高中物理原子结构电子的发现新人教版选修3-5详解ppt课件

第十八章 原子结构,1,1 电子的发现,2,情 景 导 入,1858年,德国科学家普吕克尔发现了阴极射线,在一个抽成真空的玻璃管两端加上高电压,这时阴极会发出一种射线称为阴极射线,阴极射线究竟是什么?是原子?还是更小的物质微粒?,3,思 维 导 图,4,一,二,填一填,练一练,一、阴极射线(见课本第47页) 1.实验装置:如图所示真空玻璃管中K是金属板制成的阴极,A是金属环制成的阳极;把它们分别连在感应圈的负极和正极上。 2.实验现象:玻璃壁上出现淡淡的荧光及管中物体在玻璃壁上的影。 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,这种射线被命名为阴极射线。,5,一,二,填一填,练一练,二、电子的发现(见课本第47页) 1.汤姆孙的探究: (1)让阴极射线分别通过电场和磁场,根据偏转情况,证明它是 带负电的粒子流并求出了它的比荷。 (2)换用不同材料的阴极做实验,所得比荷的数值都相同。证明这种粒子是构成各种物质的共有成分。 (3)进一步研究新现象,不论是由于正离子的轰击,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。,6,一,二,填一填,练一练,2.密立根“油滴实验”: (1)精确测定电子电荷。 (2)电荷是量子化的。 3.电子的有关常量:,7,填一填,练一练,如图所示,电子以初速度v0从O点进入长为l、板间距离为d、电势差为U的平行板电容器中,出电场时打在屏上P点,经测量O'P距离为Y0,求电子的比荷。 解析:由于电子在电场中做类平抛运动,沿电场线方向做初速度为零的匀加速直线运动,满足:,8,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,探究一探究电子发现的历程 如图,汤姆孙的气体放电管。 汤姆孙的气体放电管的示意图 (1)在金属板D1、D2之间加上图中所示的电场时,发现阴极射线向下偏转,说明它带什么性质的电荷? (2)在金属板D1、D2之间单独加哪个方向的磁场,可以让阴极射线向上偏转?,9,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,10,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,1.装置现象 真空玻璃管两极加上高电压玻璃管壁上发出荧光 2.德国物理学家戈德斯坦将阴极发出的射线命名为阴极射线。 3.猜想 (1)阴极射线是一种电磁辐射。 (2)阴极射线是带电微粒。 4.英国物理学家汤姆孙让阴极射线在电场和磁场中偏转。,11,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,5.密立根通过“油滴实验”精确测定了电子的电荷量和电子的质量。 6.电子发现的意义 电子是人类发现的第一个比原子小的粒子。电子的发现打破了原子不可再分的传统观念,使人们认识到原子不是组成物质的最小微粒,原子本身也有内部结构。这是人类对物质结构认识的一次飞跃,开创了探索原子结构奥秘的新时代。汤姆孙也由于发现了电子,不仅荣获了1906年诺贝尔物理学奖,而且被后人誉为“最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。,12,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,【例题1】 如图,阴极射线显像管及其偏转线圈的示意图。显像管中有一个阴极,工作时它能发射阴极射线,荧光屏被阴极射线轰击就能发光。安装在管颈的偏转线圈产生偏转磁场,可以使阴极射线发生偏转。下列说法中正确的是 ( ),13,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,A.如果偏转线圈中没有电流,则阴极射线应该打在荧光屏正中的O点 B.如果要使阴极射线在竖直方向偏离中心,打在荧光屏上A点,则偏转磁场的方向应该垂直纸面向里 C.如果要使阴极射线在竖直方向偏离中心,打在荧光屏上B点,则偏转磁场的方向应该垂直纸面向里 D.如果要使阴极射线在荧光屏上的位置由B点向A点移动,则偏转磁场磁感应强度应该先由小到大,再由大到小,14,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,解析:如果偏转线圈中没有电流,不产生磁场,则阴极射线将沿直线打在荧光屏上的O点,A项正确;要使阴极射线打在荧光屏上的A点,则其所受洛伦兹力方向应向上,根据左手定则可以得知,偏转磁场的方向应该由里向外,B项错误;同理可判得C项正确;要使阴极射线在荧光屏上的位置由B向A移动,射线在偏转磁场中运动的半径应先增大后减小,根据带电粒子在磁场中的偏转半径公式 知,偏转磁场的磁感应强度应先由大到小,再由小到大,D项错误。 答案:AC,15,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,变式训练1 如图,一只阴极射线管,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,发现射线径迹向下偏转,则( ) A.导线中的电流由A流向B B.导线中的电流由B流向A C.若要使电子束的径迹往上偏转,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,16,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,解析:阴极射线是高速电子流,由左手定则判断可知,磁场垂直纸面向里,由安培定则可知,导线AB中的电流由B流向A,且改变AB中的电流方向时可以使电子束的轨迹往上偏。故选项B、C正确。 答案:BC,17,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,18,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,探究二带电粒子比荷的测定方法 带电粒子的比荷有哪些测定方法?,19,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,1.