1、1 新情境激趣引航现代人已能“看到”原子的模样，而在没有先进实验设施的过去，人们是怎样感知物质的结构的呢？汤姆孙又是怎样发现电子的呢？电子的发现对人们认知物质世界的微观结构本质又有什么重大意义呢？带着上述问题进入我们今天的学习2 新知识预习探索学习目标 1.了解阴极射线及电子发现的过程2.知道电子的概念及电子电荷量值及质量3.理解电子比荷的测定原理及方法新知预习一、阴极射线1演示实验：如右图所示，真空玻璃管中 K 是金属板制成的阴极，接感应线圈的负极，A 是金属环制成的阳极，接感应线圈的正极，接电源后，可观察管壁上亮度变化2实验现象：德国物理学家普吕克尔在类似的实验中看玻璃壁上淡淡的荧光及管中
2、物体在玻璃壁上的影3阴极射线：荧光的实质是由于玻璃受到阴极发出的某种射线的撞击而引起的，这种射线被命名为阴极射线二、电子的发现1汤姆孙的探究方法及结论(1)让阴极射线分别通过电场或磁场，根据偏转现象，证明它是带负电的粒子流并求出了其比荷(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：粒子带负电，其电荷量的大小与氢离子大致相同，而质量远小于氢离子的质量，后来组成阴极射线的粒子被称为电子2汤姆孙的进一步探究(1)汤姆孙研究的新现象：如光电效应，热离子发射效应和 射线等发现，不论阴极射线、射线、光电流还是热离子流，它们都包含电子(2)结论：不论是正离子的轰击，
3、紫外光的照射，金属受热，还是放射性物质的自发辐射，都能发射同样的带电粒子电子，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电子的电荷量及电荷量子化(1)电子电荷量：1910 年由密立根通过著名的油滴实验得出，电子电荷的现代值为 e1.601019C.(2)电荷是量子化的：即任何带电体的电荷量只能是电子电荷量的整数倍问题探索想一想问题 1 阴极射线是如何产生的？有何特点？提示：阴极射线是阴极金属中的电子，在电场的作用下(或由于金属的温度较高金属中的电子逸出)被拉出后，又在电场力的作用下加速而形成的射线它打在玻璃壁的荧光粉上，可以发出荧光问题 2 阴极射线通过电场或磁场发生偏转说明了什
4、么问题？如何探测其比荷？提示：阴极射线通过电场或磁场发生了偏转，说明它受到了电场或磁场的作用，而电场或磁场只对带电粒子产生作用，说明阴极射线是带电的粒子，由其偏转情况还可确定其带电性质如果知道电场或磁场的具体情况，测量出阴极射线的偏转数值，即可由相关知识求出其比荷.3 新课堂互动探究知识点一 对阴极射线的认识和理解重点聚焦1阴极射线的发现(1)辉光放电现象：放电管若有稀薄气体，在放电管两极加上高压可看到辉光放电现象但若管内气体非常稀薄即接近真空时，辉光现象消失辉光放电的应用：利用其发光效应(如霓虹灯、日光灯)以及正常辉光放电的稳压效应(如氖稳压管)(2)荧光的产生：玻璃管内气体接近真空，在阴极
5、孔外玻璃管壁上观察到荧光，并且能使不透明物体产生阴影，后来就认定产生这种现象的原因是阴极发出的某种射线撞击玻璃的结果，即阴极射线(3)阴极射线的来源：在高真空的放电管中，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，粒子还可能来自管中的气体2阴极射线的产生机理真空管中残存气体分子中的正负电荷在强电场的作用下被“拉开”(即气体分子被电离)，正电子(即正离子)在电场加速下撞击阴极，于是阴极释放更多电子形成了阴极射线3阴极射线带电性质的判断(1)利用电场：粒子在电场中运动如图所示带电粒子在电场中运动，受电场力作用运动方向发生改变(粒子重力忽略不计)带电粒子在不受其他力作用时，若沿电场线方向偏
6、转，则粒子带正电；若逆着电场线方向偏转，则粒子带负电(2)利用磁场：粒子在磁场中运动，如图所示粒子将受到洛伦兹力作用 FqvB，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4阴极射线的应用如示波管、电视显像管、电子显微镜，高速的阴极射线打在某些金属靶上能产生 X 射线，还能用于研究物质晶体结构，直接用于切割、熔化、焊接等特别提醒当阴极射线穿过电场或磁场区域时，其重力远小于电场力或洛伦兹力，因此一般不考虑其重力典例精析 如下图是电子射线管示意图，接通电源后，电子
