高二物理課件 18.1 《電子的發(fā)現(xiàn)》 （人教選修3-5）

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歡迎進入物理課堂 一 對陰極射線的理解 1 陰極射線的含義顧名思義 陰極射線是陰極放射出來的射線 經(jīng)驗證它實際上就是電子流 當(dāng)金屬陰極受熱溫度變得很高時 電子熱運動加劇 電子熱運動能量足夠大時可以在金屬表面逸出 形成電子流 2 陰極射線帶電性質(zhì)的判斷方法 1 粒子在電場中運動如圖所示 帶電粒子在電場中運動 受電場力作用運動方向發(fā)生改變 粒子質(zhì)量忽略不計 帶電粒子在不受其他力作用時 若沿電場線方向偏轉(zhuǎn) 則粒子帶正電 若逆著電場線方向偏轉(zhuǎn) 則粒子帶負電 2 粒子在磁場中運動 如圖所示 粒子將受到洛倫茲力作用F qvB 速度方向始終與洛倫茲力方向垂直 利用左手定則即可判斷粒子的電性 不考慮其他力的作用 如果粒子按圖示方向進入磁場 且做順時針的圓周運動 則粒子帶正電 若做逆時針的圓周運動 則粒子帶負電 1 陰極射線不能誤認(rèn)為是X射線 2 當(dāng)陰極射線穿過電場或磁場區(qū)域時 其重力遠小于電場力或洛倫茲力 因此一般不考慮其重力 典例1 陰極射線從陰極射線管中的陰極發(fā)出 在其間的高電壓下加速飛向陽極 如圖所示 若要使射線向上偏轉(zhuǎn) 所加磁場的方向應(yīng)為 A 平行于紙面向下B 平行于紙面向上C 垂直于紙面向外D 垂直于紙面向里 解題指導(dǎo) 標(biāo)準(zhǔn)解答 選C 由于陰極射線的本質(zhì)是電子流 陰極射線方向向右傳播 說明電子的運動方向向右 相當(dāng)于存在向左的電流 利用左手定則 使電子所受洛倫茲力方向平行于紙面向上 由此可知磁場方向應(yīng)為垂直于紙面向外 故選項C正確 互動探究 1 上例中如果通過施加電場來實現(xiàn)射線向上偏轉(zhuǎn) 所加電場的方向應(yīng)為 2 通過磁場或電場使射線發(fā)生偏轉(zhuǎn)后 其電子的速度大小發(fā)生了怎樣的變化 解析 1 選A 使電子向上偏轉(zhuǎn) 電子所受電場力方向向上 由此可知 所加電場方向應(yīng)平行于紙面向下 2 當(dāng)通過磁場使電子偏轉(zhuǎn)時 電子受到洛倫茲力做圓周運動 而洛倫茲力總與電子速度方向垂直故不做功 因此電子的速度大小不變 當(dāng)通過電場使電子偏轉(zhuǎn)時 則是電子沿電場力方向加速運動 電場力做正功 故電子速度變大 答案 1 A 2 通過磁場時不變 通過電場時變大 變式備選 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(dǎo)線 則陰極射線將 A 向紙內(nèi)偏轉(zhuǎn)B 向紙外偏轉(zhuǎn)C 向下偏轉(zhuǎn)D 向上偏轉(zhuǎn) 解析 選D 由安培定則知在通電直導(dǎo)線下方磁場方向垂直紙面向外 陰極射出電子后由左手定則知 電子在磁場中向上偏轉(zhuǎn) 二 帶電粒子比荷的測定 帶電粒子比荷的測定方法1 讓粒子通過正交的電磁場 如圖 讓其做直線運動 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(zhuǎn)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 最后經(jīng)定量計算湯姆孫認(rèn)定組成陰極射線的粒子為電子 典例2 在研究性學(xué)習(xí)中 某同學(xué)設(shè)計了一個測定帶電粒子比荷的實驗 其實驗裝置如圖所示 abcd是個長方形盒子 在ad邊和cd邊上各開有小孔f和e e是cd邊上的中點 熒光屏M貼著cd放置 能顯示從e孔射出的粒子落點位置 盒子內(nèi)有一方向垂直于abcd平面的勻強磁場 