1、1电子的发现目标导航 学习目标 1.知道阴极射线是由电子组成的,电子是原子的组成部分,是比原子更基本的物质单元。2.体会电子的发现过程中蕴含的科学方法。3.能说出汤姆孙是如何测定电子比荷的,记住电子的电荷量和质量。4.明白电荷是量子化的,即任何电荷只能是元电荷 e 的整数倍。重点难点 重点:阴极射线的实质。难点:电子质量的测定方法。激趣诱思在彩色电视机的显像管中,从电子枪射出的电子在 2104 V 的高压下被加速,并且形成 1 mA 的平均电流,电子束的强弱受图像信号控制,并按一定的规律在荧光屏上扫描,形成电视画面。电视机以每秒显现25张画面的速度进行扫描,由于画面更换迅速和视觉暂留,我们便看
2、到了活动的景像,如图所示。电子是谁发现的?具有何意义?简答:电子是由英国科学家汤姆孙发现的,电子的发现说明原子具有一定的结构,也就是说原子是由电子和其他物质组成,电子的发现是 19 世纪末的三大著名发现之一。预习导引一、阴极射线1.阴极射线科学家用真空度很高的真空管做放电实验时,发现真空管阴极发射出的一种射线,叫作阴极射线。2.阴极射线的产生阴极射线是一种带负电的粒子流。英国物理学家汤姆孙使阴极射线在磁场和电场中产生偏转,来确定射线微粒的带电性质。3.阴极射线的特点(1)在真空中沿直线传播;(2)碰到物体可使物体发出荧光。预习交流 1怎样用实验的方法判断阴极射线的电性?答案:为了研究阴极射线的
3、带电性质,汤姆孙设计了如图所示的装置。从阴极发出的阴极射线,经过与阳极相连的小孔,射到管壁上,产生荧光斑点;用磁铁使射线偏转,进入集电圆筒;用静电计检测的结果表明,收集到的是负电荷。二、电子的发现1.汤姆孙的探究方法及结论汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转判定,它的本质是带负电的粒子流,并求出了这种粒子的比荷。汤姆孙用不同材料的阴极和不同的气体做实验,所得的比荷都是相同的,是氢离子比荷的近千倍。汤姆孙直接测量了阴极射线粒子的电荷量,得到这种粒子的电荷量大小与氢离子电荷基本相同。后来把组成阴极射线的粒子称为电子。2.汤姆孙的进一步研究汤姆孙的新发现:不论是阴极射线、射线、光电效应中的光电流还
4、是热离子发射效应中的离子流,它们都包含电子。结论:它是从原子中发射出来的,它的质量只比最轻原子的质量的两千分之一稍多一点,由此可见,电子是原子的组成部分,是比原子更基本的物质单元。3.对电子的认识电子电荷量 e=1.610-19 C,是由密立根通过著名的“油滴实验”测出来的。密立根发现,电荷是量子化的,任何电荷只能是 e 的整数倍。电子质量 m=9.110-31 kg,质子的质量与电子的质量的比值pe=1 836。预习交流 2电子发现的意义是什么?答案:(1)电子的发现,不仅是找到了一种比原子更小的微粒,更重要的是说明了原子也是有结构的,是可以再分的,电子是原子的组成部分。(2)由于原子中含有
5、带负电的电子,而由物质呈电中性,推想出原子中还有带正电的部分,这就进一步地提出了探索原子结构和建立原子模型的问题,由此揭开了原子物理研究的序幕,对20世纪原子物理学科的建立和发展起到极为关键的作用。一、阴极射线知识精要1.气体的导电特点通常情况下,气体是不导电的,但在强电场中,气体能够被电离而导电。平时我们在空气中看到的放电火花,就是气体电离导电的结果。在研究气体放电时一般都用玻璃管中的稀薄气体。阴极射线管中气体足够稀薄时,阴极发出的某种射线射在管壁上而发出荧光。2.辉光放电现象在置有板状电极的玻璃管内充入低压气体或蒸气,当两极间电压较高(约 1 000 伏)时,稀薄气体中的残余正离子在电场中
6、加速,有足够的动能轰击阴极,产生二次电子,经簇射过程产生更多的带电粒子,使气体导电。辉光放电的特征是电流较小(约几毫安),温度不高,故放电管内有特殊的亮区和暗区,呈现瑰丽的发光现象。3.阴极射线(1)产生:在研究气体导电的玻璃管内有阴、阳两极。当两极间加一电压时,阴极便发出一射线,这种射线为阴极射线。(2)特点:能使荧光物质发光。4.对阴极射线的两种认识对于阴极射线的本质,科学家做出大量的科学研究,主要形成了两种观点。(1)电磁波说:代表人物,赫兹。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。认为这种射线的本质是一种带电微粒。典题例解【例 1】关于阴极射线的本质,下列说法
7、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流D.阴极射线的本质是 X 射线解析:阴极射线是原子受激发放射出的电子流,关于阴极射线是电磁波,还是 X 射线都是在研究阴极射线过程中的一些假设,是错误的。答案:C迁移应用(多选)关于空气导电性能,下列说法正确的是()A.空气导电,因为空气分子中有的带正电,有的带负电,在强电场作用下向相反方向运动的结果B.空气能够导电,是因为空气分子在射线或强电场作用下电离的结果C.空气密度越大,导电性能越好D.空气越稀薄,越容易发出辉光解析:空气是由多种气体组成的混合气体,在正常情况下,气体分子不带电(显中性),是较好的
8、绝缘体。但在射线、受热及强电场作用下,空气分子被电离,才具有导电性能,且空气密度较大时,电离的自由电荷很容易与其他空气分子碰撞,正、负电荷重新复合,难以形成稳定的放电电流,因而电离后的自由电荷在稀薄气体环境中导电性能更好,B、D 正确。答案:BD二、汤姆孙发现电子知识精要1.汤姆孙实验装置实验装置如图所示,从高压电场的阴极发出的阴极射线,穿过C1C2 后沿直线打在荧光屏 A上。2.实验原理判断阴极射线电性的方法:粒子在电场中运动,如图甲所示。带电粒子在电场中运动,受电场力作用运动方向会发生改变(粒子质量忽略不计)。带电粒子在不受其他力作用时,若沿电场线方向偏转,则粒子带正电;若逆着电场线方向偏
