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高中物理1 电子的发现学案
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这是一份高中物理1 电子的发现学案，共8页。
一、阴极射线
1．实验装置
真空玻璃管、阴极、阳极和感应圈．
2．实验现象
感应圈产生的高电压加在两极之间，玻璃管壁上发出B(A.阴极射线 B．荧光)．
3．阴极射线
荧光是由于玻璃受到阴极发出的某种射线的撞击而引起的，这种射线命名为阴极射线．
二、电子的发现
1．汤姆孙的探究方法及结论
(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比荷．
(2)换用不同材料的阴极做实验，所得比荷的数值都相同，是氢离子比荷的近两千倍．
(3)结论：阴极射线粒子带负电，其电荷量的大小与氢离子大致相同，而质量比氢离子小得多，后来组成阴极射线的粒子被称为电子．
2．汤姆孙的进一步研究
汤姆孙又进一步研究了许多新现象，证明了电子是原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元．
3．电子的电荷量及电荷量子化
(1)电子电荷量：1910年前后由密立根通过著名的eq \x(油滴实验)得出，电子电荷的现代值为e＝1.602×10－19 C.
(2)电荷是量子化的，即任何带电体的电荷只能是e的整数倍．
(3)电子的质量：me＝9.109 389 7×10－31 kg，质子质量与电子质量的比eq \f(mp,me)＝1 836.
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)阴极射线是由真空玻璃管中的感应圈发出的．(×)
(2)阴极射线撞击玻璃管壁会发出荧光．(√)
(3)阴极射线实际上是高速运动的电子流．(√)
(4)电子的电荷量是汤姆孙首先精确测定的．(×)
2．阴极射线管中加高电压的作用是( )
A．使管内的气体电离
B．使阴极发出阴极射线
C．使管内障碍物的电势升高
D．使管内产生强电场，电场力做功使电子加速
[解析] 在阴极射线管中，阴极射线是由阴极处于炽热状态而发射出的电子流，B错误；阴极发射出的电子流通过高电压加速后，获得较高的能量，与玻璃壁发生撞击而产生荧光，故A、C错，D正确．
[答案] D
3．(多选)关于电荷的电荷量下列说法正确的是( )
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] 密立根的油滴实验测出了电子的电荷量为1.6×10－19 C，并提出了电荷量子化的观点，因而A对，B错，C对；任何物体的电荷量都是e的整数倍，故D对．
[答案] ACD
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——汤姆孙，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)英国物理学家汤姆孙通过对阴极射线的实验研究发现( )
A．阴极射线在电场中偏向正极板一侧
B．阴极射线在磁场中受力情况跟正电荷受力情况相同
C．不同材料所产生的阴极射线的比荷不同
D．汤姆孙并未得出阴极射线粒子的电荷量
[解析] 阴极射线实质上就是高速电子流，所以在电场中偏向正极板一侧，选项A正确；由于电子带负电，所以其受力情况与正电荷不同，选项B错误；不同材料所产生的阴极射线都是电子流，所以它们的比荷是相同的，选项C错误；在汤姆孙实验证实阴极射线就是带负电的电子流时并未得出电子的电荷量，最早测量电子电荷量的是美国科学家密立根，选项D正确．
[答案] AD
1．关于阴极射线，下列说法正确的是( )
A．阴极射线就是稀薄气体导电时的辉光放电现象
B．阴极射线是在真空管内由正极放出的电子流
C．阴极射线是由德国物理学家戈德斯坦命名的
D．阴极射线的比荷比氢原子的比荷小
[解析] 阴极射线是在真空管中由负极发出的电子流，故AB错误；最早由德国物理学家戈德斯坦在1876年提出并命名为阴极射线，故C正确；阴极射线本质是电子流，故其比荷比氢原子的比荷大得多，故D错误．
[答案] C
1．电子比荷(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(Bqv＝qE)得到电子的运动速度v＝eq \f(E,B).
