第一节电子的发现及其重大意义
3.1电子的发现及其重大意义 课件(高中物理沪科版选修3-5)
一、阴极射线的性质 阴极射线从阴极射线管中的阴极发出，在其间 的高电压下加速飞向阳极，如图 3－ 1－ 1 所示．若要使射线 向上偏转，所加磁场的方向应为 ( A．平行于纸面向左 B．平行于纸面向上 C．垂直于纸面向外 D．垂直于纸面向里
图 3－1－1
)
【导析】
阳极射线的本质是电子，电子在电场或者磁
场受力的规律，满足电磁学的基本规律．
【解析】
由于阴极射线的本质是电子流，阴极射线方
向向右传播，说明电子的运动方向向右，相当于存在向左的 电流，利用左手定则，使电子所受洛伦兹力方向平行于纸面 向上，由此可知磁场方向应为垂直于纸面向外，故选项 C 正 确．
【答案】 C
解答时可由题目获取以下信息： (1) 阴极射线的方向向 右，(2)所加磁场使射线向上偏转．先根据射线是电子流，由 运动方向确定其电流方向，再由题目要求使电子向上偏转， 利用左手定则判断磁场方向.
汤姆生 发现了电子．
二、汤姆生对阴极射线的探究 1．汤姆生的探究方法 (1)让阴极射线通过 磁铁 偏转， 进入集电圆筒，同静 电计检测，证明阴极射线是 负电荷 ．
(2)①让阴极射线通过匀强 电场 发生偏转，测出偏转 Eel 角 θ，推导出与相关量的关系，得到 tan θ＝ mv2 . ②再加一 垂直于 电场方向的 匀强磁场 ，使粒子不 E 发生偏转，则 v＝ B . 由此求得粒子的比荷 e 11 10 ≈ m C/kg.
2．荧光的产生 玻璃管内气体接近真空，辉光消失，却在阳极孔外玻璃 管壁上观察到荧光，并且能使不透明物体产生阴影，产生这 种现象的原因是阴极发出的某种射线撞击玻璃的结果，即阴 极射线． 3．阴极射线的应用 如示波管、电视显像管、电子显微镜，高速的阴极射线 打在某些金属靶上能产生 X 射线，还能用于研究物质晶体结 构，直接用于金属的切割、熔化、焊接等．
第1节、电子的发现
附：电场、磁场知识回顾
1、速度选择器
E －－－－－－－－－ .qVB . . . . . . . .
. . . . . . . . . V . . . . . . . . . B qE ＋＋＋＋＋＋＋＋＋
2、带电粒子在电场中的偏转模型
E －－－－－－－－－
O d V
＋＋＋＋＋＋＋＋＋
L D
qE
y Y
实验结论
荷质比约为质子（氢离子）比荷的2000倍。 是电荷比质子大？还是质量比质子小？ 汤姆孙猜测：这可能表示阴极射线粒子电荷 量的大小与一个氢离子一样，而质量比氢离子小 得多。 后来汤姆孙测得了这种粒子的电荷量与氢离 子电荷量大致相同，由此可以看出他当初的猜测 是正确的。后来阴极射线的粒子被称为电子。
1、当金属板D1、D2乊间未加电场时，射线不偏转， 射在屏上P1点。斲加电场E乊后，射线发生偏转幵 射到屏上P2处。由此可以推断阴极射线带有什么 性质的电荷？
负电荷
2、如果要抵消阴极射线的偏转，使它从P2点回到 P1，需要在两块金属板乊间的区域再斲加一个大 小、斱向合适的磁场。 垂直纸面向里 这个磁场的斱向是？ 写出此时每个阴极射线微粒（质量为m，速度为 v） 受到的洛仑兹力和电场力。你能求出阴极射线 的速度v的表达式吗？
课作 外业
课时作业
很早以来，人们一直认为构成物质的最小粒 子是原子，原子是一种不可再分割的粒子。这种 认识一直统治了人类思想近两千年。直到19世 纪末，科学家对实验中的阴极射线深入研究时， 发现了电子，使人类对微观世界有了新的认识。 电子的发现是19世纪末、20世纪初物理学三大 发现乊一。
一、阴极射线
1858年德国物理学家普吕兊尔较早发现了气 体导电时的辉光放电现象。德国物理学家戈德斯 坦研究辉光放电现象时认为这是从阴极发出的某 种射线引起的。所以他把这种未知射线称乊为阴 极射线。 对于阴极射线的本质，有大量的科学家作出 大量的科学研究，主要形成了两种观点。 （1）电磁波说：代表人物，赫兹。认为这种射 线的本质是一种电磁波的传播过程。 （2）粒子说：代表人物，汤姆孙。认为这种射 线的本质是一种高速粒子流。
第一节-电子的发现
• 第一节 电子的发现
回顾：
公元前5世纪，希腊哲学家德谟克利特等人认为 ： 万物是由大量的不可分割的微粒构成的，即原子。
19世纪初，英国科学家道尔顿提出近代原 子学说，他认为原子是微小的不可分割的实心球体,物 质由原子组成,原子不能被创造,也不能被毁灭,在化学 变化中原子不可分割,他们的性质在化学反应中保持不 变。
速度选择器
D
.qV－B. －. －. －. －. － .E－ .－ .
