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第十八章 原子結(jié)構(gòu),1,1 電子的發(fā)現(xiàn),2,情 景 導(dǎo) 入,1858年,德國(guó)科學(xué)家普呂克爾發(fā)現(xiàn)了陰極射線,在一個(gè)抽成真空的玻璃管兩端加上高電壓,這時(shí)陰極會(huì)發(fā)出一種射線稱為陰極射線,陰極射線究竟是什么?是原子?還是更小的物質(zhì)微粒?,3,思 維 導(dǎo) 圖,4,一,二,填一填,練一練,一、陰極射線(見(jiàn)課本第47頁(yè)) 1.實(shí)驗(yàn)裝置:如圖所示真空玻璃管中K是金屬板制成的陰極,A是金屬環(huán)制成的陽(yáng)極;把它們分別連在感應(yīng)圈的負(fù)極和正極上。 2.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:玻璃壁上出現(xiàn)淡淡的熒光及管中物體在玻璃壁上的影。 3.陰極射線:熒光是由于玻璃受到陰極發(fā)出的某種射線的撞擊而引起的,這種射線被命名為陰極射線。,,,,,,5,一,二,填一填,練一練,二、電子的發(fā)現(xiàn)(見(jiàn)課本第47頁(yè)) 1.湯姆孫的探究: (1)讓陰極射線分別通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng),根據(jù)偏轉(zhuǎn)情況,證明它是 帶負(fù)電的粒子流并求出了它的比荷。 (2)換用不同材料的陰極做實(shí)驗(yàn),所得比荷的數(shù)值都相同。證明這種粒子是構(gòu)成各種物質(zhì)的共有成分。 (3)進(jìn)一步研究新現(xiàn)象,不論是由于正離子的轟擊,紫外光的照射,金屬受熱還是放射性物質(zhì)的自發(fā)輻射,都能發(fā)射同樣的帶電粒子——電子。由此可見(jiàn),電子是原子的組成部分,是比原子更基本的物質(zhì)單元。,,,,,,,,6,一,二,填一填,練一練,2.密立根“油滴實(shí)驗(yàn)”: (1)精確測(cè)定電子電荷。 (2)電荷是量子化的。 3.電子的有關(guān)常量:,,,,,,,7,填一填,練一練,如圖所示,電子以初速度v0從O點(diǎn)進(jìn)入長(zhǎng)為l、板間距離為d、電勢(shì)差為U的平行板電容器中,出電場(chǎng)時(shí)打在屏上P點(diǎn),經(jīng)測(cè)量O'P距離為Y0,求電子的比荷。 解析:由于電子在電場(chǎng)中做類平拋運(yùn)動(dòng),沿電場(chǎng)線方向做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng),滿足:,,,8,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一探究電子發(fā)現(xiàn)的歷程 如圖,湯姆孫的氣體放電管。 湯姆孫的氣體放電管的示意圖 (1)在金屬板D1、D2之間加上圖中所示的電場(chǎng)時(shí),發(fā)現(xiàn)陰極射線向下偏轉(zhuǎn),說(shuō)明它帶什么性質(zhì)的電荷? (2)在金屬板D1、D2之間單獨(dú)加哪個(gè)方向的磁場(chǎng),可以讓陰極射線向上偏轉(zhuǎn)?,9,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,10,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,1.裝置現(xiàn)象 真空玻璃管兩極加上高電壓→玻璃管壁上發(fā)出熒光 2.德國(guó)物理學(xué)家戈德斯坦將陰極發(fā)出的射線命名為陰極射線。 3.猜想 (1)陰極射線是一種電磁輻射。 (2)陰極射線是帶電微粒。 4.英國(guó)物理學(xué)家湯姆孫讓陰極射線在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)。,11,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,5.密立根通過(guò)“油滴實(shí)驗(yàn)”精確測(cè)定了電子的電荷量和電子的質(zhì)量。 6.電子發(fā)現(xiàn)的意義 電子是人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)比原子小的粒子。電子的發(fā)現(xiàn)打破了原子不可再分的傳統(tǒng)觀念,使人們認(rèn)識(shí)到原子不是組成物質(zhì)的最小微粒,原子本身也有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這是人類對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的一次飛躍,開(kāi)創(chuàng)了探索原子結(jié)構(gòu)奧秘的新時(shí)代。