1、第十八章 原子结构 第一节 电子的发现学习目标 1.知道电子是怎样发现的及其对人类探索原子结构的重大意义，知道阴极射线是由电子组成的 2.了解汤姆孙发现电子的研究方法，知道电子的电荷量和比荷 3.能运用所学知识解决电子在电场和磁场中运动的问题一、阴极射线(阅读教材 P47)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拓展延伸(解疑难)对阴极射线本质的认识两种观点1.(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
2、汤姆孙，他认为这种射线的本质是一种带电粒子流2阴极射线的本质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1.(1)阴极射线是由真空玻璃管中的感应圈发出的( )(2)实验中看到的荧光就是电子流( )(3)阴极射线是一种电磁辐射( )提示：(1) (2) (3) 二、电子的发现(阅读教材 P47P 49)1实验现象：英国物理学家汤姆孙使用气体放电管对阴极射线进行了一系列实验研究(1)让阴极射线分别通过电场和磁场，根据偏转现象，证明它是带 负电的粒子流并求出其比荷(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证明这种粒子是构成各种物质的共有
3、成分2电子(1)组成阴极射线的粒子称为电子(2)密立根“油滴实验”结论拓展延伸(解疑难)电子发现的意义以前人们认为物质由分子组成，分子由原子组成，原子是不可再分的最小微粒现在人们发现了各种物质里都有电子，而且电子的质量比最轻的氢原子质量小得多，这说明电子是原子的组成部分电子带负电，而原子是电中性的，可见原子内还有带正电的物质，这些带正电的物质和带负电的电子如何构成原子呢？电子的发现大大激发了人们研究原子内部结构的热情，拉开了人们研究原子结构的序幕2.汤姆孙通过怎样的实验确定阴极射线是带负电的粒子？提示：汤姆孙通过气体放电管研究阴极射线的径迹，未加电场时，射线不偏转，施加电场后，射线向偏转电场的
4、正极板方向偏转，由此确定阴极射线是带负电的粒子对阴极射线的研究和认识1.阴极射线带电性质的判断方法方法一：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. (自选例题，启迪思维)1.关于阴极射线的本质，下列说法正确的是( )A阴极射线本质是氢原子B阴极射线本质是电磁波C阴极射线本质是电子D阴极射线本质是 X 射线解析 阴极射线是原子受激发射出的电子，关于阴极射线是电磁波、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 C2.如图所示，在阴极射线管正下方平行放置一根通有足够
5、强直流电流的长直导线，且导线中电流方向水平向右，则阴极射线将会( )A向上偏转 B向下偏转C向纸内偏转 D向纸外偏转解析 阴极射线方向水平向右，说明其等效电流的方向水平向左，与导线中的电流方向相反，由左手定则，两者相互排斥，阴极射线向上偏转，A 项正确答案 A3.(2015浙江师大附中高二检测) 如图是电子射线管示意图接通电源后，电子射线由阴极沿 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
6、正方向思路探究 (1)如何判断电子在磁场中所受洛伦兹力的方向？(2)电子在电场中的受力方向与电场强度方向有何关系？解析 若加磁场，由左手定则可判定其方向应沿 y轴正方向；若加电场，根据受力情况可知其方向应沿 z轴正方向，故只有 B 项是正确的应明确管内是电子流，然后根据洛伦兹力和电场力方向的判定方法进行判定答案 B名师点评 注意阴极射线( 电子) 从电源的负极射出，用左手定则判断其受力方向时四指的指向和射线的运动方向相反测定带电粒子的比荷学生用书 P391.测粒子的速度让粒子通过正交的电磁场(如图甲 )，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 v .