.. ..
qE＋
V. .
＋
. .
＋
. .
＋
. .
＋
. .
＋
..
.
＋
＋B.
C
工作原理：
qvB
q
E
qU d
v
E B
U Bd
利 用 速 度 选 择 器 求 解 进入 磁 场 的 速 度 个 向 上 的 电这 场时 ， 飞 过 来 的 阴 极线 射粒 子 会 受 到 电 场 力这 ，个 电 场 力 向 哪 个 方？（向向 下 ， 因 为 负 电 荷力 受与 电 场 强 度 方 向 相， 反动 画 ）
这说明不同物质都能发射这种带电粒子，它是构成各种物 质的共有成分。
电子
电子是原子的组成部分，是比原子 更基本的物质单元。
美国科学家密立根又精确地测定了电子的电量： e=1.6022×10－19 C
根据荷质比，可以精确地计算出电子的质量为： m=9.1094×10－31 kg
质子质量与电子质量的比值： mp 1836 me
汤姆孙的气体放电管的示意图
• 1. 当金属板D1、D2之间未加电场时，射线不偏转，射 在屏上P1点。施加电场E之后，射线发生偏转并射到 屏上P2处。由此可以推断阴极射线带有什么性质的电 荷？
电子的发现
密立根油滴实验的原理图
电子电荷的现代值：
e 1.602210 C
电荷是量子化的，即任何带电体的电荷只能是e 的整数倍，根据荷质比，测得电子的质量为：
19
m 9.109410 kg
质子质量与电子质量的比值为：
31
mp me
1836
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。 电子是带负电，原子是电中性，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。
课堂小结
发现阴极射线 汤姆孙的实验 （在电磁场中 偏转）——阴 极射线是带电 粒子流 阴极射线的本质 对其他现象的研 究（光电效应、 热离子发射、 β 射线）——都能 发射同种带电粒 子
汤姆孙的实验 （不同材料的 阴极，不同的 气体）——射 线粒子的电荷 与氢离子一样
电子是所有 原子的组成 部分
密立根油滴实 验测得电子所 带电荷量
进一步研究
汤姆孙用不同材料的阴极做实验，都能产生阴极 射线，即不同物质都能发射带电粒子。而且所得 比荷的数值都是相同。 说明了什么？ 不同物质都能发射这种带电粒子， 它是构成各种物质的共有成分。
关于比荷
汤姆孙由实验测得的阴极射线粒子的比荷是氢离 子比荷近两千倍。
猜想：阴极射线粒子电荷量的大小和氢离子一样， 但是质量比氢离子小得多。 验证：直接测得了阴极射线粒子的电荷量，虽 然不是很准确，但是足以证明和氢离子大致相 同。
3.1电子的发现及其重大意义
C.使管中障碍物的电势升高
D.使电子加速
解析:在阴极射线管中,阴极射线是由阴极处于炽热状态而发 射电子的,通过高压对电子加速获得能量,与玻璃发生碰撞 而产生荧光,故D正确.
2.汤姆生对阴极射线的探究,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.电子质量是氢离子质量的1836倍 D.电子是一种粒子,是构成物质的基本单元 )
1858年德国物理学家普吕克尔较早发现了气体导电 时的辉光放电现象。1876年德国物理学家戈德斯坦认为 管壁上的荧光是由于玻璃受到的阴极发出的某种射线的 撞击而引起的，并把这种未知射线称之为阴极射线。 电磁波说： 代表人物，赫兹。认为这种射线的本 质是一种电磁波的传播过程。 粒子说： 代表人物，汤姆生。认为这种射线 的本质是一种高速粒子流。
U0 A－
－ － －B
v0
+
+
+
+
电子发现的重大意义 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.从此,原子物
理学飞速发展,人们对物质结构的认识进入了一个新时代.
