高中物理 第二章 原子结构 2.1 电子课件 教科版选修35.ppt

第二章原子结构1电子 一 带负电的微粒1 阴极射线 荧光是由于玻璃受到 发出的某种射线的撞击而引起的 这种射线被命名为 2 阴极射线的特点 1 在真空中沿 传播 2 碰到物体可使物体发出 阴极 阴极射线 直线 荧光 3 阴极射线微粒的电性 让阴极射线分别通过磁场或电场 根据偏转现象 来确定射线微粒的带电性质 实验表明阴极射线是带负电的粒子流 想一想 如图所示 将条形磁铁的一个磁极靠近阴极射线管 发现射线偏转 是什么原因造成这种现象的 提示 阴极射线是带电粒子流 当带电粒子运动方向与磁场方向不平行时 由于洛伦兹力作用 它们的运动轨迹发生偏转 二 电子的发现1 比荷 带电粒子的 与 之比称为比荷 又称 比荷是带电微粒的基本参量之一 电荷量 质量 荷质比 2 发现电子的过程与方法 汤姆孙根据微粒流在电场和磁场中的偏转情况发现粒子的比荷是氢离子比荷的 多倍 之后 他和他的学生又测量出这种粒子的电荷量与氢离子的电荷量 因此断定这种粒子的质量不到氢原子的 是比原子更小的 微粒 汤姆孙将这种粒子称为 目前 测到的电子静质量为9 1093818872 10 31kg 1000 相同 电子 3 电子发现的意义 电子的发现揭开了认识原子结构的序幕 想一想 汤姆孙发现用不同的金属材料制作电极的阴极 测得出射的阴极射线都有相同的比荷 这说明什么问题 提示 这说明各种阴极射线的成分相同 阴极射线的组成成分是构成各种物体的共同成分 是比原子更基本的物质单元 三 电子电荷量的测定1 美国科学家 采用 实验最早测得电子的电荷量 2 元电荷所带的电荷量e 密立根 油滴 1 602 10 19c 判一判 1 电子与元电荷所带电量相同 2 电子就是元电荷 3 带电体所带的电量可以是任意值 提示 1 电子与元电荷所带电量都为1 6 10 19c 故 1 正确 2 元电荷是指最小的电荷 而电子所带的电量为 1 6 10 19c 两者只是所带电量相同 但意义是不同的 故 2 错 3 带电体所带的电量应该是元电荷电量的整数倍 因此只能是某些特殊的值 故 3 错 知识点一 阴极射线与电子的发现思考探究 如图是汤姆孙研究阴极射线微粒电性的实验装置 请思考以下问题 1 当金属板d1 d2之间未加电场时 阴极射线射在屏上的哪一点 2 若施加电场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 3 若要使阴极射线发生偏转并射到屏上p2处 我们应该在金属板d1 d2之间加什么方向的磁场 归纳总结 1 阴极射线 气体的电离和导电 通常情况下 气体是不导电的 但在强电场中 气体能够被电离而导电 在研究气体放电时一般都用玻璃管中的稀薄气体 稀薄气体导电时可以看到辉光放电现象 2 确定阴极射线粒子带电性质的方法 1 粒子在电场中运动 如图所示 带电粒子在电场中运动 受电场力作用运动方向发生改变 粒子质量忽略不计 带电粒子在不受其他力作用时 若沿电场线方向偏转 则粒子带正电 若逆着电场线方向偏转 则粒子带负电 2 粒子在磁场中运动 如图所示 粒子将受到洛伦兹力作用f qvb 速度方向始终与洛伦兹力方向垂直 利用左手定则即可判断粒子的电性 不考虑其他力的作用 如果粒子按图示方向进入磁场 且做顺时针的圆周运动 则粒子带正电 若做逆时针的圆周运动 则粒子带负电 通过上述方法可判定阴极射线是带有负电的粒子 3 比荷的测定方法 1 让粒子通过正交的电磁场 让其做直线运动 根据二力平衡 即qvb qe得到粒子的运动速度v 2 在其他条件不变的情况下 撤去电场 保留磁场让粒子在磁场中做圆周运动 洛伦兹力提供向心力 即qvb m 3 由 确定比荷的表达式 4 电子的发现 1 汤姆孙测得阴极射线粒子的比荷约为2 1011c kg 电荷量与氢离子基本相同 质量为氢离子的 2 最后经定量计算 汤姆孙认定组成阴极射线的粒子为电子 特别提醒 1 阴极射线的来源 