2.1电子的发现与汤姆孙模型 课件—20202021学年鲁科版高中物理选修3-5（40张PPT）

第一节 电子的发现
引言：物质结构的早期探究
我国西周时期的五行说：金、木、水、火、土
大千世界（宇宙）是由什么构成的？
古希腊的亚里士多德认为：万物的本质是
土、水、火、空气4种“元素”，
天体则由第五种元素———以太构成
古希腊学者德谟克利特等人认为宇宙间存在一种或多种微小的实体，这个实体叫做“原子”，原子密不可分，这些原子在虚空中运动，并可按照不同的方式重新结合或分散。
我国战国时期的思想家墨子认为物体是由不可分割的最小单元——“端”构成
1661年，玻意耳以化学实验为基础建立科学的元素论，
认为只有那些不能用化学方法再分解的简单物质才是
元素，各种元素存在着不同的原子。
19世纪初，道尔顿提出原子论。
1811年，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。
宏观物质的化学性质决定于分子，分子则由原子构成，原子是构成物质的不可分再分的最小颗粒
原子真的不可再分了吗？
???19世纪末，在对气体放电现象的研究中，科学家发现了电子。从而得出：原子是可以分割的，是由更小的微粒组成的。
演示实验
1858 年德国物理学家普吕克尔较早发现了气体导电时的辉光放电现象。
1876 年德国物理学家戈德斯坦认为管壁上的荧光是由于玻璃受到的阴极发出的某种射线的撞击而引起的，并把这种未知射线称之为阴极射线。
一、阴极射线
???
19世纪末，在对气体放电现象的研究中，科学家发现了电子。
8
原子是可以分割的，是由更小的微粒组成的。
早在1858年，德国物理学家普吕克尔利用低压气体放电管研究气体放电时发现一种奇特的现象。
1876年德国物理学家戈德斯坦研究后命名为阴极射线
一、阴极射线的发现
1、阴极射线管是从有名的盖斯勒管发展起来的。
2、阴极射线管有两个电极：阴极与阳极。
3、管内被抽成了接近真空状态，当向两极与感应线圈连接加上高压电时，两极之间形成强大的电场，可以加速电子，然后阴极就可以向阳极发射阴极射线了。
4、阴极射线打在管内稀薄空气上可以发出神奇的光现象，这就是无声的电放射。
实验介绍
代表人物，赫兹。认为这种射线的本质是一种电磁波的传播过程。
电磁波说
代表人物，汤姆孙。认为这种射线的本质是一种高速粒子流。
粒子说
那么，阴极射线的本质是什么？电子的发现经历了怎样的曲折历程？
阴极射线的本质
思考与讨论：
1.怎么设计实验探究阴极射线是否带电？
2.根据带电粒子在电、磁场中的运动规律，哪些方法可以判断运动的带电粒子所带电荷的正负号？
一种认为阴极射线是电磁辐射？
一种认为阴极射线是带电微粒？
英国物理学家J.J.汤姆孙自1890年起开始研究，对阴极射线进行了一系列的实验研究。他认为阴极射线是带电粒子流。
实验验证
二、电子的发现
英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子。实验装置如图所示：
阅读教材47页最后一段到48页最后一段：回答
1、认识实验装置的作用，分析阴极射线的运动情况。
实验装置
（1）K、A部分产生阴极射线
（2）A、B只让水平运动的阴极射线通过
（3）D1、D2之间加电场或磁场检测阴极射线是否带电和带电性质
（4）荧光屏显示阴极射线到达的位置，对阴极射线的偏转做定量的测定
K
在真空度高的放电管中，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来说，粒子还可能来自管中的气体。
汤姆孙的气体放电管的示意图
带电粒子的电荷量与其质量之比——比荷q/m，是一个重要的物理量。根据带电粒子在电场和磁场中受力的情况，可以得出组成阴极射线的微粒的比荷。建议你依照下面的提示自己算一算。
1. 当金属板D1、D2之间未加电场时，射线不偏转，射在屏上P1点。施加电场E之后，射线发生偏转并射到屏上P2处。由此可以推断阴极射线带有什么性质的电荷？
汤姆孙的气体放电管的示意图
思考与讨论：
负电
2. 如果要抵消阴极射线的偏转，使它从P2点回到 P1，需要在两块金属板之间的区域再施加一个大小、方向合适的磁场，这个磁场的方向是？

