高二物理人教版选修3-5学案 第十八章 1 电子的发现 Word版含解析
文档属性
| 名称 | 高二物理人教版选修3-5学案 第十八章 1 电子的发现 Word版含解析 |  | |
| 格式 | doc | ||
| 文件大小 | 551.5KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2020-10-20 14:37:37 | ||
图片预览
文档简介
第十八章 原子结构
1 电子的发现
电子的发现是与阴极射线的实验研究联系在一起的，而阴极射线的发现和研究是从真空放电现象开始的.1858年，德国物理学家普吕克在利用德国玻璃工盖斯勒发明的盖斯勒放电管研究气体放电时，发现对着阴极的管壁上出现了美丽的绿色荧光.1876年德国物理学家戈德斯坦证实这种绿色荧光是由阴极上所产生的某种射线射到玻璃上产生的，他把这种射线命名为“阴极射线”．“阴极射线”到底是什么？
提示：带负电的粒子流(高速电子流)．
这个问题曾引起了物理学界一场大争论．法国物理学家大多认为阴极射线是一种电磁波(以太波)，英国的物理学家则认为是一种带电粒子流，这一争论持续了二十年，促使许多物理学家进行了很多有意义的实验，推动了物理学的发展，这场争论最后由J.J.汤姆孙解决了，他用实验表明阴极射线就是带负电的粒子流．
这个丰富多彩的世界是由原子构成的．原子内部呈现的复杂的结构，不断地吸引着人们去探索．现在利用先进的手段已经能够“看到”或“拿起”一个原子，但在19世纪，实验手段和设备相当简陋，人类只能运用观测的现象推测原子内部的情景．汤姆孙在研究原子结构方面取得开拓性的成果．汤姆孙在当时是通过什么样的实验发现电子的呢？
提示：汤姆孙是在研究气体放电产生阴极射线的实验中发现电子的．
考点一 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，他认为这种射线的本质是一种电磁辐射．
(2)粒子说，代表人物——汤姆孙，他认为这种射线的本质是一种带电粒子流．
2．阴极射线带电性质的判断方法
阴极射线的本质是电子，在电场(或磁场)中所受电场力(或洛伦兹力)远大于所受重力，故研究电磁力对电子运动的影响时，一般不考虑重力的影响，其带电性质的判断方法如下：
(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．
【例1】 如图所示，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
先判断出直导线下方电流产生的磁场的方向，再由左手定则即可判断出阴极射线的偏转方向．
【答案】 D
【解析】 长直导线的电流方向向左，由安培定则可判定直导线下方所处磁场垂直纸面向外，由于电子从负极射出，根据左手定则可判定电子向上偏转，即阴极射线将向上偏转．
总结提能 本题综合考查了电流的磁场、左手定则以及阴极射线的产生和实质．
(多选)关于阴极射线，下列说法正确的是( BD )
A．阴极射线就是稀薄气体导电的辉光放电现象
B．阴极射线是在真空管内由阴极发生的电子流
C．阴极射线是组成物体的原子
D．阴极射线沿直线传播，但在电场、磁场中偏转
解析：阴极射线是原子受激发射出的电子；碰到荧光物质时，能使荧光物质发光；电子流在电场和磁场中会发生偏转．
考点二 带电粒子比荷的确定
1．电荷量的量子化
带电体所带电荷量具有量子化，即任何带电体所带电荷量只能是电子电荷量的整数倍，即q＝ne(n为自然数)．
2．比荷(或电荷量)的测定
根据电场、磁场对电子(带电粒子)的偏转测量比荷(或电荷量)，分以下两步：
(1)让粒子通过正交的电磁场(如图)，让其做直线运动，根据二力平衡，即F洛＝F电(Bqv＝qE)得到粒子的运动速度v＝.
(2)在其他条件不变的情况下，撤去电场(如图)，保留磁场让粒子单纯地在磁场中运动，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＝＝.
【例2】 在测阴极射线比荷的实验中，汤姆孙采用了如图所示的阴极射线管，从C出来的阴极射线经过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，阴极射线将向上偏转；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)荧光斑恰好回到荧光屏中心，接着再去掉电场．阴极射线向下偏转，偏转角为θ，试解决下列问题：
(1)说明阴极射线的带电性；
(2)说明图中磁场沿什么方向；
(3)根据L、E、B和θ，求出阴极射线的比荷．
由阴极射线在电场和磁场中受到的电场力和洛伦兹力的方向判断电性和磁场方向，利用两力的平衡关系，及阴极射线在磁场中做匀速圆周运动列方程求解比荷．
【答案】 (1)负电 (2)垂直纸面向里 (3)
【解析】 (1)由于阴极射线向上偏转，因此受电场力方向向上，又由于匀强电场方向向下，即电场力的方向与电场方向相反，所以阴极射线带负电．
(2)根据题意知，在D、E区加上磁场时，阴极射线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．
(3)当射线在D、E间做匀速直线运动时有：qE＝Bqv.