若放电管的真空度高 阴极射线的粒子主要来自阴极 若放电管的真空度不高 粒子可能还来自管中气体 2 阴极射线不是x射线 典例探究 典例 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 平行于纸面向下b 平行于纸面向上c 垂直于纸面向外d 垂直于纸面向里 思路点拨 本题可按以下思路进行分析 正确解答 选c 由于阴极射线的本质是电子流 阴极射线向右运动 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 互动探究 1 上例中如果通过施加电场来实现射线向上偏转 所加电场的方向应为 a 平行于纸面向下b 平行于纸面向上c 垂直于纸面向外d 垂直于纸面向里 2 通过磁场或电场使射线发生偏转后 其电子的速度大小发生了怎样的变化 解析 1 选a 使电子向上偏转 电子所受电场力方向向上 由此可知 所加电场方向应平行于纸面向下 2 当通过磁场使电子偏转时 电子受到洛伦兹力做圆周运动 而洛伦兹力方向总与电子速度方向垂直 故不做功 因此电子的速度大小不变 当通过电场使电子偏转时 则电子沿电场力方向加速运动 电场力做正功 故电子的速度变大 答案 1 a 2 通过磁场时电子速度的大小不变 通过电场时电子速度的大小变大 总结提升 阴极射线在阴极射线管中偏转时应注意的问题 1 明确阴极射线管中磁场的方向 2 由于阴极射线是带负电的粒子流 故电流方向与粒子运动方向相反 3 运用左手定则判定受力方向时 要注意四指应指向电流方向 而不是粒子的运动方向 过关训练 1 对阴极射线管的认识 下列说法错误的是 a 阴极射线管是用来观察电子束运动轨迹的装置b 借助阴极射线管我们可以看到每个电子的运动轨迹c 阴极射线管内部抽成真空d 阴极射线管工作时 它的阴极和阳极之间存在强电场 解析 选a 开始人们还不知道阴极射线管的射线是电子流 是汤姆孙用来验证和探究阴极射线的电性 比荷的 选项a错误 b c d的说法正确 2 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 选d 由安培定则知在通电直导线下方磁场方向垂直纸面向外 阴极射出电子后由左手定则知 电子在磁场中向上偏转 知识点二 电子电荷量的测定思考探究 一带电小球的质量为m 以速度v垂直进入电场 并沿直线ab运动 如图所示 请思考以下问题 1 对小球进行受力分析 小球受什么力 它们有什么关系 2 u d m v g已知 试求小球的带电量q为多少 归纳总结 1 密立根油滴实验的原理 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 从喷雾器喷嘴中喷出的小油滴落到a b两板之间的电场中 小油滴由于摩擦而带负电 通过调节a b两板之间的电压可以使小油滴在电场力和重力作用下处于平衡状态 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m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 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 密立根测定了数千个带电油滴的电荷量 发现这些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 并求得了元电荷即电子或质子所带的电荷量e 特别提醒 使带电油滴在匀强电场中处于静止或匀速运动状态 向下或向上 然后根据共点力的平衡条件列方程 求出油滴所带电荷量 发现这些电荷量等于某个最小电荷量的整数倍 即可求出电子所带的电荷量e 典例探究 典例 电子所带电荷量最早是由美国科学家密立根所做的油滴实验测出的 密立根实验的原理如图所示 两块水平放置的平行金属板a b与电源相接 使上面的a板带正电 