高二物理课件 18.1 电子的发现 （人教版选修3-5）

\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n一、对阴极射线的理解\n1.阴极射线的含义顾名思义，阴极射线是阴极放射出来的射线.经验证它实际上就是电子流.当金属阴极受热温度变得很高时，电子热运动加剧，电子热运动能量足够大时可以在金属表面逸出，形成电子流.\n2.阴极射线带电性质的判断方法(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.\n(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.\n(1)阴极射线不能误认为是X射线.(2)当阴极射线穿过电场或磁场区域时，其重力远小于电场力或洛伦兹力，因此一般不考虑其重力.\n【典例1】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\n【解题指导】【标准解答】选C.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.\n【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()(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？\n【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，则是电子沿电场力方向加速运动，电场力做正功，故电子速度变大.答案：(1)A(2)通过磁场时不变，通过电场时变大\n【变式备选】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.\n二、带电粒子比荷的测定\n带电粒子比荷的测定方法1.让粒子通过正交的电磁场(如图)，让其做直线运动，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：　　　　最后经定量计算汤姆孙认定组成阴极射线的粒子为电子.\n【典例2】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　　　　　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\n【解题指导】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　　　　　　　　　并且要分析圆心的位置.\n【标准解答】带电粒子进入电场，经电场加速.根据动能定理得　　　　　　　　　　　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，有洛伦兹力充当向心力：联立上述方程，解得\n【规律方法】测比荷的方法测量带电粒子的比荷，常见的测量方法有两种：(1)利用磁偏转测比荷，由　　　　　　　　　　只需知道磁感应强度B、带电粒子的初速度v和偏转半径R即可.(2)利用电偏转测比荷，偏转量　　　　　　　　　　　　　　所以在偏转电场U、d、L已知时，只需测量v和y即可.\n【变式训练】如图所示，让一束均匀的阴极射线从两极板正中间垂直穿过正交的电磁场，选择合适的磁感应强度B和两极之间的电压U，带电粒子将不发生偏转，然后撤去电场，粒子将做匀速圆周运动，并垂直打到极板上，两极板之间的距离为d，求阴极射线中带电粒子的比荷.\n【解析】设阴极射线粒子的电荷量为q，质量为m，则在电磁场中由平衡条件得：①撤去电场后，由牛顿第二定律得②③解①、②、③得：答案：\n【典例】一束电子流在经U=5000V的加速电压加速后，在距两极板等距处垂直进入平行板间的匀强电场，如图所示.若两板间距d=1.0cm，板长l=5.0cm，那么，要使电子能从平行板间飞出，两极板上最多能加多大电压？\n【解题指导】解答本题应明确以下三点:(1)电子在加速电场中，可由动能定理求出粒子进入偏转电场的初速度.(2)电子在偏转电场中做类平抛运动，即水平方向上做匀速运动，竖直方向做匀加速运动.(3)粒子恰好能飞出极板与恰不能飞出极板是一临界状态，由临界状态来确定极值.\n【标准解答】在加速电压一定时，偏转电压U′越大，电子在极板间的偏转距离就越大.当偏转电压大到使电子刚好擦着极板的边缘飞出时，此时的偏转电压即为题目要求的最大电压.加速过程，由动能定理得①进入偏转电场，电子在平行于板面的方向上做匀速运动：l=v0t.②\n在垂直于板面的方向上做匀加速运动，加速度③偏距④能飞出的条件为y≤⑤解①～⑤式得即要使电子能飞出，所加电压最大为400V.答案：400V\n一、选择题1.关于阴极射线的性质，下列说法正确的是()A.阴极射线带负电B.阴极射线带正电C.阴极射线中的负电粒子的比荷与氢离子的基本相同D.阴极射线中的负电粒子的带电荷量与氢离子的基本相同【解析】选A、D.阴极射线是电子流，故带负电，A对B错.电子与氢离子的带电荷量相同，但质量不同，故C错D对.\n2.(2011·无锡高二检测)关于空气导电性能，下列说法正确的是()A.空气导电，是空气分子中有的带正电，有的带负电，在强电场作用下向相反方向运动的结果B.空气能够导电，是空气分子在射线或强电场作用下电离的结果C.空气密度越大，导电性能越好D.空气密度变得越稀薄，越容易发出辉光\n【解析】选B、D.空气是由多种气体组成的混合气体，在正常情况下，气体分子不带电(显中性)，是较好的绝缘体.但在射线、受热及强电场作用下，空气分子被电离才具有导电功能，且空气密度较大时，电离的自由电荷很容易与其他空气分子碰撞，正、负电荷又重新复合，难以形成稳定的放电电流，而电离后的自由电荷在稀薄气体环境中导电性能更好，综上所述，正确选项为B、D项.\n3.1897年英国物理学家汤姆孙发现了电子并被称为“电子之父”，下列关于电子的说法正确的是()A.