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Bqv＝eq \f(mv2,r)，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径r，则由qvB＝meq \f(v2,r)得eq \f(q,m)＝eq \f(v,Br)＝eq \f(E,B2r).
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.
(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＝eq \f(U,b)e，得v＝eq \f(U,Bb)
即打到荧光屏O点的电子速度的大小为eq \f(U,Bb).
(2)由d＝eq \f(1,2)eq \f(Ue,bm)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(L1,v)))eq \s\up12(2)＋eq \f(Ue,bm)eq \f(L1,v)·eq \f(L2,v)可得
eq \f(e,m)＝eq \f(2dbv2,UL1L1＋2L2)＝eq \f(2dU,B2bL1L1＋2L2).
[答案] (1)eq \f(U,Bb) (2)eq \f(2dU,B2bL1L1＋2L2)
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．
2．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＝________.
[解析] 由平衡条件得mg＝qeq \f(U,d)，解得q＝eq \f(mgd,U).
[答案] eq \f(mgd,U)
1．(多选)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
[解析] 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．
[答案] ABC
2．(多选)汤姆孙通过对阴极射线的探究，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．不同物质中的电子是相同的
D．电子质量是质子质量的1 836倍
[解析] 汤姆孙对不同材料的阴极发出的射线进行研究，发现均为同一种相同的粒子——即电子，它的质量远小于质子的质量；由此可知A、C正确，B、D错误．
[答案] AC
3．(多选)关于电子的发现，下列叙述中正确的是( )
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
[解析] 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．
[答案] BCD
4．(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，发现射线径迹向下偏转，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转，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] 阴极射线的粒子是电子带负电，由左手定则判断管内磁场方向为垂直于纸面向里．由安培定则判断AB中电流的方向由B流向A.A项错误，B项正确；电流方向改变，管内的磁场方向改变，电子的受力方向也改变，C正确，D错误．
[答案] BC
对阴极射线的理解
电子的发现及比荷的测定
课 堂 小 结
知 识 脉 络
1.英国物理学家汤姆孙发现了电子.
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.
一、阴极射线
1．实验装置
真空玻璃管、阴极、阳极和感应圈．
2．实验现象
感应圈产生的高电压加在两极之间，玻璃管壁上发出B(A.阴极射线 B．荧光)．
3．阴极射线
荧光是由于玻璃受到阴极发出的某种射线的撞击而引起的，这种射线命名为阴极射线．
二、电子的发现
1．汤姆孙的探究方法及结论
(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比荷．
(2)换用不同材料的阴极做实验，所得比荷的数值都相同，是氢离子比荷的近两千倍．
(3)结论：阴极射线粒子带负电，其电荷量的大小与氢离子大致相同，而质量比氢离子小得多，后来组成阴极射线的粒子被称为电子．
2．汤姆孙的进一步研究
汤姆孙又进一步研究了许多新现象，证明了电子是原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元．
3．电子的电荷量及电荷量子化
(1)电子电荷量：1910年前后由密立根通过著名的eq \x(油滴实验)得出，电子电荷的现代值为e＝1.602×10－19 C.
(2)电荷是量子化的，即任何带电体的电荷只能是e的整数倍．
(3)电子的质量：me＝9.109 389 7×10－31 kg，质子质量与电子质量的比eq \f(mp,me)＝1 836.