湯姆孫也由于發(fā)現(xiàn)了電子,不僅榮獲了1906年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),而且被后人譽(yù)為“最先打開(kāi)通向基本粒子物理學(xué)大門的偉人”。,12,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,【例題1】 如圖,陰極射線顯像管及其偏轉(zhuǎn)線圈的示意圖。顯像管中有一個(gè)陰極,工作時(shí)它能發(fā)射陰極射線,熒光屏被陰極射線轟擊就能發(fā)光。安裝在管頸的偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng),可以使陰極射線發(fā)生偏轉(zhuǎn)。下列說(shuō)法中正確的是 ( ),13,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,A.如果偏轉(zhuǎn)線圈中沒(méi)有電流,則陰極射線應(yīng)該打在熒光屏正中的O點(diǎn) B.如果要使陰極射線在豎直方向偏離中心,打在熒光屏上A點(diǎn),則偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向應(yīng)該垂直紙面向里 C.如果要使陰極射線在豎直方向偏離中心,打在熒光屏上B點(diǎn),則偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向應(yīng)該垂直紙面向里 D.如果要使陰極射線在熒光屏上的位置由B點(diǎn)向A點(diǎn)移動(dòng),則偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)該先由小到大,再由大到小,14,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,解析:如果偏轉(zhuǎn)線圈中沒(méi)有電流,不產(chǎn)生磁場(chǎng),則陰極射線將沿直線打在熒光屏上的O點(diǎn),A項(xiàng)正確;要使陰極射線打在熒光屏上的A點(diǎn),則其所受洛倫茲力方向應(yīng)向上,根據(jù)左手定則可以得知,偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向應(yīng)該由里向外,B項(xiàng)錯(cuò)誤;同理可判得C項(xiàng)正確;要使陰極射線在熒光屏上的位置由B向A移動(dòng),射線在偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的半徑應(yīng)先增大后減小,根據(jù)帶電粒子在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)半徑公式 知,偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)先由大到小,再由小到大,D項(xiàng)錯(cuò)誤。 答案:AC,,15,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,變式訓(xùn)練1 如圖,一只陰極射線管,左側(cè)不斷有電子射出,若在管的正下方放一通電直導(dǎo)線AB時(shí),發(fā)現(xiàn)射線徑跡向下偏轉(zhuǎn),則( ) A.導(dǎo)線中的電流由A流向B B.導(dǎo)線中的電流由B流向A C.若要使電子束的徑跡往上偏轉(zhuǎn),可以通過(guò)改變AB中的電流方向來(lái)實(shí)現(xiàn) D.電子束的徑跡與AB中的電流方向無(wú)關(guān),16,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,解析:陰極射線是高速電子流,由左手定則判斷可知,磁場(chǎng)垂直紙面向里,由安培定則可知,導(dǎo)線AB中的電流由B流向A,且改變AB中的電流方向時(shí)可以使電子束的軌跡往上偏。故選項(xiàng)B、C正確。 答案:BC,,17,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,18,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究二帶電粒子比荷的測(cè)定方法 帶電粒子的比荷有哪些測(cè)定方法?,19,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,1.比荷的測(cè)定方法 (1) 讓帶電粒子通過(guò)相互垂直的電磁場(chǎng)(如圖),讓其做勻速直線運(yùn)動(dòng),根據(jù)二力平衡,即F洛=F電(Bqv=qE),得到粒 子的運(yùn)動(dòng)速度 。