案] 见解析
巧妙运用电磁场测定电子荷质比
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．
训练角度1：对带电体电荷量的理解
2．(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
BC [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，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．]
训练角度2：密立根油滴实验
3．密立根油滴实验如图所示，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，已知小油滴静止时的电场强度是1.92×105 N/C，油滴半径是1.64×10－4 cm，油的密度是0.851 g/cm3，求油滴所带的电荷量，这个电荷量是电子电荷量的多少倍？
[解析] 小油滴的质量m＝ρV＝ρ·πr3
由题意知mg＝Eq
由①②两式可得q＝＝
C≈
8．0×10－19 C
小油滴所带电荷量q是电子电荷量e的
＝5倍．
[答案] 8.0×10－19 C 5倍
课 堂 小 结
知 识 脉 络
1.英国物理学家汤姆生发现了电子.
2.组成阴极射线的粒子——电子.
3.密立根通过“油滴实验”精确测定了电子电荷量.
4.密立根实验发现：电荷是量子化的，即任何带电体的电荷只能是e的整数倍.
1．借助阴极射线管，我们看到的是 ( )
A．每个电子的运动轨迹
B．所有电子整体的运动轨迹
C．看到的是真实的电子
D．看到的是错误的假象
B [阴极射线管中不能看到每个电子的运动轨迹，借助阴极射线管，我们看到的是电子束的运动轨迹，即所有电子整体的运动轨迹，B选项正确．]
2．下列说法中正确的是( )
A．汤姆生精确地测出了电子电荷量
e＝1.602 177 33(49)×10－19 C
B．电子电荷量的精确值是汤姆生通过“油滴实验”测出的
C．汤姆生油滴实验更重要的发现是：电荷量是量子化的，即任何电荷量只能是e的整数倍
D．通过实验测得电子的比荷及电子电荷量e的值，就可以确定电子的质量
D [电子的电荷量是密立根通过“油滴实验”测出的，A、B、C错误．测出荷质比的值和电子电荷量e的值，可以确定电子的质量，故D正确．]
3．如图所示，让一束均匀的阴极射线以速率v垂直进入正交的电、磁场中，选择合适的磁感应强度B和电场强度E，带电粒子将不发生偏转，然后撤去电场，粒子将做匀速圆周运动，测得其半径为R，求阴极射线中带电粒子的荷质比．
[解析] 因为带电粒子在复合场中时不偏转，所以qE＝qvB，即v＝，撤去电场后，粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，则qvB＝m.由此可得＝.
[答案]
课件49张PPT。第三章 原子结构之谜第一节 敲开原子的大门阴极绿色荧光．射线高电压负电的 电场相同不同材料负磁场汤姆生密立根小得多氢离子×××√点击右图进入…Thank you for watching !课时分层作业(八)
(时间：20分钟 分值：50分)
一、选择题(本题共6小题，每小题6分，共36分)
1．已知X射线的“光子”不带电，假设阴极射线像X射线一样，则下列说法不正确的是( )
A．阴极射线管内的高电压不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．阴极射线通过磁场方向一定不会发生改变
D．阴极射线通过偏转电场能够改变方向
D [因为X射线的“光子”不带电，故电场、磁场对X射线不产生作用力，故选项A、B、C对，D错误．]
2．(多选)汤姆生对阴极射线的探究，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
AD [汤姆生通过阴极射线在电场和磁场中的运动得出了阴极射线是电子，任何物质中均有电子，A选项正确；电子在不同的物质中是相同的，B选项错误；质子质量是电子质量的1 836倍，C选项错误；汤姆生通过对不同材料的阴极发出的射线的研究，发现电子是原子的组成部分，是构成物质的基本单元，D选项正确．]