写出此时每个阴极射线微粒（质量为m，速度为v）受到的洛仑兹力和电场力。你能求出阴极射线的速度v的表达式吗？
汤姆孙的气体放电管的示意图
F=eE
f=evB
垂直于纸面向外
eE=evB
3.由于金属板D1、D2间的距离是已知的，两板间的电压是可测量的，所以两板间的电场强度E也是已知量。磁感应强度B可以由电流的大小算出，同样按已知量处理。
汤姆孙的气体放电管的示意图
4. 如果去掉D1、D2间的电场E，只保留磁场B，磁场方向与射线运动方向垂直。阴极射线在有磁场的区域将会形成一个半径为r的圆弧(r可以通过P3的位置算出)
汤姆孙的气体放电管的示意图
实验结论
1897年，汤姆孙得出阴极射线的本质是带负电的粒子流并求出了这种粒子的比荷。
荷质比约为氢离子比荷的2000倍。
是电荷比氢离子大？还是质量比氢离子小？
汤姆孙猜测：这可能表示阴极射线粒子电荷量的大小与一个氢离子一样，而质量比氢离子小得多。
后来汤姆孙测得了这种粒子的电荷量与氢离子电荷量大致相同，由此可以看出他当初的猜测是正确的。后来阴极射线的粒子被称为电子。
实验结论分析
当汤姆孙在测定比荷实验时发现，用不同材料的阴极做实验，所发出射线的粒子都有相同的比荷，这表明什么？
这说明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。
进一步拓展研究对象：用不同的材料做成的阴极做实验，做光电效应实验、热离子发射效应实验、β射线（研究对象普遍化）。
电子是原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元。
电子
电子的电荷量是多少？由谁测量出的？电子电量的发现说明了什么？
第一次较为精确测量出电子电荷量的是美国物理学家密立根利用油滴实验测量出的。
三、密立根油滴实验
?
在19世纪末年，物理学有三项重大的实验发现，这就是X射线、放射性和电子。

电子的发现具有更伟大的意义，因为这一事件使人们认识到自然界还有比原子更小的实物。电子的发现打开了通向原子物理学的大门 ,人们开始研究原子的结构 .

汤姆孙被科学界誉为“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。
电子发现的历史影响
小结：

1.阴极射线是由电子组成的。
电子是原子的组成部分。
2.知道电荷是量子化的。
3.电子发现的重大意义。
阅读P49页 科学足迹
在科学研究中只做实验是不够的， 研究并不只是揭露事实，创造性的发现需要洞察力。
习题：
1．关于阴极射线的本质，下列说法正确的是（ ）
A．阴极射线的本质是氢原子
B．阴极射线的本质是电磁波
C．阴极射线的本质是电子
D．阴极射线的本质是X射线
C
基础巩固
2．关于阴极射线的性质，判断正确的是(　　)
A．阴极射线带负电
B．阴极射线带正电
C．阴极射线的比荷比氢原子比荷大
D．阴极射线的比荷比氢原子比荷小
解析：通过让阴极射线在电场、磁场中的偏转的研究发现阴极射线带负电，而且比荷比氢原子的比荷大得多，故A、C正确．
答案：AC
3. 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，发现射线径迹向下偏，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
A
B
BC
4.关于电子的发现者，下列说法正确的是(　　)
A．英国的汤姆孙
B．德国的普吕克尔
C．德国的戈德斯坦
D．美国的密立根
A
5、关于密立根“油滴实验”的科学意义，下列说法正确的是( )
A．测得了电子的电荷量
B．提出了电荷分布的量子化观点
C．为电子质量的最终获得作出了突出贡献
D．为人类进一步研究原子的结构提供了一定的理论依据
ABCD
6：示波管中电子枪的原理图如图。管内为真空，A为发射热电子的阴极，K为阳极，A、K间电压为U。电子离开阴极是速度可以忽略，电子经加速后从K的小孔中射出时的速度大小为v，下面说法正确的是：( ) A、如果A、K间距离减半，电压U、不变，则离开时速率变为2v B、如果A、K间距离减半，电压U、不变，则离开时速率变为v/2 C、如果A、K间距离不变，电压U减半，则离开时速率变为2v D、如果A、K间距离不变，电压U减半，则离开时速率变为0.707v
A
K
U
D
qU= mv2
v=
7.有一电子(电荷量为 e )经电压为 U0 的电场加速后，进入两块间距为 d，电压为 U 的平行金属板间，若电子从两板正中间垂直电场方向射入，且正好能穿过电场，求：
(1) 金属板 AB 的长度;
(2) 电子穿出电场时的动能。
+
－
A
B
U0
v0
+
+
+
－
－
－
(1)
(2)
作业布置：P50. 2， 3，4

汤姆生用来测定电子的比荷(电子的电荷量与质量之比)的实验装置如下图所示．真空管内的阴极K发生的电子(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′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(如下图所示)．
(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．
解析：(1)当电子受到的电场力与洛伦兹力平衡时，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evB＝eE，得：v＝ ，即v＝ .
(2)当极板间仅有偏转电场时，电子以速度v进入后，竖直方向做匀加速运动，加速度为a＝ .
电子在水平方向做匀速运动，在电场内的运动时间为t1＝ .
这样，电子在电场中，竖直向上偏转的距离为：
d1＝ at12＝
离开电场时竖直向上的分速度为：v⊥＝at1＝ .
电子离开电场后做匀速直线运动，经t2时间到达荧光屏：t2＝ .
t2时间内向上运动的距离为：d2＝v⊥t2＝ .
这样，电子向上的总偏转距离为：
d＝d1＋d2＝ ，
可解得： ＝
答案：(1) 　(2)