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)阴极射线是由真空玻璃管中的感应圈发出的．(×)
(2)阴极射线撞击玻璃管壁会发出荧光．(√)
(3)阴极射线实际上是高速运动的电子流．(√)
(4)电子的电荷量是汤姆孙首先精确测定的．(×)
2．阴极射线管中加高电压的作用是( )
A．使管内的气体电离
B．使阴极发出阴极射线
C．使管内障碍物的电势升高
D．使管内产生强电场，电场力做功使电子加速
[解析] 在阴极射线管中，阴极射线是由阴极处于炽热状态而发射出的电子流，B错误；阴极发射出的电子流通过高电压加速后，获得较高的能量，与玻璃壁发生撞击而产生荧光，故A、C错，D正确．
[答案] D
3．(多选)关于电荷的电荷量下列说法正确的是( )
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] 密立根的油滴实验测出了电子的电荷量为1.6×10－19 C，并提出了电荷量子化的观点，因而A对，B错，C对；任何物体的电荷量都是e的整数倍，故D对．
[答案] ACD
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——汤姆孙，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)英国物理学家汤姆孙通过对阴极射线的实验研究发现( )
A．阴极射线在电场中偏向正极板一侧
B．阴极射线在磁场中受力情况跟正电荷受力情况相同
C．不同材料所产生的阴极射线的比荷不同
D．汤姆孙并未得出阴极射线粒子的电荷量
[解析] 阴极射线实质上就是高速电子流，所以在电场中偏向正极板一侧，选项A正确；由于电子带负电，所以其受力情况与正电荷不同，选项B错误；不同材料所产生的阴极射线都是电子流，所以它们的比荷是相同的，选项C错误；在汤姆孙实验证实阴极射线就是带负电的电子流时并未得出电子的电荷量，最早测量电子电荷量的是美国科学家密立根，选项D正确．
[答案] AD
1．关于阴极射线，下列说法正确的是( )
A．阴极射线就是稀薄气体导电时的辉光放电现象
B．阴极射线是在真空管内由正极放出的电子流
C．阴极射线是由德国物理学家戈德斯坦命名的
D．阴极射线的比荷比氢原子的比荷小
[解析] 阴极射线是在真空管中由负极发出的电子流，故AB错误；最早由德国物理学家戈德斯坦在1876年提出并命名为阴极射线，故C正确；阴极射线本质是电子流，故其比荷比氢原子的比荷大得多，故D错误．
[答案] C
1．电子比荷(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(Bqv＝qE)得到电子的运动速度v＝eq \f(E,B).
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Bqv＝eq \f(mv2,r)，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径r，则由qvB＝meq \f(v2,r)得eq \f(q,m)＝eq \f(v,Br)＝eq \f(E,B2r).
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.
(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＝eq \f(U,b)e，得v＝eq \f(U,Bb)
即打到荧光屏O点的电子速度的大小为eq \f(U,Bb).
(2)由d＝eq \f(1,2)eq \f(Ue,bm)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(L1,v)))eq \s\up12(2)＋eq \f(Ue,bm)eq \f(L1,v)·eq \f(L2,v)可得
eq \f(e,m)＝eq \f(2dbv2,UL1L1＋2L2)＝eq \f(2dU,B2bL1L1＋2L2).
[答案] (1)eq \f(U,Bb) (2)eq \f(2dU,B2bL1L1＋2L2)
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．
2．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＝________.
[解析] 由平衡条件得mg＝qeq \f(U,d)，解得q＝eq \f(mgd,U).
[答案] eq \f(mgd,U)
1．(多选)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
[解析] 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．
[答案] ABC
2．(多选)汤姆孙通过对阴极射线的探究，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．不同物质中的电子是相同的
D．电子质量是质子质量的1 836倍
[解析] 汤姆孙对不同材料的阴极发出的射线进行研究，发现均为同一种相同的粒子——即电子，它的质量远小于质子的质量；由此可知A、C正确，B、D错误．
[答案] AC
3．(多选)关于电子的发现，下列叙述中正确的是( )
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
[解析] 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．
[答案] BCD
4．(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，发现射线径迹向下偏转，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转，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] 阴极射线的粒子是电子带负电，由左手定则判断管内磁场方向为垂直于纸面向里．由安培定则判断AB中电流的方向由B流向A.A项错误，B项正确；电流方向改变，管内的磁场方向改变，电子的受力方向也改变，C正确，D错误．
[答案] BC
对阴极射线的理解
电子的发现及比荷的测定
课 堂 小 结
知 识 脉 络
1.英国物理学家汤姆孙发现了电子.
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.
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