7、射线由阴极沿 x 轴方向射出，在荧光屏上会看到一条亮线要使荧光屏上的亮线向下(z 轴负方向)偏转，在下列措施中可采用的是()A加一磁场，磁场方向沿 z 轴负方向B加一磁场，磁场方向沿 y 轴正方向C加一电场，电场方向沿 z 轴负方向D加一电场，电场方向沿 y 轴正方向【解析】由于电子沿 x 轴正方向运动，若所受洛仑兹力向下，使电子射线向下偏转，由左手定则可知磁场方向应沿 y 轴正方向；若加电场使电子射线向下偏转，所受电场力方向向下，则所加电场方向应沿 z 轴正方向，由此可知 B 正确【答案】B【方法归纳】应用左手定则根据洛伦兹力方向分析磁场方向跟踪练习1(多选)如图所示，一只阴极射线管，左侧不
8、断有电子射出，若在管的正下方放一通电直导线 AB 时，发现射线的轨迹往下偏，则()A导线中的电流由 A 流向 BB导线中的电流由 B 流向 AC若要使电子束的轨迹往上偏，可以通过改变 AB 中的电流方向来实现D电子束的轨迹与 AB 中的电流方向无关【解析】因为 AB 中通有电流，所以会在阴极射线管中产生磁场，电子受到洛伦兹力作用而发生偏转，由左手定则可知，阴极射线管中的磁场方向垂直于纸面向里，再根据安培定则可知，AB 中的电流方向应是由 B 流向 A，当 AB 中的电流方向变为由 A 向 B，则 AB 上方的磁场方向变为垂直于纸面向外，电子所受洛伦兹力方向变为向上，电子束的轨迹会变为向上偏转【
9、答案】BC知识点二 比荷的测定重点聚焦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 qne(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(BqvqE)得到粒子的运动速度 vEB.(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 Bqvmv2r，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径 r，则由 qvBmv2r 得qm vBr EB2r.典例精
10、析 在汤姆孙测阴极射线比荷的实验中，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、G 平行板间，接着在荧光屏 F 中心出现荧光斑若在 D、G 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、G 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，试解决下列问题：(1)说明阴极射线的电性；(2)说明图中磁场沿什么方向；(3)根据 L、E、B 和，求出阴极射线的比荷【解析】(1)由于阴极射线向上偏转，因此受电场力方向向
11、上，又由于匀强电场方向向下，则电场力的方向与电场方向相反，所以阴极射线带负电(2)由于所加磁场使阴极射线受到向下的洛伦兹力，由左手定则得磁场的方向垂直纸面向里(3)设此射线带电量为 q，质量为 m，当射线在 DG 间做匀速直线运动时，有 qEBqv当射线在 DG 间的磁场中偏转时，有 Bqvmv2r同时又有 Lrsin解得qmEsinB2L.【答案】(1)带负电(2)垂直纸面向里(3)EsinB2L【方法归纳】(1)带电粒子只在电场中偏转时做类平抛运动，可利用运动的分解、运动公式、牛顿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
12、出其半径(3)带电粒子若通过相互垂直的电、磁场时，一般使其不发生偏转，由此可求出带电粒子的速度跟踪练习2.电子所带电量的精确数值最早是由美国物理学家密立根通过油滴实验测得的他测定了数千个带电油滴的电量，发现这些电量都等于某个最小电量的整数倍这个最小电量就是电子所带的电量密立根实验的原理如图所示，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处的电场强度是 1.92105 N/C，油滴半径是 1.64104 cm，油的密度是 0.