,20,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,(2) 在其他條件不變的情況下撤去電場(chǎng)(如圖),保留磁場(chǎng),讓粒子單純地在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),由洛倫茲力提供向心力即 ,根據(jù)軌跡偏轉(zhuǎn)情況,由幾何知識(shí)求出其半徑r。 (3)由以上兩式確定粒子的比荷表達(dá)式: 。,21,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,2.密立根油滴實(shí)驗(yàn) (1)裝置 密立根實(shí)驗(yàn)的裝置如圖所示。,①兩塊水平放置的平行金屬板A、B與電源相接,使上板帶正電,下板帶負(fù)電。油滴從噴霧器噴出后,經(jīng)上面金屬板中間的小孔,落到兩板之間的勻強(qiáng)電場(chǎng)中。 ②大多數(shù)油滴在經(jīng)過(guò)噴霧器噴嘴時(shí),因摩擦而帶負(fù)電,油滴在電場(chǎng)力、重力和空氣阻力的作用下下降。觀察者可在強(qiáng)光照射下,借助顯微鏡進(jìn)行觀察。,22,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,(2)方法 ①兩板間的電勢(shì)差、兩板間的距離都可以直接測(cè)得,從而確定極板間的電場(chǎng)強(qiáng)度E。但是由于油滴太小,其質(zhì)量很難直接測(cè)出。密立根通過(guò)測(cè)量油滴在空氣中下落的終極速度來(lái)測(cè)量油滴的質(zhì)量。沒(méi)加電場(chǎng)時(shí),由于空氣的黏性,油滴所受的重力大小很快就等于空氣給油滴的摩擦力而使油滴勻速下落,可測(cè)得速度v1。 ②再加一足夠強(qiáng)的電場(chǎng),使油滴做豎直向上的運(yùn)動(dòng),在油滴以速度v2勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),油滴所受的靜電力與重力、阻力平衡。根據(jù)空氣阻力遵循的規(guī)律,即可求得油滴所帶的電荷量。 (3)結(jié)論 帶電油滴的電荷量都等于某個(gè)最小電荷量的整數(shù)倍,從而證實(shí)了電荷是量子化的,并求得了其最小值即電子所帶的電荷量e。,23,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,【例題2】在測(cè)陰極射線比荷的實(shí)驗(yàn)中,湯姆孫采用了如圖所示的陰極射線管,從C出來(lái)的陰極射線經(jīng)過(guò)A、B間的電場(chǎng)加速后,水平射入長(zhǎng)度為L(zhǎng)的D、E平行板間,接著在熒光屏F中心出現(xiàn)熒光斑。若在D、E間加上方向向下,電場(chǎng)強(qiáng)度為E的勻強(qiáng)電場(chǎng),陰極射線將向上偏轉(zhuǎn);如果再利用通電線圈在D、E電場(chǎng)區(qū)加上一垂直紙面的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)(圖中未畫(huà)),熒光斑恰好回到熒光屏中心,接著再去掉電場(chǎng)。陰極射線向下偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)角為θ,試解決下列問(wèn)題:,24,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,(1)說(shuō)明陰極射線的帶電性; (2)說(shuō)明圖中磁場(chǎng)沿什么方向; (3)根據(jù)L、E、B和θ,求出陰極射線的比荷。 解析:(1)由于陰極射線向上偏轉(zhuǎn),因此受電場(chǎng)力方向向上,又由于勻強(qiáng)電場(chǎng)方向向下,即所受電場(chǎng)力的方向與電場(chǎng)方向相反,所以陰極射線帶負(fù)電。 (2)根據(jù)題意知,在D、E區(qū)加上磁場(chǎng)時(shí),陰極射線受到的洛倫茲力應(yīng)向下,由左手定則可判斷,磁場(chǎng)方向垂直紙面向里。,,25,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,,26,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,變式訓(xùn)練2 密立根實(shí)驗(yàn)的原理如圖所示,A、B是兩塊平行放置的水平金屬板,A板帶正電,B板帶負(fù)電。從噴霧器嘴噴出的小油滴,落到A、B兩板之間的電場(chǎng)中。小油滴由于摩擦而帶負(fù)電,調(diào)節(jié)A、B兩板間的電壓,可使小油滴受到的電場(chǎng)力和重力平衡。已知小油滴靜止處的電場(chǎng)強(qiáng)度是1.92×105 N/C,油滴半徑是1.64×10-4 cm,油的密度是0.851 g/cm3,求油滴所帶的電荷量。這個(gè)電荷量是電子電荷量的多少倍?