当射线在D、E间的磁场中发生偏转时，有Bqv＝，同时又有：L＝r·sinθ，如图．可得：＝.
总结提能 (1)带电粒子在匀强电场中做类平抛运动，可利用运动的分解、运动学公式、牛顿运动定律列出相应的关系．
(2)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，要注意通过画轨迹示意图确定圆心位置，利用几何知识求其半径．
(3)带电粒子通过互相垂直的匀强电磁场时，可使其做匀速直线运动，根据qE＝qvB可求其速度．
解决此类问题，要在熟练掌握各部分知识的基础上灵活解答．
为了测定带电粒子的比荷，让这个带电粒子垂直电场方向飞进平行金属板间，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于电场方向的匀强磁场，磁场方向垂直于粒子的入射方向，磁感应强度为B，则粒子恰好不偏离原来的方向，求q/m为多少？
答案：
解析：设带电粒子以v0跟电场垂直进入匀强电场，则
d＝at2＝()2 ①
此带电粒子垂直入射到正交的电磁场区域时不发生偏转，由平衡条件qE＝qv0B，得v0＝ ②
由①②两式得＝.解得＝.
重难疑点辨析
密立根油滴实验测量电子带的电荷量
1．密立根实验的原理
(1)如图所示，两块平行放置的水平金属板A、B与电源相连接，使A板带正电，B板带负电．从喷雾器嘴喷出的小油滴经上面的金属板中间的小孔，落到两板之间的匀强电场E中．
(2)小油滴由于摩擦而带负电，调节A、B两板间的电压，可以使小油滴在两板之间静止或做匀速直线运动，忽略空气阻力，此时油滴所受的电场力和重力平衡，即mg＝Eq，则电荷的电荷量q＝.
实验发现，q一定是某个最小电荷量的整数倍，这个最小的电荷量就是电子的电荷量，即e＝1.602 177 33×10－19 C.
2．密立根实验更重要的发现
电荷量是量子化的，即任何电荷的电荷量只能是元电荷e的整数倍，并求得了元电荷即电子所带的电荷量e.
【典例】 图中，在A板上方用喷雾器将油滴喷出，若干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＝________.
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＝.油滴带的电荷量是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
实际调节电压使油滴静止是很困难的，故实际测量需使油滴匀速运动，测出油滴匀速下降、上升的速度v1、v2，再求油滴带的电荷量．
1．下面对阴极射线的认识正确的是( D )
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；可以穿透薄铝片的，可能是电磁波，也可能是更小的粒子，C错误．
2．(多选)关于电荷量，下列说法中正确的是( BCD )
A．物体所带电荷量可以是任意值
B．物体所带电荷量只能是某些值
C．物体所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：电荷量是量子化的，即物体的带电荷量只能是某一最小电荷量的整数倍，这一最小电荷量是1.6×10－19 C，A错误，B、C正确；物体带正电，是由于它失去了带负电的电子，D正确．
3．带电微粒所带的电荷量不可能是下列值中的( A )
A．2.4×10－19 C B．－6.4×10－19 C
C．－1.6×10－18 C D．4.0×10－17 C
解析：任何带电体的电荷量都只能是元电荷的整数倍，元电荷电荷量为e＝1.6×10－19 C，选项A中电荷量为元电荷的3/2倍，B中电荷量为元电荷的4倍，C中电荷量为元电荷的10倍，D中电荷量为元电荷的250倍．也就是说B、C、D选项中的电荷量数值均是元电荷的整数倍，所以只有选项A是不可能的．
4．如图所示为电视机显像管的偏转线圈示意图，圆心黑点表示从电子枪垂直于纸面射出的电子，它的方向由纸内指向纸外，当偏转线圈通以图示方向的电流时，电子束应( D )
A．向左偏转 B．向下偏转
C．向右偏转 D．向上偏转
解析：由安培定则可判定上、下螺旋管的N极都在右方，S极都在左方，考虑到电子带负电，用左手定则，不难判断出，电子受洛伦兹力的方向向上，即电子束向上偏转，故正确选项为D.