典例分析 一､磁场对运动电荷的影响 例1:阴极射线从阴极射线管中的阴极发出,在高压下加速飞向 阳极,如下图所示,若要使射线向上偏转,所加磁场方向应为 ( )
做一做:
1、若撤去磁场带电粒子由P1点偏离到P2，P2到 P1竖直距离为y,屏幕到金属板D1、D2右端的距离为D， 你能算出阴极射线的比荷吗？
L m e 萤 幕
D
v0
P1 y P2
L m e
(沪科版)高中物理选修(3-5)第三章原子世界探秘教材分析
(沪科版)高中物理选修(3-5)第三章原子世界探秘教材分析一、《普通高中课程标准》原子结构部分课程标准（二）原子结构1．内容标准（1）了解人类探索原子结构的历史以及有关经典实验。
例1 用录像片或计算机模拟，演示α粒子散射实验。
（2）通过对氢原子光谱的分析，了解原子的能级结构。
例2 了解光谱分析在科学技术中的应用。
2．活动建议观看有关原子结构的科普影片。
二、课标解读内容标准 (1)了解人类探索原子结构的历史以及有关经典实验.。
具体要求：了解人类探索原子结构的历史以及有关经典实验。
例如，了解汤姆逊发现电子的实验和原子的“枣糕结构”模型；了解卢瑟福的α粒子散射实验和原子的“核式结构模型”；通过了解人类探索原子结构的历程，体会科学方法在科学发展中所起的作用。
.内容标准(2) 通过对氢原子光谱的分析,了解原子的能级结构。
具体要求：初步了解玻尔原子结构假说的基本内容。
例如，知道原子核外电子绕核运动的轨道半径只能取某些分立的数值；电子绕核做变速运动但不辐射能量,因而相应的状态是稳定的；原子处于能量最低的基态时最稳定，当处于较高能量状态的原子其核外电子向较低能量状态跃迁时，将以光子的形式放出能量；知道能级的概念;了解氢原子的能级，例如,了解氢原子的能级公式；能计算氢原子在两个能级,间跃迁时发射光子的频率，知道计算公式。
了解光谱的基本知识,知道氢原子光谱的实验规律，认识经典理论对氢原子光谱解释的困难，初步了解玻尔理论对氢原子光谱的解释。
三、整章教材分析1.本章知识的逻辑结构图关于阴极射线的争论 阴极射线是粒子流？ 射线是波长极短的电磁波？ 研究阴极射线的带电性质；用荷质比法测定电子的质量探究实验一 探究实验二 电子的发现及其重大意义英国化学家道尔顿的观点 物体是原子组成的，原子就像实心球，是不能再分割的科学家们对阴极射线的积极研究促使十九世纪末的三大发现 1895年伦琴发现了射线1896贝克勒尔发现了放射性 1897年汤姆生发现了电子 原子模型的提出1904年汤姆生提出枣糕模型 1911年卢瑟福根据α粒子的散射实验提出原子的核式模型吸收光谱明线光谱发射光谱连续光谱2.本章教材内容分析本章教材以人类探索原子结构的历程为线索，从电子的发现开始，展示科学家探索原子结构的过程及有关的经典实验，让学生体会人类在探究微观世界过程中的研究方法及其在现代科学发展中的作用和价值，认识在量子力学视野下的原子结构图景；最后通过对氢原子光谱的分析，让学生了解原子的能级结构，以及光谱分析在科学技术中的应用。
第十八章第一节电子的发现
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第 十 八 章 原 子 结 构 一、阴极射线 阴极射线是从阴极射线管的阴极发出的高速运动的 电子 粒子流，这些微观粒子是_____． 二、电子的发现 汤姆孙 阴极射线 1897年英国物理学家_______通过研究_________发 现了电子；1910年美国物理学家_________通过著名的 密立根 ____实验精确测定了电子的电荷量． 油滴 电子是原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元 ，电子的电荷量约为__________C，电子的质量约为 1.6×10－19 9.1×10－31 __________kg.任何带电体所带电量只能是电子电量的 整数倍 _______．
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图18－1－2
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第 十 八 章 原 子 结 构
【解析】 (1)由于阴板射线向上偏转，因此受电场力 方向向上，又由于匀强电场方向向下，则电场力的方 向与电场方向相反，所以阴极射线带负电． (2)由于所加磁场使阴极射线受到向下的洛伦兹力，由 左手定则得磁场的方向垂直纸面向里．
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【答案】