磁感應(yīng)強度大小為B 粒子源不斷地發(fā)射相同的帶電粒子 粒子的初速度可以忽略 粒子經(jīng)過電壓為U的電場加速后 從f孔垂直于ad邊射入盒內(nèi) 粒子經(jīng)磁場偏轉(zhuǎn)后恰好從e孔射出 若已知不計粒子的重力和粒子之間的相互作用 請你根據(jù)上述條件求出帶電粒子的比荷 解題指導(dǎo) 審題時應(yīng)重點關(guān)注以下兩點 1 粒子源釋放的帶電粒子進入加速電場時的初速度可以忽略不計 即初動能為零 2 注意幾何關(guān)系并且要分析圓心的位置 標(biāo)準(zhǔn)解答 帶電粒子進入電場 經(jīng)電場加速 根據(jù)動能定理得粒子進入磁場后做勻速圓周運動 軌跡如圖所示 設(shè)圓周半徑為R 在三角形Ode中 有洛倫茲力充當(dāng)向心力 聯(lián)立上述方程 解得 規(guī)律方法 測比荷的方法測量帶電粒子的比荷 常見的測量方法有兩種 1 利用磁偏轉(zhuǎn)測比荷 由只需知道磁感應(yīng)強度B 帶電粒子的初速度v和偏轉(zhuǎn)半徑R即可 2 利用電偏轉(zhuǎn)測比荷 偏轉(zhuǎn)量所以在偏轉(zhuǎn)電場U d L已知時 只需測量v和y即可 變式訓(xùn)練 如圖所示 讓一束均勻的陰極射線從兩極板正中間垂直穿過正交的電磁場 選擇合適的磁感應(yīng)強度B和兩極之間的電壓U 帶電粒子將不發(fā)生偏轉(zhuǎn) 然后撤去電場 粒子將做勻速圓周運動 并垂直打到極板上 兩極板之間的距離為d 求陰極射線中帶電粒子的比荷 解析 設(shè)陰極射線粒子的電荷量為q 質(zhì)量為m 則在電磁場中由平衡條件得 撤去電場后 由牛頓第二定律得 解 得 答案 典例 一束電子流在經(jīng)U 5000V的加速電壓加速后 在距兩極板等距處垂直進入平行板間的勻強電場 如圖所示 若兩板間距d 1 0cm 板長l 5 0cm 那么 要使電子能從平行板間飛出 兩極板上最多能加多大電壓 解題指導(dǎo) 解答本題應(yīng)明確以下三點 1 電子在加速電場中 可由動能定理求出粒子進入偏轉(zhuǎn)電場的初速度 2 電子在偏轉(zhuǎn)電場中做類平拋運動 即水平方向上做勻速運動 豎直方向做勻加速運動 3 粒子恰好能飛出極板與恰不能飛出極板是一臨界狀態(tài) 由臨界狀態(tài)來確定極值 標(biāo)準(zhǔn)解答 在加速電壓一定時 偏轉(zhuǎn)電壓U 越大 電子在極板間的偏轉(zhuǎn)距離就越大 當(dāng)偏轉(zhuǎn)電壓大到使電子剛好擦著極板的邊緣飛出時 此時的偏轉(zhuǎn)電壓即為題目要求的最大電壓 加速過程 由動能定理得 進入偏轉(zhuǎn)電場 電子在平行于板面的方向上做勻速運動 l v0t 在垂直于板面的方向上做勻加速運動 加速度 偏距 能飛出的條件為y 解 式得即要使電子能飛出 所加電壓最大為400V 答案 400V 一 選擇題1 關(guān)于陰極射線的性質(zhì) 下列說法正確的是 A 陰極射線帶負電B 陰極射線帶正電C 陰極射線中的負電粒子的比荷與氫離子的基本相同D 陰極射線中的負電粒子的帶電荷量與氫離子的基本相同 解析 選A D 陰極射線是電子流 故帶負電 A對B錯 電子與氫離子的帶電荷量相同 但質(zhì)量不同 故C錯D對 2 2011 無錫高二檢測 關(guān)于空氣導(dǎo)電性能 下列說法正確的是 A 空氣導(dǎo)電 是空氣分子中有的帶正電 有的帶負電 在強電場作用下向相反方向運動的結(jié)果B 空氣能夠?qū)щ?