5．阴极射线是从阴极射线管的阴极发出的高速运动的粒子流．若在如图所示的阴极射线管中部加上竖直向上的匀强电场，阴极射线将向下(选填“外”“里”“上”或“下”)偏转；若使阴极射线不偏转，可在匀强电场区域再加一大小合适、方向垂直纸面向外(选填“外”或“里”)的匀强磁场．
解析：阴极射线带负电，在竖直向上的匀强电场中受向下的库仑力作用，将向下偏转；要使阴极射线不偏转，应使其再受一竖直向上的洛伦兹力与库仑力平衡，由左手定则可判断磁场方向垂直纸面向外．
1 电子的发现
电子的发现是与阴极射线的实验研究联系在一起的，而阴极射线的发现和研究是从真空放电现象开始的.1858年，德国物理学家普吕克在利用德国玻璃工盖斯勒发明的盖斯勒放电管研究气体放电时，发现对着阴极的管壁上出现了美丽的绿色荧光.1876年德国物理学家戈德斯坦证实这种绿色荧光是由阴极上所产生的某种射线射到玻璃上产生的，他把这种射线命名为“阴极射线”．“阴极射线”到底是什么？
提示：带负电的粒子流(高速电子流)．
这个问题曾引起了物理学界一场大争论．法国物理学家大多认为阴极射线是一种电磁波(以太波)，英国的物理学家则认为是一种带电粒子流，这一争论持续了二十年，促使许多物理学家进行了很多有意义的实验，推动了物理学的发展，这场争论最后由J.J.汤姆孙解决了，他用实验表明阴极射线就是带负电的粒子流．
这个丰富多彩的世界是由原子构成的．原子内部呈现的复杂的结构，不断地吸引着人们去探索．现在利用先进的手段已经能够“看到”或“拿起”一个原子，但在19世纪，实验手段和设备相当简陋，人类只能运用观测的现象推测原子内部的情景．汤姆孙在研究原子结构方面取得开拓性的成果．汤姆孙在当时是通过什么样的实验发现电子的呢？
提示：汤姆孙是在研究气体放电产生阴极射线的实验中发现电子的．
考点一 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，他认为这种射线的本质是一种电磁辐射．
(2)粒子说，代表人物——汤姆孙，他认为这种射线的本质是一种带电粒子流．
2．阴极射线带电性质的判断方法
阴极射线的本质是电子，在电场(或磁场)中所受电场力(或洛伦兹力)远大于所受重力，故研究电磁力对电子运动的影响时，一般不考虑重力的影响，其带电性质的判断方法如下：
(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．
【例1】 如图所示，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
先判断出直导线下方电流产生的磁场的方向，再由左手定则即可判断出阴极射线的偏转方向．
【答案】 D
【解析】 长直导线的电流方向向左，由安培定则可判定直导线下方所处磁场垂直纸面向外，由于电子从负极射出，根据左手定则可判定电子向上偏转，即阴极射线将向上偏转．
总结提能 本题综合考查了电流的磁场、左手定则以及阴极射线的产生和实质．
(多选)关于阴极射线，下列说法正确的是( BD )
A．阴极射线就是稀薄气体导电的辉光放电现象
B．阴极射线是在真空管内由阴极发生的电子流
C．阴极射线是组成物体的原子
D．阴极射线沿直线传播，但在电场、磁场中偏转
解析：阴极射线是原子受激发射出的电子；碰到荧光物质时，能使荧光物质发光；电子流在电场和磁场中会发生偏转．
考点二 带电粒子比荷的确定
1．电荷量的量子化
带电体所带电荷量具有量子化，即任何带电体所带电荷量只能是电子电荷量的整数倍，即q＝ne(n为自然数)．
2．比荷(或电荷量)的测定
根据电场、磁场对电子(带电粒子)的偏转测量比荷(或电荷量)，分以下两步：
(1)让粒子通过正交的电磁场(如图)，让其做直线运动，根据二力平衡，即F洛＝F电(Bqv＝qE)得到粒子的运动速度v＝.
(2)在其他条件不变的情况下，撤去电场(如图)，保留磁场让粒子单纯地在磁场中运动，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＝＝.
【例2】 在测阴极射线比荷的实验中，汤姆孙采用了如图所示的阴极射线管，从C出来的阴极射线经过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，阴极射线将向上偏转；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)荧光斑恰好回到荧光屏中心，接着再去掉电场．阴极射线向下偏转，偏转角为θ，试解决下列问题：
(1)说明阴极射线的带电性；
(2)说明图中磁场沿什么方向；
(3)根据L、E、B和θ，求出阴极射线的比荷．
由阴极射线在电场和磁场中受到的电场力和洛伦兹力的方向判断电性和磁场方向，利用两力的平衡关系，及阴极射线在磁场中做匀速圆周运动列方程求解比荷．
【答案】 (1)负电 (2)垂直纸面向里 (3)
【解析】 (1)由于阴极射线向上偏转，因此受电场力方向向上，又由于匀强电场方向向下，即电场力的方向与电场方向相反，所以阴极射线带负电．
(2)根据题意知，在D、E区加上磁场时，阴极射线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．
(3)当射线在D、E间做匀速直线运动时有：qE＝Bqv.