下面的b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e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 1 如图所示 在a板上方用喷雾器将油滴喷出 若干油滴从板上的小孔中落下 喷出的油滴因摩擦而带负电 已知当a b板间电压为u 间距为d时 油滴恰好静止 撤去电场后油滴徐徐下落 最后测出油滴以速度v匀速运动 已知空气阻力正比于速度 f kv 则油滴所带的电荷量q 2 某次实验得q的测量值见表 单位 10 19c 分析这些数据可知 思路点拨 解答本题时应注意以下两点 1 油滴静止时重力和电场力平衡 2 根据油滴所带电荷量的特点找出变化规律 正确解答 1 由油滴静止得mg eq 0 由油滴做匀速运动得mg f 0 由题意可知f kv 由 解得q 2 油滴的带电荷量是1 6 10 19c的整数倍 故电荷的最小电荷量为1 6 10 19c 答案 1 2 油滴的带电荷量是1 6 10 19c的整数倍 故电荷的最小电荷量为1 6 10 19c 过关训练 1 多选 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 确定了电子带负电荷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 选a b d 密立根的 油滴实验 测出了电子的电荷量 提出了电荷电量的量子化观点 测出了电子的比荷 为进一步研究原子的结构奠定了基础 电子是汤姆孙研究阴极射线时发现的 并且知道了电子带负电荷 故a b d正确 c错误 2 汤姆孙在测定阴极射线比荷时采用的方法是利用电场 磁场偏转法 即测出阴极射线在匀强电场或匀强磁场中穿过一定距离时的偏角 设竖直向下的匀强电场的电场强度为e 阴极射线垂直电场射入 穿过水平距离l后的运动偏角为 较小 tan 如图甲 以磁感应强度为b的匀强磁场代替电场 测出经过一段弧长l的运动偏角为 如图乙 已知阴极射线入射的初 速度相同 试以e b l 表示阴极射线粒子比荷的关系式 重力不计 解析 电子在电场中偏转做类平抛运动 设电子入射的初速度为v0 则有l v0t vy at a tan 所以tan 由于tan 所以 电子在磁场中偏转 设电子在磁场中做匀速圆周运动的半径为r qv0b m l r 联立消去v0整理得答案 温馨提示 比荷是带电微粒的基本参量之一 比荷的测定是本节课的重点 也是高考的重点 它往往会结合磁场和电场出一些综合性较强的题目 因此在平时的学习中一定要加强这方面的练习 拓展例题 考查内容 比荷的测定在研究性学习中 某同学设计了一个测定带电粒子比荷的实验 其实验装置如图所示 abcd是一个长方形盒子 在ad边和cd边上各开有小孔f和e e是cd边上的中点 荧光屏m贴着cd放置 能显示从e孔射出的粒子落点位置 盒子内有一方向垂直于abcd平面的匀强磁场 磁感应强度大小为b 粒子源不断地发射相同的带电粒子 粒子的 初速度可以忽略 粒子经过电压为u的电场加速后 从f孔垂直于ad边射入盒内 粒子经磁场偏转后恰好从e孔射出 若已知 l 不计粒子的重力和粒子之间的相互作用 请你根据上述条件求出带电粒子的比荷 思路点拨 审题时应重点关注以下两点 1 粒子源释放的带电粒子进入加速电场时的初速度可以忽略不计 即初动能为零 2 注意几何关系 l 故 并且要分析圆心的位置 正确解答 带电粒子进入电场 经电场加速 根据动能定理得qu mv2 得v 粒子进入磁场后做匀速圆周运动 轨迹如图所示 设圆周半径为r 在三角形ode中 有 l r 2 2 r2整理得 r l 洛伦兹力充当向心力 qvb m联立上述方程 解得答案 分析电子在磁场中运动时应注意的问题电子在磁场中的运动是本节课的重点之一 也是高考的热点 在解决本类问题时应注意以下几点 1 电子沿磁场方向进入磁场 电子不受磁场力 电子将做匀速直线运动 2 电子垂直于磁场