是空氣分子在射線或強電場作用下電離的結(jié)果C 空氣密度越大 導(dǎo)電性能越好D 空氣密度變得越稀薄 越容易發(fā)出輝光 解析 選B D 空氣是由多種氣體組成的混合氣體 在正常情況下 氣體分子不帶電 顯中性 是較好的絕緣體 但在射線 受熱及強電場作用下 空氣分子被電離才具有導(dǎo)電功能 且空氣密度較大時 電離的自由電荷很容易與其他空氣分子碰撞 正 負電荷又重新復(fù)合 難以形成穩(wěn)定的放電電流 而電離后的自由電荷在稀薄氣體環(huán)境中導(dǎo)電性能更好 綜上所述 正確選項為B D項 3 1897年英國物理學(xué)家湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子并被稱為 電子之父 下列關(guān)于電子的說法正確的是 A 湯姆孫通過陰極射線在電場和磁場中的運動得出了陰極射線是帶負電的粒子的結(jié)論 并求出了陰極射線的比荷B 湯姆孫通過光電效應(yīng)的研究 發(fā)現(xiàn)了電子C 電子質(zhì)量是質(zhì)子質(zhì)量的1836倍D 湯姆孫通過對不同材料做陰極發(fā)出的射線做研究 并研究光電效應(yīng)等現(xiàn)象 說明電子是原子的組成部分 是比原子更基本的物質(zhì)單元 解析 選A D 1897年湯姆孫根據(jù)陰極射線在電場和磁場中的偏轉(zhuǎn)情況斷定陰極射線本質(zhì)上是帶負電的電子流 并求出了比荷 從而發(fā)現(xiàn)了電子 故A對 B錯 電子質(zhì)量是質(zhì)子質(zhì)量的故C錯 湯姆孫通過對不同材料做陰極研究陰極射線時均為同一種相同粒子 電子 這就說明電子是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元 而對光電效應(yīng)等現(xiàn)象的研究更加驗證了這一點 故D對 4 如圖是電子射線管示意圖 接通電源后 電子射線由陰極沿x軸正方向射出 在熒光屏上會看到一條亮線 要使熒光屏上的亮線向下 z軸負方向 偏轉(zhuǎn) 在下列措施中可采用的是 A 加一磁場 磁場方向沿z軸負方向B 加一磁場 磁場方向沿y軸正方向C 加一電場 電場方向沿z軸負方向D 加一電場 電場方向沿y軸正方向 解析 選B 由于電子沿x軸正方向運動 若使電子射線向下偏轉(zhuǎn) 所受洛倫茲力應(yīng)向下 由左手定則可知磁場方向應(yīng)沿y軸正方向 若加電場使電子射線向下偏轉(zhuǎn) 所受電場力方向應(yīng)向下 則所加電場方向應(yīng)沿z軸正方向 由此可知B正確 5 2011 溫州高二檢測 向熒光屏上看去 電子向我們飛來 在偏轉(zhuǎn)線圈中通以如圖所示的電流 電子的偏轉(zhuǎn)方向為 A 向上B 向下C 向左D 向右 解析 選A 根據(jù)安培定則 環(huán)形磁鐵右側(cè)為N極 左側(cè)為S極 在環(huán)內(nèi)產(chǎn)生水平向左的勻強磁場 利用左手定則可知 電子向上偏轉(zhuǎn) 選項A正確 6 關(guān)于電子的發(fā)現(xiàn) 下列敘述中正確的是 A 電子的發(fā)現(xiàn) 說明原子是由電子和原子核組成的B 電子的發(fā)現(xiàn) 說明原子具有一定的結(jié)構(gòu)C 電子是第一種被人類發(fā)現(xiàn)的微觀粒子D 電子的發(fā)現(xiàn) 比較好地解釋了物體的帶電現(xiàn)象 解析 選B C D 發(fā)現(xiàn)電子之前 人們認(rèn)為原子是不可再分的最小粒子 電子的發(fā)現(xiàn) 說明原子有一定的結(jié)構(gòu) B正確 電子是人類發(fā)現(xiàn)的第一種微觀粒子 C正確 物體帶電的過程 就是電子的得失和轉(zhuǎn)移的過程 D正確 7 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 19CB 4 8 10 19CC 3 2 10 26CD 4 8 10 19C 解析 選B D 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 1 6 10 19C是目前為止自然界中最小的電荷量 故B