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第十八章 原子結構,1,1 電子的發(fā)現(xiàn),2,情 景 導 入,1858年,德國科學家普呂克爾發(fā)現(xiàn)了陰極射線,在一個抽成真空的玻璃管兩端加上高電壓,這時陰極會發(fā)出一種射線稱為陰極射線,陰極射線究竟是什么?是原子?還是更小的物質微粒?,3,思 維 導 圖,4,一,二,填一填,練一練,一、陰極射線(見課本第47頁) 1.實驗裝置: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)制成的陽極;把它們分別連在感應圈的負極和正極上。 2.實驗現(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)(見課本第47頁) 1.湯姆孫的探究: (1)讓陰極射線分別通過電場和磁場,根據(jù)偏轉情況,證明它是 帶負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驗,所得比荷的數(shù)值都相同。證明這種粒子是構成各種物質的共有成分。 (3)進一步研究新現(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的自發(fā)輻射,都能發(fā)射同樣的帶電粒子——電子。由此可見,電子是原子的組成部分,是比原子更基本的物質單元。,,,,,,,,6,一,二,填一填,練一練,2.密立根“油滴實驗”: (1)精確測定電子電荷。 (2)電荷是量子化的。 3.電子的有關常量:,,,,,,,7,填一填,練一練,如圖所示,電子以初速度v0從O點進入長為l、板間距離為d、電勢差為U的平行板電容器中,出電場時打在屏上P點,經測量O'P距離為Y0,求電子的比荷。 解析:由于電子在電場中做類平拋運動,沿電場線方向做初速度為零的勻加速直線運動,滿足:,,,8,探究一,探究二,問題導引,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時,發(fā)現(xiàn)陰極射線向下偏轉,說明它帶什么性質的電荷? (2)在金屬板D1、D2之間單獨加哪個方向的磁場,可以讓陰極射線向上偏轉?,9,探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,10,探究一,探究二,問題導引,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.德國物理學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.英國物理學家湯姆孫讓陰極射線在電場和磁場中偏轉。,11,探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,5.密立根通過“油滴實驗”精確測定了電子的電荷量和電子的質量。 6.電子發(fā)現(xiàn)的意義 電子是人類發(fā)現(xiàn)的第一個比原子小的粒子。電子的發(fā)現(xiàn)打破了原子不可再分的傳統(tǒng)觀念,使人們認識到原子不是組成物質的最小微粒,原子本身也有內部結構。這是人類對物質結構認識的一次飛躍,開創(chuàng)了探索原子結構奧秘的新時代。湯姆孫也由于發(fā)現(xiàn)了電子,不僅榮獲了1906年諾貝爾物理學獎,而且被后人譽為“最先打開通向基本粒子物理學大門的偉人”。,12,探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,【例題1】 如圖,陰極射線顯像管及其偏轉線圈的示意圖。顯像管中有一個陰極,工作時它能發(fā)射陰極射線,熒光屏被陰極射線轟擊就能發(fā)光。安裝在管頸的偏轉線圈產生偏轉磁場,可以使陰極射線發(fā)生偏轉。下列說法中正確的是 ( ),13,探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,A.如果偏轉線圈中沒有電流,則陰極射線應該打在熒光屏正中的O點 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,則偏轉磁場的方向應該垂直紙面向里 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,則偏轉磁場的方向應該垂直紙面向里 D.如果要使陰極射線在熒光屏上的位置由B點向A點移動,則偏轉磁場磁感應強度應該先由小到大,再由大到小,14,探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,解析:如果偏轉線圈中沒有電流,不產生磁場,則陰極射線將沿直線打在熒光屏上的O點,A項正確;要使陰極射線打在熒光屏上的A點,則其所受洛倫茲力方向應向上,根據(jù)左手定則可以得知,偏轉磁場的方向應該由里向外,B項錯誤;同理可判得C項正確;要使陰極射線在熒光屏上的位置由B向A移動,射線在偏轉磁場中運動的半徑應先增大后減小,根據(jù)帶電粒子在磁場中的偏轉半徑公式 知,偏轉磁場的磁感應強度應先由大到小,再由小到大,D項錯誤。 答案:AC,,15,探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,變式訓練1 如圖,一只陰極射線管,左側不斷有電子射出,若在管的正下方放一通電直導線AB時,發(fā)現(xiàn)射線徑跡向下偏轉,則( ) A.導線中的電流由A流向B B.導線中的電流由B流向A C.若要使電子束的徑跡往上偏轉,可以通過改變AB中的電流方向來實現(xiàn) D.電子束的徑跡與AB中的電流方向無關,16,探究一,探究二,問題導引,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,磁場垂直紙面向里,由安培定則可知,導線AB中的電流由B流向A,且改變AB中的電流方向時可以使電子束的軌跡往上偏。故選項B、C正確。 答案:BC,,17,探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,18,探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,探究二帶電粒子比荷的測定方法 帶電粒子的比荷有哪些測定方法?,19,探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,1.比荷的測定方法 (1) 讓帶電粒子通過相互垂直的電磁場(如圖),讓其做勻速直線運動,根據(jù)二力平衡,即F洛=F電(Bqv=qE),得到粒 子的運動速度 。