9、转,则粒子带负电。粒子在磁场中运动,如图乙所示,粒子将受到洛伦兹力 F=qvB的作用,速度方向始终与洛伦兹力方向垂直,利用左手定则即可判断粒子的电性。不考虑其他力的作用,如果粒子按图示方向进入磁场,且做顺时针的圆周运动,则粒子带正电;若做逆时针的圆周运动,则粒子带负电。3.汤姆孙发现电子(1)从 1890 年起英国物理学家汤姆孙开始了对阴极射线的一系列实验研究。(2)1897 年汤姆孙发现了电子(阴极射线是高速电子流)。电子的电荷量 e=1.602 177 33(49)10-19C。电子的质量 m=9.109 389 710-31 kg。电子的比荷=1.758 81011 C/kg。电子的质量
10、约为氢原子质量的11 836。典题例解【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)求加上磁场和电场后打在荧光屏 O 点的电子速度的大小;(2)推导出电子比荷的表达式。思路分析:汤姆孙是用带电粒子在磁场中的偏转规
11、律测定电子比荷的,所以该题需应用带电粒子加速和偏转的知识。解题时,在分析题意的基础上,一定要先对电子进行受力分析,画好运动过程图,利用几何知识解题。解析:(1)因电子在正交的匀强电场和匀强磁场中做匀速直线运动,所以有 evB=eE=e,得 v=,即打到荧光屏 O 点的电子速度的大小为。(2)设仅有电场时,电子在电场中偏转位移为 y,由几何关系得=1212+2,所以 y=11+22,而电子在电场中垂直极板方向做匀加速直线运动 y=12at2=1222,联立得电子的比荷 =221(1+22)。答案:(1)(2)221(1+22)迁移应用(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.
12、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,A 正确。由于电子带负电,所以其受力情况与正电荷不同,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,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,D 正确。答案:AD密立根油滴实验测量电子带的电荷量知识链接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,
13、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 3310-19 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。案例探究如图,在 A 板上方用喷雾器将细油滴喷出
14、,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:10-19C):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1.610-19C 的整数倍,故电荷的最小电荷量为 1.610-19C。答案:油滴带的电荷量是 1.610-19C 的整数倍,故电荷的最小电荷量为 1.610-19C1.
15、(多选)下列说法中正确的是()A.原子是可以再分的,是由更小的微粒组成的B.通常情况下,气体是导电的C.在强电场中气体能够被电离而导电D.平时我们在空气中看到的放电火花,就是气体电离导电的结果解析:原子可以再分为原子核和核外电子,选项 A 正确;通常情况下,气体不导电,但在强电场中被电离后可导电,选项 B 错误,选项 C、D正确。答案:ACD2.(多选)汤姆孙对阴极射线的探究,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解析:汤姆孙对不同材料
16、发出的阴极射线进行研究,均为同一种相同粒子电子,电子是构成物质的基本单元,它的质量远小于质子质量;由此可知,选项 A、D 正确,选项 B、C 错误。答案:AD3.(多选)关于密立根油滴实验的科学意义,下列说法正确的是()A.测出了电子的电荷量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解析:密立根油滴实验发现,油滴带的电荷量都是某一最小电荷量的整数倍,此最小电荷量即为一个电子所带电荷量,选项 A、B 均正确;由于汤姆孙测出了电子的比荷,故可知道电子的质量,选项 C 正确;电子的电荷量及质量的确定,为研究原子的结构提供了一
17、定的理论依据,选项 D 正确。答案:ABCD4.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.向上偏转解析:由题目条件不难判断阴极射线所在处磁场垂直纸面向外,电子从负极端射出,由左手定则可判定阴极射线(电子)向上偏转。答案:D5.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,已知匀强电场的电场强度为 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方向,求。解析:仅加电场时 d=12()(0)2加复合场时 Bqv0=qE由以两式得=222。答案:222