8.02×10－19 C
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第 十 八 章 原 子 结 构
3．关于密立根“油滴实验”的科学意义，下列说法正确 的是( ) A．测得了电子的电荷量 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 答案：ABCD
第一节 电的发现及其重大意义
第一节电子的发现及其重大意义♦三维目标：了解阴极射线及电子发现的过程2．知道汤姆孙研究阴极射线发现电子的实验及理论推导3.培养学生对问题的分析和解决能力，初步了解原子不是最小不可分割的粒子。
4.理解人类对原子的认识和研究经历了一个十分漫长的过程，这一过程也是辩证发展的过程．根据事实建立学说，发展学说，或是决定学说的取舍，发现新的事实，再建立新的学说．人类就是这样通过光的行为，经过分析和研究，逐渐认识原子的♦教学重点阴极射线的研究♦教学难点汤姆孙发现电子的理论推导♦教学方法实验演示和启发式综合教学法♦教学用具：投影片，多媒体辅助教学设备♦课时安排 1 课时♦教学过程（一）引入新课教师：很早以来，人们一直认为构成物质的最小粒子是原子，原子是一种不可再分割的粒子。
这种认识一直统治了人类思想近两千年。
直到19世纪末，科学家对实验中的阴极射线深入研究时，发现了电子，使人类对微观世界有了新的认识。
电子的发现是19世纪末、20世纪初物理学三大发现之一。
（二）进行新课1．阴极射线讲述：气体分子在高压电场下可以发生电离，使本来不带电的空气分子变成具有等量正、负电荷的带电粒子，使不导电的空气变成导体。
设疑：是什么原因让空气分子变成带电粒子的？带电粒子从何而来的？科学家在研究气体导电时发现了辉光放电现象。
史料：1858年德国物理学家普吕克尔较早发现了气体导电时的辉光放电现象。
德国物理学家戈德斯坦研究辉光放电现象时认为这是从阴极发出的某种射线引起的。
所以他把这种未知射线称之为阴极射线。
对于阴极射线的本质，有大量的科学家作出大量的科学研究，主要形成了两种观点。
（1）电磁波说：代表人物，赫兹。
认为这种射线的本质是一种电磁波的传播过程。
（2）粒子说：代表人物，汤姆孙。
认为这种射线的本质是一种高速粒子流。
思考：你能否设计一个实验来进行阴极射线的研究，能通过实验现象来说明这种射线是一种电磁波还是一种高速粒子流。
如果出现什么样的现象就可以认为这是一种电磁波，如果出现其他什么样的现象就可以认为这是一种高速粒子流，并能否测定这是一种什么粒子。
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第一节电子的发现及其重大意义
♦三维目标：
了解阴极射线及电子发现的过程2．知道汤姆孙研究阴极射线发现电子的实验及理论推导3.培养学生对问题的分析和解决能力，初步了解原子不是最小不可分割的粒子。
4.理解人类对原子的认识和研究经历了一个十分漫长的过程，这一过程也是辩证发展的过程．根据事实建立学说，发展学说，或是决定学说的取舍，发现新的事实，再建立新的学说．人类就是这样通过光的行为，经过分析和研究，逐渐认识原子的
♦教学重点阴极射线的研究
♦教学难点汤姆孙发现电子的理论推导
♦教学方法实验演示和启发式综合教学法
♦教学用具：投影片，多媒体辅助教学设备
♦课时安排 1 课时
♦教学过程
（一）引入新课
教师：很早以来，人们一直认为构成物质的最小粒子是原子，原子是一种不可再分割的粒子。
这种认识一直统治了人类思想近两千年。
直到19世纪末，科学家对实验中的阴极射线深入研究时，发现了电子，使人类对微观世界有了新的认识。
电子的发现是19世纪末、20世纪初物理学三大发现之一。
（二）进行新课
1．阴极射线
讲述：气体分子在高压电场下可以发生电离，使本来不带电的空气分子变成具有等量正、负电荷的带电粒子，使不导电的空气变成导体。
设疑：是什么原因让空气分子变成带电粒子的？带电粒子从何而来的？
科学家在研究气体导电时发现了辉光放电现象。
史料：1858年德国物理学家普吕克尔较早发现了气体导电时的辉光放电现象。
德国物理学家戈德斯坦研究辉光放电现象时认为这是从阴极发出的某种射线引起的。
所以他把这种未知射线称之为阴极射线。
对于阴极射线的本质，有大量的科学家作出大量的科学研究，主要形成了两种观点。
（1）电磁波说：代表人物，赫兹。
认为这种射线的本质是一种电磁波的传播过程。
（2）粒子说：代表人物，汤姆孙。
认为这种射线的本质是一种高速粒子流。
思考：你能否设计一个实验来进行阴极射线的研究，能通过实验现象来说明这种射线是一种电磁波还是一种高速粒子流。