3．(多选)如图所示，关于高压的真空管，下列说法正确的是( )
A．加了高压的真空管中可以看到辉光放电现象
B．a端接负极，b端接正极
C．U1为高压电源，U2为低压电源
D．甲为环状物，乙为荧光中出现的阴影
BD [真空中不能发生辉光放电．U1为低压电源，U2为高压电源．]
4．关于电子的发现，下列叙述中不正确的是( )
A．电子的发现，说明原子是由电子和原子核组成的
B．电子的发现，说明原子具有一定的结构
C．电子是第一种被人类发现的微观粒子
D．电子的发现，比较好地解释了物体的带电现象
A [发现电子之前，人们认为原子是不可再分的最小粒子，电子的发现，说明原子有一定的结构，B正确；电子是人类发现的第一种微观粒子，C正确；物体带电的过程，就是电子的得失和转移的过程，D正确．]
5．密立根油滴实验装置如图所示，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( )
A．悬浮油滴带正电
B．悬浮油滴的电荷量为
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
C [带电油滴在两板间静止时，受竖直向下的重力和竖直向上的电场力，则油滴应带负电，A错误；qE＝mg，即q＝mg，所以q＝，B项错误；当E变大时，qE变大，原来悬浮的油滴所受合力向上，油滴向上运动，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．]
6．如图所示是阴极射线显像管及其偏转线圈的示意图．显像管中有一个阴极，工作时它能发射阴极射线，荧光屏被阴极射线轰击就能发光．安装在管颈的偏转线圈产生偏转磁场，可以使阴极射线发生偏转．下列说法中正确的是( )
A．如果偏转线圈中没有电流，则阴极射线应该打在荧光屏正中的O点
B．如果要使阴极射线在竖直方向偏离中心，打在荧光屏上A点，则偏转磁场的方向应该垂直纸面向里
C．如果要使阴极射线在竖直方向偏离中心，打在荧光屏上B点，则偏转磁场的方向应该垂直纸面向外
D．如果要使阴极射线在荧光屏上的位置由B点向A点移动，则偏转磁场强度应该先由小到大，再由大到小
A [偏转线圈中没有电流，阴极射线沿直线运动，打在O点，A正确．由阴极射线的电性及左手定则可知B、C错误；由R＝可知，B越小，R越大，故磁感应强度应先由大变小，再由小变大，故D错误．]
二、非选择题(14分)
7．带电粒子的电荷量与质量的比值称为荷质比．汤姆生当年用来测定电子荷质比的实验装置如图所示．真空玻璃管内的阴极K发出的电子经过加速电压加速后，形成细细的一束电子流．当极板C、D间不加偏转电压时，电子束将打在荧光屏上的O点；若在C、D间加上电压U，则电子束将打在荧光屏上的P点，P点与O点的竖直距离为h；若再在C、D极板间加一方向垂直于纸面向里、磁感应强度为B的匀强磁场，电子束又重新打在了O点．已知极板C、D的长度为L1，C、D间的距离为d，极板右端到荧光屏的距离为L2.不计电子重力影响．
(1)求电子打在荧光屏O点时速度的大小；
(2)①推导出电子荷质比的表达式(结果用题中给定的已知量的字母表示)；
②若L1＝5.00 cm，d＝1.50 cm，L2＝10.00 cm，偏转电压U＝200 V，磁感应强度B＝6.3×10－4 T，h＝3.0 cm.估算电子荷质比的数量级．
[解析] (1)加上磁场后，电子做匀速直线运动，evB＝eE
其中U＝Ed
联立解得v＝.
(2)①极板间只加电场时，电子在电场中做类平抛运动．
水平方向上做匀速直线运动，L1＝vt1
在竖直方向上做匀加速直线运动，加速度a＝
偏转距离y1＝at
离开极板区域时竖直方向的分速度vy＝at1
电子离开极板区域后做匀速直线运动，经t2时间到达荧光屏，t2＝
在时间t2内竖直方向上运动的距离为y2＝vyt2
根据几何关系可知，h＝y1＋y2
解得＝.
②代入数据知，电子荷质比的数量级为1011 C/kg.
[答案] (1) (2)① ②1011 C/kg