比荷的测定方法 (1) 让带电粒子通过相互垂直的电磁场(如图),让其做匀速直线运动,根据二力平衡,即F洛=F电(Bqv=qE),得到粒 子的运动速度 。,20,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,(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 ,根据轨迹偏转情况,由几何知识求出其半径r。 (3)由以上两式确定粒子的比荷表达式: 。,21,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,2.密立根油滴实验 (1)装置 密立根实验的装置如图所示。,两块水平放置的平行金属板A、B与电源相接,使上板带正电,下板带负电。油滴从喷雾器喷出后,经上面金属板中间的小孔,落到两板之间的匀强电场中。 大多数油滴在经过喷雾器喷嘴时,因摩擦而带负电,油滴在电场力、重力和空气阻力的作用下下降。观察者可在强光照射下,借助显微镜进行观察。,22,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,(2)方法 两板间的电势差、两板间的距离都可以直接测得,从而确定极板间的电场强度E。但是由于油滴太小,其质量很难直接测出。密立根通过测量油滴在空气中下落的终极速度来测量油滴的质量。没加电场时,由于空气的黏性,油滴所受的重力大小很快就等于空气给油滴的摩擦力而使油滴匀速下落,可测得速度v1。 再加一足够强的电场,使油滴做竖直向上的运动,在油滴以速度v2匀速运动时,油滴所受的静电力与重力、阻力平衡。根据空气阻力遵循的规律,即可求得油滴所带的电荷量。 (3)结论 带电油滴的电荷量都等于某个最小电荷量的整数倍,从而证实了电荷是量子化的,并求得了其最小值即电子所带的电荷量e。,23,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,【例题2】在测阴极射线比荷的实验中,汤姆孙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、E平行板间,接着在荧光屏F中心出现荧光斑。若在D、E间加上方向向下,电场强度为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、E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:,24,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,(1)说明阴极射线的带电性; (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上,又由于匀强电场方向向下,即所受电场力的方向与电场方向相反,所以阴极射线带负电。 (2)根据题意知,在D、E区加上磁场时,阴极射线受到的洛伦兹力应向下,由左手定则可判断,磁场方向垂直纸面向里。,25,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,26,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,变式训练2 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1.92×105 N/C,油滴半径是1.64×10-4 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?(取3.14,g取9.8 m/s2,e取1.6×10-19 C),27,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,28,探究一,探究二,问题导引,名师精讲,典例剖析,29,1,2,3,4,5,1.下列对阴极射线的说法,正确的是( ) A.是由很小的带电的粒子构成的 B.是由原子构成的 C.是由电子构成的 D.以上说法都不对 解析:通过阴极射线在电场、磁场中的偏转,研究发现阴极射线带负电,而且比荷比氢离子的比荷大得多,则选项A、C正确。 答案:AC,30,1,2,3,4,5,2.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定的理论依据,选项D正确。 答案:ABCD,31,1,2,3,4,5,3. 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:D,32,1,2,3,4,5,4.下列是某实验小组测得的一组电荷量,哪些是符合事实的 ( ) 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: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,故B、D正确。 答案:BD,33,1,2,3,4,5,5. (选做题)带电粒子的比荷 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,实验装置如图所示。其中两正对极板M1、M2之间的距离为d,极板长度为L。 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;,34,1,2,3,4,5,B.在M1、M2两极板间加合适的电场:加极性图中所示的电压,并逐步调节增大,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。请问本步骤的目的是什么? C.保持步骤B中的电压U不变,对M1、M2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。试问外加磁场的方向如何?,35,1,2,3,4,5,解析:步骤B中电子在M1、M2两极板间做类平抛运动,当增大两极板间电压时,电子在两极板间的偏转位移增大。 当在荧光屏上看不到亮点时,电子刚好打在下极板M2靠近荧光屏端的边缘,则 由此可以看出这一步的目的是使粒子在电场中的偏转位移成为已知量,就可以表示出比荷。 步骤C加上磁场后电子不偏转,电场力等于洛伦兹力,且洛伦兹力方向向上,由左手定则可知磁场方向垂直于纸面向外。 答案:见解析,36,