如果出现什么样的现象就可以认为这是一种电磁波，如果出现其他什么样的现象就可以认为这是一种高速粒子流，并能否测定这是一种什么粒子。
2．汤姆孙的研究
英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子。
实验装置如图所示，
从高压电场的阴极发出的阴极射线，穿过C 1C 2后沿直线打在荧光屏A ＇上。
（1）当在平行极板上加一如图所示的电场，发现阴极射线打在荧光屏上的位置向下偏，则可判定，阴极射线带有负电荷。
（2）为使阴极射线不发生偏转，则请思考可在平行极板区域采取什么措施。
在平行极板区域加一磁场，且磁场方向必须垂直纸面向外。
当满足条件 qE B qv =0 时，则阴极射线不发生偏转。
则：B
E v =0 （3）根据带电的阴极射线在电场中的运动情况可知，其速度偏转角为：
又因为：)2(tan L D y
+=θ 且B E v =0 则：L B L D Ey m q 2)2
(+= 根据已知量，可求出阴极射线的比荷。
思考：利用磁场使带电的阴极射线发生偏转，能否根据磁场的特点和带电粒子在磁场中的运动规律来计算阴极射线的比荷？
汤姆孙发现，用不同材料的阴极和不同的方法做实验，所得比荷的数值是相等的。
这说明，这种粒子是构成各种物质的共有成分。
并由实验测得的阴极射线粒子的比荷是氢离子比荷的近两千倍。
若这种粒子的电荷量与氢离子的电荷量机同，则其质量约为氢离子质量的近两千分之一。
汤姆孙后续的实验粗略测出了这种粒子的电荷量确实与氢离子的电荷量差别不
L 萤幕 D S S O 电场E A
y + - e m y 1 y 2
+ v 0 v C C 1 C 2
Y ' S +
磁场
大，证明了汤姆孙的猜测是正确的。
汤姆生把新发现的这种粒子称之为电子。
电子的电荷量e＝1.×10－19C
第一次较为精确测量出电子电荷量的是美国物理学家密立根利用油滴实验测量出的。
密立根通过实验还发现，电荷具有量子化的特征。
即任何电荷只能是e的整数倍。
电子的质量m＝9.1093897×10－31kg
阅读：
电子的发现者是英国科学家汤姆孙发现的,这是第一个被发现的基本粒子,由于电子的发现,汤姆孙被后人誉为”一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”.他因电子发现和对气体导电理论和实验的研究所作出的贡献获1906年诺贝尔物理学奖.
电子的发现打破了原子不可分的经典的物质观,向人们宣告原子不是构成物质的最小单元,它具有内部结构,是可分的.电子的发现是与微观物质组成有最直接的关系,它是组成原子的普适成分,它的质量比氢原子要小3个数量级.
电子的发现开辟了原子物理学的崭新研究领域.在这以后,电子的性质,在原子中电子的运动规律,电子通过晶体的衍射等都是物理学家感兴趣的研究内容.在这些领域的不少研究成果都获得了诺贝尔物理学奖.
电子的问世开辟了电子技术的新时代.从20世纪20年代开始,从电子管生产到半导体管的诞生及半导体技术的发展,再到集成电路的发明,使人类进入微电子科技时代.作为现代技术革命的重要标志的微电子技术不仅使人类的通讯技术进入高速,准确和可靠的领域,同时,也大大促进了电子计算机技术的发展,微电子技术和电子计算机技术正是现代现代信息技术的两个重要基础,使今天人类社会又步入了一个新的发展时期即信息社会.
【课堂例题】
例题1、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，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，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
例题2、有一电子（电荷量为e）经电压为U0的电场加速后，进入两块间距为d，电压
为U的平行金属板间，若电子从两板正中间垂直电场方向射入，且正好能穿过电场，求：A B v0
－－－－
（1）金属板AB的长度
（2）电子穿出电场时的动能
（三）课堂小结
科学家在对阴极射线的研究中发现了电子，使人们对微观世界的认识进入了一个新的时代，电子的发现是19世纪末物理学史上的三大发现之一。
在物理学的发展中具有比较重要的作用。
了解科学家是如何发现电子的，应用了哪些研究方法，对我们学好物理有重要的帮助作用。
（四）作业：完成问题与练习。
★教学体会
思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践活动，物理教学就成了无源之水、无本之木。
学生素质的培养就成了镜中花，水中月。