高中物理 第2章 原子结构 1 电子教师用书 教科版选修3-5

1．电子
[先填空]
1．阴极射线
由阴极发出撞击到玻璃壁上产生荧光的射线，称为阴极射线．
2．汤姆孙实验结论
实验表明：阴极射线在磁场和电场中产生偏转，说明阴极射线是带负电的粒子流．[再判断]
1．阴极射线是由真空玻璃管中的感应圈发出的．(×)
2．阴极射线撞击玻璃管壁会发出荧光．(√)
3．阴极射线在真空中沿直线传播．(√)
[后思考]
产生阴极射线的玻璃管为什么是真空的？
【提示】在高度真空的放电管中，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，粒子还有可能来自管中的气体，为了使射线主要来自阴极，一定要把玻璃管抽成
真空．
1．阴极射线带电性质的判断方法
(1)方法一：在阴极射线所经区域加磁场，根据射线的偏转情况确定其带电的性质．
(2)方法二：在阴极射线所经区域加一电场，根据射线的偏转情况确定其带电的性质．
2．结论
根据阴极射线在磁场中和电场中的偏转情况，判断出阴极射线是带负电的粒子流．
1．如图2­1­1所示，在阴极射线管正下方平行放置一根通有足够强直流电流的长直导线，且导线中电流方向水平向右，则阴极射线将会向________偏转．
图2­1­1
【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．
【答案】上
2．如图2­1­2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，可采用加磁场或电场的方法.
【导学号：11010016】
图2­1­2
若加一磁场，磁场方向沿________方向，若加一电场，电场方向沿________方向．【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．
【答案】y轴正z轴正
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.
[先填空]
1．比荷(荷质比)
带电粒子的电荷量与质量之比称为比荷，又称荷质比．电子的比荷是氢离子的 1 000多倍，电子的电荷量与氢离子的电荷量相同，而质量不到氢原子的1/1 000.
2．发现电子的意义
证明了电子是原子的组成部分，电子的发现使人们认识到原子是可分的，原子不是物质不可分割的最小单元．
3．电子的电荷量
(1)电子电荷量：1913年由密立根通过著名的e ＝1.602×10－19_C.
(2)电荷量是量子化的，即任何带电体的电荷只能是e的整数倍．
[再判断]
1．阴极射线实际上是高速运动的电子流．(√)
2．电子的电荷量是汤姆孙首先精确测定的．(×)
3．带电体的电荷量可以是任意值．(×)
[后思考]
如图2­1­3所示，为测定电子比荷的实验装置，其中M1、M2为两正对平行金属板．请思考下列问题？
图2­1­3
1．电子在两平行金属板间的运动轨迹是什么形状？
【提示】抛物线．
2．电子飞出金属板间后到荧光屏P的过程中的运动轨迹是什么形状？
【提示】一条直线．
3．要使电子在M1、M2之间沿水平方向做直线运动，所加的磁场应为什么方向？
【提示】垂直于纸面向外．
1．电子比荷(或电荷量)的测定方法
根据电场、磁场对电子的偏转测量比荷(或电荷量)，可按以下方法：
甲
(1)让电子通过正交的电磁场，如图2­1­4甲所示，让其做匀速直线运动，根据二力平衡，即F 洛＝F 电(Bqv ＝qE )得到电子的运动速度v ＝E B
.
乙 图2­1­4
(2)在其他条件不变的情况下，撤去电场，如图2­1­4乙所示，保留磁场让电子在磁场
中运动，由洛伦兹力提供向心力，即Bqv ＝mv 2
r ，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径
r ，则由qvB ＝m v 2r 得q m ＝v Br ＝E
B 2r
.
2．密立根油滴实验 (1)装置
密立根实验的装置如图2­1­5所示．
图2­1­5
①两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．
②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．
(2)方法
①两板间的电势差、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v 1.
②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v 2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 .
3．关于电荷的电荷量下列说法正确的是( ) A ．电子的电荷量是由密立根油滴实验测得的 B ．物体所带电荷量可以是任意值 C ．物体所带电荷量最小值为1.6×10
－19
C
D ．物体所带的电荷量都是元电荷的整数倍
E ．电子就是元电荷
【解析】 密立根的油滴实验测出了电子的电荷量为1.6×10
－19
C ，并提出了电荷量子
化的观点，因而A 对，B 错，C 对；任何物体的电荷量都是e 的整数倍，故D 对，E 错．
【答案】 ACD
4．密立根油滴实验进一步证实了电子的存在，揭示了电荷的非连续性．如图2­1­6所示是密立根油滴实验的原理示意图，设小油滴的质量为m ，调节两极板间的电势差U ，当小油滴悬浮不动时，测出两极板间的距离为d .则可求出小油滴的电荷量q ＝________.
图2­1­6
【解析】 由平衡条件得mg ＝q U
d ，解得q ＝mgd U
. 【答案】
mgd U
5．如图2­1­7所示为汤姆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L 1，极板间距为b ，极板右端到荧光屏的距离为L 2.
【导学号：11010017】
图2­1­7
(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)电子在正交的匀强电场和匀强磁场中做匀速直线运动，有Bev ＝Ee ＝U
b
e ，得v ＝U Bb
即打到荧光屏O 点的电子速度的大小为U Bb
. (2)由d ＝12Ue bm ⎝ ⎛⎭⎪⎫L 1v 2
＋Ue bm L 1v ·L 2
v
可得
e m ＝2dbv 2
UL 1L 1＋2L 2＝2dU B 2bL 1L 1＋2L 2
. 【答案】 (1)U Bb
(2)
2dU
B 2
bL
1
L 1＋2L 2
巧妙运用电磁场测定电子比荷
(1)当电子在复合场中做匀速直线运动时，qE ＝qvB ，可以测出电子速度的大小． (2)电子在荧光屏上的落点到屏中心的距离等于电子在电场中的偏转位移与电子出电场到屏之间的倾斜直线运动偏转位移的和．。