7、EB甲 乙2.测粒子的比荷在其他条件不变的情况下，撤去电场(如图乙) ，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mv2rqvBm 得 .v2r qm vBr EB2r(自选例题，启迪思维)1.(2015杭州高二检测)下列说法中正确的是 ( )A汤姆孙精确地测出了电子电荷量 e1.602 177 33(49)10 19 CB电子电荷量的精确值是密立根通过“油滴实验”测出的C汤姆孙油滴实验更重要的发现是：电荷量是量子化的，即任何电荷量只能是 e 的整数倍D通过实验测得电子的比荷及电子电荷量 e 的值，就可以确定电子的质量解
8、析 电子的电荷量是密立根通过“油滴实验”测出的， A、C 错误，B 正确测出比荷的值 和电子电荷量 e的值，可以确定电子的质量，故 D 正确em答案 BD2.如图所示，让一束均匀的阴极射线从两极板正中间垂直穿过正交的电磁场，选择合适的磁感应强度 B 和两极之间的电压 U，带电粒子不发生偏转，然后撤去电压，粒子做匀速圆周运动，并垂直打到极板上，两极板之间的距离为 d，求阴极射线中带电粒子的比荷解析 设阴极射线粒子的电荷量为 q，质量为 m，则在电磁场中由平衡条件得，q qvBUd撤去电场后，由牛顿第二定律得，qvBmv2R又 Rd2解得， .qm 2UB2d2答案 2UB2d23.如图所示为汤姆
9、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)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 evBeE
10、，得 v ，即 v .EB UBb(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，eUmb L1v竖直向上偏转的距离为 d1 at .离开电场时竖直向上的分速度为 v at 1 .电12 21 eL1Umvb子离开电场做匀速直线运动，经 t2时间到达荧光屏，t 2 .t2时间内向上运动的距离为L2vd2v t2 .这样，电子向上的总偏转距离为 dd 1d 2 L1 ，可解得eUL1L2mv2b eUmv2b (L2 L12) .em UdB2bL1(L2 L12)答案 (1)
11、(2)UBb UdB2bL1(L2 L12)借题发挥 测比荷的两种方法(1)利用磁偏转测比荷，由 qvBm 得 ，只需知道磁感应强度 B、带电粒子的v2R qm vBR初速度 v 和偏转半径 R 即可(2)利用电偏转测比荷，偏转量 y at2 ，故 .所以在偏转电场12 12qUmd (Lv)2qm 2ydv2UL2U、d、L 已知时，只需测量 v 和 y 即可思想方法巧用二力平衡测定电子的电量1910 年美国物理学家密立根通过著名的“油滴实验” ，简练而又精确地测定了电子的电荷量更重要的是密立根实验发现电荷是量子化的，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
12、量 e.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，从喷雾器喷嘴喷出的小油滴经上面金属板中间的小孔，落到两板之间的匀强电场中(2)小油滴由于摩擦而带负电，调节 A、B 两板间的电压，可以使小油滴静止在两板之间，此时电场力和重力平衡，即 mgEq，则电荷的电荷量 q .实验发现，q 一定是某个mgE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范例 密立根用喷雾的方法获得了带电液滴，然后把这些带有不同电荷量和质量的液滴置于电场中，通过电场力和重力平衡的方法最终测得了带电液滴的电荷量，某次测量中，他得到了如下数据液滴编号 电
13、荷量/C 液滴编号 电荷量/C1 6.411019 2 9.7010193 1.61019 4 4.821019 则可得出结论：_解析 根据表格中的数据与电子电荷量的比值关系： 4；q1e 6.4110 191.610 19 6；q2e 9.7010 191.610 19 1；q3e 1.610 191.610 19 3；q4e 4.8210 191.610 19得出结论：电荷量是量子化的，电荷的电荷量都是元电荷 e的整数倍答案 电荷量是量子化的，电荷的电荷量都是元电荷 e 的整数倍电子所带电荷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得到的他测定了数千个带电油滴的电荷量，发现这些电荷
14、量都等于某个最小电荷量的整数倍这个最小电荷量就是电子所带的电荷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 1.92103 N/C，油滴半径是 1.64104 cm.油的密度是 0.851 g/cm3，求油滴所带的电荷量，这个电荷量是电子电荷量的多少倍？解析：小油滴质量 mV r3，由题意知 mgqE，由以上两式可得 q ，43 4r3g3E解得，q8.0210 19 C， 5，即小油