13、851 g/cm3，求油滴所带的电量这个电量是电子电量的多少倍？(g 取 9.8 m/s2)【解析】小油滴质量mV43r3，由题意知 mgEq0由两式可得：q4r3g3E0.85110349.81.64106331.92105 C8.021019C.小油滴所带电量 q 是电子电量 e 的倍数为n8.0210191.61019 倍5 倍【答案】8.021019C 5 倍4 新思维随堂自测1如右图所示，在阴极射线管正上方平行放一通有向左的强电流的长直导线，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】由安培定则可知，阴极射线管处磁场方向向外，而阴极射线方向向右，即电子速度方
14、向向右，由左手定则可知，电子所受洛伦兹力方向向上故 D 正确【答案】D2下列说法中正确的是()A阴极射线在电场中一定会受到电场力的作用B阴极射线在磁场中一定会偏转C阴极射线在磁场中一定会受到磁场对它的作用力D阴极射线的本质是一种电磁波【解析】电子在电场中受电场力的作用，在磁场中不一定受洛伦兹力，故不一定发生偏转【答案】A3(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电子质量是氢离子质量的 1 836 倍D电子是一种粒子，是构成物质的基本单元【解析】汤姆孙对不同材料的阴极发出的射线进行研究，均
15、为同一种相同的粒子即电子，电子是构成物质的基本单元，它的质量远小于质子质量，故 A、D 选项正确【答案】AD4(多选)如下图所示，从正离子源发射的正离子经加速电压 U 加速后进入相互垂直的匀强电场 E 和匀强磁场 B 中，发现离子向上偏转，要使此离子沿直线穿过电场()A增大电场强度 E，减小磁感应强度 BB减小加速电压 U，增大电场强度 EC适当地增大加速电压 UD适当地减小电场强度 E【解析】正离子进入相互垂直的匀强电场和匀强磁场的区域中，受到的电场力 FqE，方向向上，受到的洛伦兹力 fqvB，方向向下，离子向上偏，说明了电场力大于洛伦兹力，要使离子沿直线运动，即qEqvB，则只有使洛伦兹
16、力增大或电场力减小，增大洛伦兹力的途径是增大加速电压 U 或增大磁感应强度 B，减小电场力的途径是减小场强 E.选项 C、D 正确【答案】CD5 新视点名师讲座利用电场使阴极射线发生偏转计算阴极射线的比荷阴极射线以速度 v0 沿垂直于电场线的方向进入匀强电场，粒子受到恒定的与初速度方向垂直的电场力作用而做匀变速曲线运动将其运动进行分解：沿初速度方向做匀速直线运动，沿电场力方向做初速度为零的匀加速直线运动然后根据牛顿第二定律和运动学公式求出其偏转的距离，进而求出其比荷 带电粒子的比荷qm是一个重要的物理量某中学物理兴趣小组设计了一个实验，探究电场和磁场对电子运动轨迹的影响，以求得电子的比荷，实验
17、装置如图所示(1)他们的主要实验步骤如下：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，并逐步调节使其增大，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；C保持步骤 B 中的电压 U 不变，对 M1M2 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步骤 B 的目的是什么？步骤 C 中外加磁场的方向如何？(2)根据上述实验步骤，同学们正确地推算出电子的比荷与外加电场、磁场及其他相关量
18、的关系为qm UB2d2.一位同学说，这表明电子的比荷大小将由外加电压决定，外加电压越大则电子的比荷越大，你认为他的说法正确吗？为什么？【解析】(1)当在荧光屏上看不到亮点时，电子刚好打在下极板M2 的右边缘，设两板间距离为 x.则x2 qU2mxdv2，即qmx2v2Ud2，由此可看出，这一步的目的是使粒子在电场中的偏转量成为已知量，进而表示出粒子的比荷步骤 C 中加上磁场后电子不偏转，则洛伦兹力等于电场力，且洛伦兹力方向向上，由左手定则得磁场方向垂直于纸面向外(2)由电场力等于洛伦兹力，有 qUxqBv，得 v UBx，把它代入qmx2v2Ud2等，得qm UB2d2，这位同学的说法不正确电子的比荷是电子的固有参数，与测量时所加电压 U、磁感应强度 B 及板的长度 d 无关【答案】(1)B 步骤的目的是使电子刚好落在 M2 极板右边缘，利用已知量表示qm C 步骤中磁场方向垂直于纸面向外(2)不正确电子的比荷是由电子本身的性质决定的，是电子的固有参数【点拨】利用带电粒子在电场中的偏转，求出带电粒子的比荷qmx2v2Ud2，但由于速度 v 不便直接测定，所以加上大小、方向合适的磁场B 使电子不偏转，根据电场力等于洛伦兹力，得 v UBx.另外，在讨论的问题中，由于电子受到的重力远远小于电场力，从而可以忽略重力的影响.