,20,探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,(2) 在其他條件不變的情況下撤去電場(如圖),保留磁場,讓粒子單純地在磁場中運動,由洛倫茲力提供向心力即 ,根據(jù)軌跡偏轉情況,由幾何知識求出其半徑r。 (3)由以上兩式確定粒子的比荷表達式: 。,21,探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,2.密立根油滴實驗 (1)裝置 密立根實驗的裝置如圖所示。,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,下板帶負電。油滴從噴霧器噴出后,經上面金屬板中間的小孔,落到兩板之間的勻強電場中。 ②大多數(shù)油滴在經過噴霧器噴嘴時,因摩擦而帶負電,油滴在電場力、重力和空氣阻力的作用下下降。觀察者可在強光照射下,借助顯微鏡進行觀察。,22,探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,(2)方法 ①兩板間的電勢差、兩板間的距離都可以直接測得,從而確定極板間的電場強度E。但是由于油滴太小,其質量很難直接測出。密立根通過測量油滴在空氣中下落的終極速度來測量油滴的質量。沒加電場時,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,可測得速度v1。 ②再加一足夠強的電場,使油滴做豎直向上的運動,在油滴以速度v2勻速運動時,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)結論 帶電油滴的電荷量都等于某個最小電荷量的整數(shù)倍,從而證實了電荷是量子化的,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,問題導引,名師精講,典例剖析,【例題2】在測陰極射線比荷的實驗中,湯姆孫采用了如圖所示的陰極射線管,從C出來的陰極射線經過A、B間的電場加速后,水平射入長度為L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,電場強度為E的勻強電場,陰極射線將向上偏轉;如果再利用通電線圈在D、E電場區(qū)加上一垂直紙面的磁感應強度為B的勻強磁場(圖中未畫),熒光斑恰好回到熒光屏中心,接著再去掉電場。陰極射線向下偏轉,偏轉角為θ,試解決下列問題:,24,探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,(1)說明陰極射線的帶電性; (2)說明圖中磁場沿什么方向; (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,因此受電場力方向向上,又由于勻強電場方向向下,即所受電場力的方向與電場方向相反,所以陰極射線帶負電。 (2)根據(jù)題意知,在D、E區(qū)加上磁場時,陰極射線受到的洛倫茲力應向下,由左手定則可判斷,磁場方向垂直紙面向里。,,25,探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,,26,探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,變式訓練2 密立根實驗的原理如圖所示,A、B是兩塊平行放置的水平金屬板,A板帶正電,B板帶負電。從噴霧器嘴噴出的小油滴,落到A、B兩板之間的電場中。小油滴由于摩擦而帶負電,調節(jié)A、B兩板間的電壓,可使小油滴受到的電場力和重力平衡。已知小油滴靜止處的電場強度是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,問題導引,名師精講,典例剖析,,28,探究一,探究二,問題導引,名師精講,典例剖析,29,1,2,3,4,5,1.下列對陰極射線的說法,正確的是( ) A.是由很小的帶電的粒子構成的 B.是由原子構成的 C.是由電子構成的 D.以上說法都不對 解析:通過陰極射線在電場、磁場中的偏轉,研究發(fā)現(xiàn)陰極射線帶負電,而且比荷比氫離子的比荷大得多,則選項A、C正確。 答案:AC,,,30,1,2,3,4,5,2.關于密立根油滴實驗的科學意義,下列說法正確的是 ( ) A.測出了電子的電荷量 B.提出了電荷分布的量子化觀點 C.為電子質量的最終獲得作出了突出貢獻 D.為人類進一步研究原子的結構提供了一定的理論依據(jù) 解析:密立根油滴實驗發(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電子所帶電荷量,選項A、B均正確;由于湯姆孫測出了電子的比荷,故可知道電子的質量,選項C正確;電子的電荷量及質量的確定,為研究原子的結構提供了一定的理論依據(jù),選項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電流的長直導線,則陰極射線將( ) A.向紙內偏轉 B.向紙外偏轉 C.向下偏轉 D.向上偏轉 解析:由題目條件不難判斷陰極射線所在處磁場垂直紙面向外,電子從負極端射出,由左手定則可判定陰極射線(電子)向上偏轉。 答案:D,,,32,1,2,3,4,5,4.下列是某實驗小組測得的一組電荷量,哪些是符合事實的 ( ) 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 是一個重要的物理量。某中學物理興趣小組設計了一個實驗,探究電場和磁場對電子運動軌跡的影響,以求得電子的比荷,實驗裝置如圖所示。其中兩正對極板M1、M2之間的距離為d,極板長度為L。 他們的主要實驗步驟如下: A.首先在兩極板M1、M2之間不加任何電場、磁場,開啟陰極射線管電源,發(fā)射的電子束從兩極板中央通過,在熒光屏的正中心處觀察到一個亮點;,34,1,2,3,4,5,B.在M1、M2兩極板間加合適的電場:加極性圖中所示的電壓,并逐步調節(jié)增大,使熒光屏上的亮點逐漸向熒光屏下方偏移,直到熒光屏上恰好看不見亮點為止,記下此時外加電壓為U。請問本步驟的目的是什么? C.保持步驟B中的電壓U不變,對M1、M2區(qū)域加一個大小、方向合適的磁場B,使熒光屏正中心處重現(xiàn)亮點。試問外加磁場的方向如何?,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動,當增大兩極板間電壓時,電子在兩極板間的偏轉位移增大。 當在熒光屏上看不到亮點時,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中的偏轉位移成為已知量,就可以表示出比荷。 步驟C加上磁場后電子不偏轉,電場力等于洛倫茲力,且洛倫茲力方向向上,由左手定則可知磁場方向垂直于紙面向外。 答案:見解析,,36,