当射线在D、E间的磁场中发生偏转时，有Bqv＝，同时又有：L＝r·sinθ，如图．可得：＝.
总结提能 (1)带电粒子在匀强电场中做类平抛运动，可利用运动的分解、运动学公式、牛顿运动定律列出相应的关系．
(2)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，要注意通过画轨迹示意图确定圆心位置，利用几何知识求其半径．
(3)带电粒子通过互相垂直的匀强电磁场时，可使其做匀速直线运动，根据qE＝qvB可求其速度．
解决此类问题，要在熟练掌握各部分知识的基础上灵活解答．
为了测定带电粒子的比荷，让这个带电粒子垂直电场方向飞进平行金属板间，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于电场方向的匀强磁场，磁场方向垂直于粒子的入射方向，磁感应强度为B，则粒子恰好不偏离原来的方向，求q/m为多少？
答案：
解析：设带电粒子以v0跟电场垂直进入匀强电场，则
d＝at2＝()2 ①
此带电粒子垂直入射到正交的电磁场区域时不发生偏转，由平衡条件qE＝qv0B，得v0＝ ②
由①②两式得＝.解得＝.
重难疑点辨析
密立根油滴实验测量电子带的电荷量
1．密立根实验的原理
(1)如图所示，两块平行放置的水平金属板A、B与电源相连接，使A板带正电，B板带负电．从喷雾器嘴喷出的小油滴经上面的金属板中间的小孔，落到两板之间的匀强电场E中．
(2)小油滴由于摩擦而带负电，调节A、B两板间的电压，可以使小油滴在两板之间静止或做匀速直线运动，忽略空气阻力，此时油滴所受的电场力和重力平衡，即mg＝Eq，则电荷的电荷量q＝.
实验发现，q一定是某个最小电荷量的整数倍，这个最小的电荷量就是电子的电荷量，即e＝1.602 177 33×10－19 C.
2．密立根实验更重要的发现
电荷量是量子化的，即任何电荷的电荷量只能是元电荷e的整数倍，并求得了元电荷即电子所带的电荷量e.
【典例】 图中，在A板上方用喷雾器将油滴喷出，若干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＝________.
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＝.油滴带的电荷量是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
实际调节电压使油滴静止是很困难的，故实际测量需使油滴匀速运动，测出油滴匀速下降、上升的速度v1、v2，再求油滴带的电荷量．
1．下面对阴极射线的认识正确的是( D )
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；可以穿透薄铝片的，可能是电磁波，也可能是更小的粒子，C错误．
2．(多选)关于电荷量，下列说法中正确的是( BCD )
A．物体所带电荷量可以是任意值
B．物体所带电荷量只能是某些值
C．物体所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：电荷量是量子化的，即物体的带电荷量只能是某一最小电荷量的整数倍，这一最小电荷量是1.6×10－19 C，A错误，B、C正确；物体带正电，是由于它失去了带负电的电子，D正确．
3．带电微粒所带的电荷量不可能是下列值中的( A )
A．2.4×10－19 C B．－6.4×10－19 C
C．－1.6×10－18 C D．4.0×10－17 C
解析：任何带电体的电荷量都只能是元电荷的整数倍，元电荷电荷量为e＝1.6×10－19 C，选项A中电荷量为元电荷的3/2倍，B中电荷量为元电荷的4倍，C中电荷量为元电荷的10倍，D中电荷量为元电荷的250倍．也就是说B、C、D选项中的电荷量数值均是元电荷的整数倍，所以只有选项A是不可能的．
4．如图所示为电视机显像管的偏转线圈示意图，圆心黑点表示从电子枪垂直于纸面射出的电子，它的方向由纸内指向纸外，当偏转线圈通以图示方向的电流时，电子束应( D )
A．向左偏转 B．向下偏转
C．向右偏转 D．向上偏转
解析：由安培定则可判定上、下螺旋管的N极都在右方，S极都在左方，考虑到电子带负电，用左手定则，不难判断出，电子受洛伦兹力的方向向上，即电子束向上偏转，故正确选项为D.
5．阴极射线是从阴极射线管的阴极发出的高速运动的粒子流．若在如图所示的阴极射线管中部加上竖直向上的匀强电场，阴极射线将向下(选填“外”“里”“上”或“下”)偏转；若使阴极射线不偏转，可在匀强电场区域再加一大小合适、方向垂直纸面向外(选填“外”或“里”)的匀强磁场．
解析：阴极射线带负电，在竖直向上的匀强电场中受向下的库仑力作用，将向下偏转；要使阴极射线不偏转，应使其再受一竖直向上的洛伦兹力与库仑力平衡，由左手定则可判断磁场方向垂直纸面向外．