15、滴所带电荷量 q是电子电荷量 e的 5 倍qe答案：8.0210 19 C 5 倍随堂达标历史上第一个发现电子的科学家是( )A贝可勒尔 B道尔顿C伦琴 D汤姆孙答案：D2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：选 BD.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
16、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，综上所述，正确答案为 B、D.3关于密立根“油滴实验” ，下列说法正确的是( )A密立根利用磁场力和重力平衡的方法，测得了带电体的最小带电荷量B密立根利用电场力和重力平衡的方法，推测出了带电体的最小带电荷量C密立根利用磁偏转的知识推测出了电子的电荷量D密立根“油滴实验”直接验证了电子的质量不足氢离子的千分之一解析：选 B.密立根“油滴实验 ”是利用喷雾的方法，在已知小液滴质量的前提下，利用电场力和小液滴的重力平衡，推算出每个小液滴带电荷量都是 1.61019 C 的
17、整数倍，带电体的带电荷量不是连续的，而是量子化的，并且电子的带电荷量也为 1.61019 C，带负电4.如图所示，一支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 中的电流方向无关解析：选 BC.电子向右运动，受到的洛伦兹力向下，根据左手定则知，在 AB上方有垂直纸面向里的磁场，再根据右手螺旋定则判断电流方向由 BA.故 B、C 选项正确5(选做题) 汤姆孙 1897 年用阴极射线管测量了电子的比
18、荷 (电子电荷量与质量之比)，其实验原理如图所示电子流平行于极板射入，极板 P、P间同时存在匀强电场 E 和垂直纸面向里的匀强磁场 B 时，电子流不会发生偏转；极板间只存在垂直纸面向里的匀强磁场B 时，电子流穿出平行板电容器时的偏转角 rad.已知极板长 L3.010 2 m，电场强115度大小为 E1.510 4 V/m，磁感应强度大小为 B5.010 4 T求电子比荷解析：无偏转时，洛伦兹力和电场力平衡，则 eEevB只存在磁场时，有 evBm ，v2r由几何关系 rLsin 偏转角很小时，rL联立上述各式并代入数据得电子的比荷 1.310 11 C/kg.em EB2L答案：1.310
19、11 C/kg课时作业一、选择题(多选)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：选 AC.通过对阴极射线在电场、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，故仅 A、C 两项正确2(多选) 下列是某实验小组测得的一组电荷量，哪些是符合事实的( )A310 19 C B410 19 CC3.210 19 C D4.810 19 C解析：选 CD.电荷是量子化的，任何带电体所带电荷量只能是元电荷的整数倍.1.61019 C 是目前为止自然界中最小的电荷量(多选)汤姆孙通过对阴极射
20、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：选 AD.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，电子是构成物质的基本单元，它的质量远小于质子的质量；由此可知A、D 正确，B、C 错误(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：选 BCD
21、.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5阴极射线管中的高电压的作用是( )A使管内气体电离B使管内产生阴极射线C使管内障碍物的电势升高D使电子加速解析：选 D.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，通过高电压对电子加速获得能量，使之与玻璃发生撞击而产生荧光故 D 正确，A 、B 、C 错误6如图甲从阴极发射出来的电子束，在阴极和阳极间的高电压作用下，轰击到长条形的荧光屏上激发出荧光，可以显示出电子束运动的径迹若把射线管放在
22、如图乙蹄形磁铁的两极间，阴极接高压电源负极，阳极接高压电源正极，关于荧光屏上显示的电子束运动的径迹，下列说法正确的是( )A电子束向上弯曲B电子束沿直线前进C电子束向下弯曲D电子束的运动方向与磁场方向无关解析：选 C.因为左边是阴极，右边是阳极，所以电子在阴极管中的运动方向是从左到右，产生的电流方向是从右到左(注意是电子带负电) ，根据左手定则，四指指向左，手掌对向 N 极( 就是这个角度看过去指向纸面向里)，此时大拇指指向下面，所以电子在洛伦兹力作用下轨迹向下偏转，故 A、B 错误，C 正确；根据左手定则可知，磁场的方向会影响洛伦兹力的方向，从而会影响运动方向，故 D 错误7向荧光屏上看去，电子向我们飞来，在偏转线圈中通以如图所示的电流，电子的偏转方向为( )