(π取3.14,g取9.8 m/s2,e取1.6×10-19 C),27,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,,28,探究一,探究二,問(wèn)題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,29,1,2,3,4,5,1.下列對(duì)陰極射線的說(shuō)法,正確的是( ) A.是由很小的帶電的粒子構(gòu)成的 B.是由原子構(gòu)成的 C.是由電子構(gòu)成的 D.以上說(shuō)法都不對(duì) 解析:通過(guò)陰極射線在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn),研究發(fā)現(xiàn)陰極射線帶負(fù)電,而且比荷比氫離子的比荷大得多,則選項(xiàng)A、C正確。 答案:AC,,,30,1,2,3,4,5,2.關(guān)于密立根油滴實(shí)驗(yàn)的科學(xué)意義,下列說(shuō)法正確的是 ( ) A.測(cè)出了電子的電荷量 B.提出了電荷分布的量子化觀點(diǎn) C.為電子質(zhì)量的最終獲得作出了突出貢獻(xiàn) D.為人類進(jìn)一步研究原子的結(jié)構(gòu)提供了一定的理論依據(jù) 解析:密立根油滴實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),油滴帶的電荷量都是某一最小電荷量的整數(shù)倍,此最小電荷量即為一個(gè)電子所帶電荷量,選項(xiàng)A、B均正確;由于湯姆孫測(cè)出了電子的比荷,故可知道電子的質(zhì)量,選項(xiàng)C正確;電子的電荷量及質(zhì)量的確定,為研究原子的結(jié)構(gòu)提供了一定的理論依據(jù),選項(xiàng)D正確。 答案:ABCD,,,31,1,2,3,4,5,3. 如圖所示,在陰極射線管正上方平行放一通有強(qiáng)電流的長(zhǎng)直導(dǎo)線,則陰極射線將( ) A.向紙內(nèi)偏轉(zhuǎn) B.向紙外偏轉(zhuǎn) C.向下偏轉(zhuǎn) D.向上偏轉(zhuǎn) 解析:由題目條件不難判斷陰極射線所在處磁場(chǎng)垂直紙面向外,電子從負(fù)極端射出,由左手定則可判定陰極射線(電子)向上偏轉(zhuǎn)。 答案:D,,,32,1,2,3,4,5,4.下列是某實(shí)驗(yàn)小組測(cè)得的一組電荷量,哪些是符合事實(shí)的 ( ) A.+3×10-19 C B.+4.8×10-19 C C.-3.2×10-26 C D.-4.8×10-19 C 解析:電荷是量子化的,任何帶電體所帶電荷量只能是元電荷的整數(shù)倍,故B、D正確。 答案:BD,,,33,1,2,3,4,5,5. (選做題)帶電粒子的比荷 是一個(gè)重要的物理量。某中學(xué)物理興趣小組設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn),探究電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)電子運(yùn)動(dòng)軌跡的影響,以求得電子的比荷,實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。其中兩正對(duì)極板M1、M2之間的距離為d,極板長(zhǎng)度為L(zhǎng)。 他們的主要實(shí)驗(yàn)步驟如下: A.首先在兩極板M1、M2之間不加任何電場(chǎng)、磁場(chǎng),開(kāi)啟陰極射線管電源,發(fā)射的電子束從兩極板中央通過(guò),在熒光屏的正中心處觀察到一個(gè)亮點(diǎn);,34,1,2,3,4,5,B.在M1、M2兩極板間加合適的電場(chǎng):加極性圖中所示的電壓,并逐步調(diào)節(jié)增大,使熒光屏上的亮點(diǎn)逐漸向熒光屏下方偏移,直到熒光屏上恰好看不見(jiàn)亮點(diǎn)為止,記下此時(shí)外加電壓為U。請(qǐng)問(wèn)本步驟的目的是什么? C.保持步驟B中的電壓U不變,對(duì)M1、M2區(qū)域加一個(gè)大小、方向合適的磁場(chǎng)B,使熒光屏正中心處重現(xiàn)亮點(diǎn)。試問(wèn)外加磁場(chǎng)的方向如何?,35,1,2,3,4,5,解析:步驟B中電子在M1、M2兩極板間做類平拋運(yùn)動(dòng),當(dāng)增大兩極板間電壓時(shí),電子在兩極板間的偏轉(zhuǎn)位移增大。 當(dāng)在熒光屏上看不到亮點(diǎn)時(shí),電子剛好打在下極板M2靠近熒光屏端的邊緣,則 由此可以看出這一步的目的是使粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)位移成為已知量,就可以表示出比荷。 步驟C加上磁場(chǎng)后電子不偏轉(zhuǎn),電場(chǎng)力等于洛倫茲力,且洛倫茲力方向向上,由左手定則可知磁場(chǎng)方向垂直于紙面向外。 答案:見(jiàn)解析,,36,