D正確 8 如圖所示 從正離子源發(fā)射的正離子經(jīng)加速電壓U加速后進入相互垂直的勻強電場E和勻強磁場B中 發(fā)現(xiàn)離子向上偏轉(zhuǎn) 要使此離子沿直線穿過電磁場 則下列說法正確的是 A 增大電場強度E 減小磁感應(yīng)強度BB 減小加速電壓U 增大電場強度EC 適當(dāng)?shù)丶哟蠹铀匐妷篣D 適當(dāng)?shù)販p小電場強度E 解析 選C D 正離子進入相互垂直的勻強電場和勻強磁場區(qū)域中 受到的電場力F qE 方向向上 受到的洛倫茲力F洛 qvB 方向向下 離子向上偏 說明電場力大于洛倫茲力 要使離子沿直線運動 即qE qvB 則只有使洛倫茲力增大或電場力減小 增大洛倫茲力的途徑是增大加速電壓U或增大磁感應(yīng)強度B 減小電場力的途徑是減小電場強度E 選項C D正確 二 非選擇題9 湯姆孫1897年用陰極射線管測量了電子的比荷 電子電荷量與質(zhì)量之比 其實驗原理如圖所示 電子流平行于極板射入 極板P P 間同時存在勻強電場E和垂直紙面向里的勻強磁場B時 電子流不會發(fā)生偏轉(zhuǎn) 極板間只存在垂直紙面向里的勻強磁場B時 電子流穿出平行板電容器時的偏向角已知極板長L 3 0 10 2m 電場強度大小為E 1 5 104V m 磁感應(yīng)強度大小為B 5 0 10 4T 求電子比荷 解析 無偏轉(zhuǎn)時 洛倫茲力和電場力平衡 則eE evB只存在磁場時 有由幾何關(guān)系偏轉(zhuǎn)角很小時 聯(lián)立上述公式并代入數(shù)據(jù)得電子的比荷答案 1 3 1011C kg 10 挑戰(zhàn)能力 湯姆孫用來測定電子比荷 電子的電荷量與質(zhì)量之比 的實驗裝置如圖所示 真空管內(nèi)的陰極K發(fā)出的電子 不計初速 重力和電子間的相互作用 經(jīng)加速電壓加速后 穿過AA 中心的小孔沿中心軸O1O的方向進入兩塊水平正對放置的平行極板P和P 間的區(qū)域 當(dāng)極板間不加偏轉(zhuǎn)電壓時 電子束打在熒光屏的中心O點處 形成了一個亮點 加上偏轉(zhuǎn)電壓U后 亮點偏離到O 點 O 與O點的豎直間距為d 水平間距可忽略不計 此時 在P和P 間的區(qū)域 再加上一個方向垂直于紙面向里的勻強磁場 調(diào)節(jié)磁場的強弱 當(dāng)磁感應(yīng)強度的大小為B時 這點重新回到O點 已知極板水平方向的長度為L1 極板間距為b 極板右端到熒光屏的距離為L2 1 求打在熒光屏O點的電子速度的大小 2 推導(dǎo)出電子比荷的表達式 解析 1 當(dāng)電子受的電場力與洛倫茲力平衡時 做勻速直線運動 亮點回到中心O點 設(shè)電子速度為v 則evB eE 所以 2 當(dāng)極板間僅有偏轉(zhuǎn)電場時 電子以速度v進入后 豎直方向做勻加速運動 水平方向做勻速運動 在極板間運動時間這樣電子在豎直方向上偏轉(zhuǎn)距離為離開電場時豎直方向的速度電子離開電場后做勻速運動 經(jīng)t2到達熒光屏 在t2時間內(nèi)向上運動的距離因此電子偏轉(zhuǎn)距離為 答案 1 2 方法技巧 物理信息題處理技巧信息題的特點是起點高 落點低 信息給出的形式有文字信息和圖表信息 文字信息往往被一大堆文字所掩蓋 各種有用信息間的關(guān)系也不是一眼看穿的 圖表信息則更為隱蔽 因此獲取關(guān)鍵信息 有用信息和丟棄干擾信息 找到思維的起點很重要 對于較復(fù)雜的信息題 可按照以下思路分析 1 提取物理信息 2 構(gòu)建物理模型 3 轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題 4 還原為物理結(jié)論 Thankyou 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全