汤姆孙通过阴极射线在电场和磁场中的运动得出了阴极射线是带负电的粒子的结论，并求出了阴极射线的比荷B.汤姆孙通过光电效应的研究，发现了电子C.电子质量是质子质量的1836倍D.汤姆孙通过对不同材料做阴极发出的射线做研究，并研究光电效应等现象，说明电子是原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元\n【解析】选A、D.1897年汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定阴极射线本质上是带负电的电子流，并求出了比荷，从而发现了电子，故A对，B错；电子质量是质子质量的故C错；汤姆孙通过对不同材料做阴极研究阴极射线时均为同一种相同粒子——电子，这就说明电子是构成物质的基本单元，而对光电效应等现象的研究更加验证了这一点，故D对.\n4.如图是电子射线管示意图,接通电源后,电子射线由阴极沿x轴正方向射出,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,在下列措施中可采用的是()\nA.加一磁场,磁场方向沿z轴负方向B.加一磁场,磁场方向沿y轴正方向C.加一电场,电场方向沿z轴负方向D.加一电场,电场方向沿y轴正方向【解析】选B.由于电子沿x轴正方向运动,若使电子射线向下偏转,所受洛伦兹力应向下,由左手定则可知磁场方向应沿y轴正方向;若加电场使电子射线向下偏转,所受电场力方向应向下,则所加电场方向应沿z轴正方向,由此可知B正确.\n5.(2011·温州高二检测)向荧光屏上看去，电子向我们飞来，在偏转线圈中通以如图所示的电流，电子的偏转方向为()A.向上B.向下C.向左D.向右\n【解析】选A.根据安培定则，环形磁铁右侧为N极、左侧为S极，在环内产生水平向左的匀强磁场，利用左手定则可知，电子向上偏转，选项A正确.\n6.关于电子的发现，下列叙述中正确的是()A.电子的发现，说明原子是由电子和原子核组成的B.电子的发现，说明原子具有一定的结构C.电子是第一种被人类发现的微观粒子D.电子的发现，比较好地解释了物体的带电现象【解析】选B、C、D.发现电子之前，人们认为原子是不可再分的最小粒子，电子的发现，说明原子有一定的结构，B正确；电子是人类发现的第一种微观粒子，C正确；物体带电的过程，就是电子的得失和转移的过程，D正确.\n7.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.+3×10-19CB.+4.8×10-19CC.-3.2×10-26CD.-4.8×10-19C【解析】选B、D.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.1.6×10-19C是目前为止自然界中最小的电荷量，故B、D正确.\n8.如图所示，从正离子源发射的正离子经加速电压U加速后进入相互垂直的匀强电场E和匀强磁场B中，发现离子向上偏转，要使此离子沿直线穿过电磁场，则下列说法正确的是()A.增大电场强度E，减小磁感应强度BB.减小加速电压U，增大电场强度EC.适当地加大加速电压UD.适当地减小电场强度E\n【解析】选C、D.正离子进入相互垂直的匀强电场和匀强磁场区域中，受到的电场力F=qE，方向向上，受到的洛伦兹力F洛=qvB，方向向下，离子向上偏，说明电场力大于洛伦兹力，要使离子沿直线运动，即qE=qvB，则只有使洛伦兹力增大或电场力减小，增大洛伦兹力的途径是增大加速电压U或增大磁感应强度B，减小电场力的途径是减小电场强度E.选项C、D正确.\n二、非选择题9.汤姆孙1897年用阴极射线管测量了电子的比荷(电子电荷量与质量之比)，其实验原理如图所示.电子流平行于极板射入，极板P、P′间同时存在匀强电场E和垂直纸面向里的匀强磁场B时，电子流不会发生偏转；极板间只存在垂直纸面向里的匀强磁场B时，电子流穿出平行板电容器时的偏向角已知极板长L=3.0×10-2m,电场强度大小为E=1.5×104V/m，磁感应强度大小为B=5.0×10-4T.求电子比荷.\n【解析】无偏转时，洛伦兹力和电场力平衡，则eE=evB只存在磁场时，有由几何关系偏转角很小时，联立上述公式并代入数据得电子的比荷答案：1.3×1011C/kg\n10.(挑战能力)汤姆孙用来测定电子比荷(电子的电荷量与质量之比)的实验装置如图所示，真空管内的阴极K发出的电子(不计初速、重力和电子间的相互作用)经加速电压加速后，穿过AA′中心的小孔沿中心轴O1O的方向进入两块水平正对放置的平行极板P和P′间的区域，当极板间不加偏转电压时，电子束打在荧光屏的中心O点处，形成了一个亮点；加上偏转电压U后，亮点偏离到O′点(O′与O点的竖直间距为d,水平间距可忽略不计)，此时，在P和P′间的区域，再加上一个方向垂直于纸面向里的匀强磁场，调节磁场的强弱，当磁感应强度的大小为B时，这点重新回到O点，已知极板水平方向的长度为L1,极板间距为b,极板右端到荧光屏的距离为L2.\n(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.\n【解析】(1)当电子受的电场力与洛伦兹力平衡时，做匀速直线运动，亮点回到中心O点.设电子速度为v,则evB=eE,所以(2)当极板间仅有偏转电场时，电子以速度v进入后，竖直方向做匀加速运动，水平方向做匀速运动，在极板间运动时间这样电子在竖直方向上偏转距离为离开电场时竖直方向的速度电子离开电场后做匀速运动，经t2到达荧光屏，在t2时间内向上运动的距离因此电子偏转距离为\n答案：(1)(2)\n【方法技巧】物理信息题处理技巧信息题的特点是起点高、落点低.信息给出的形式有文字信息和图表信息.文字信息往往被一大堆文字所掩盖，各种有用信息间的关系也不是一眼看穿的；图表信息则更为隐蔽，因此获取关键信息、有用信息和丢弃干扰信息，找到思维的起点很重要.对于较复杂的信息题，可按照以下思路分析：(1)提取物理信息(2)构建物理模型(3)转化为数学问题(4)还原为物理结论\nThankyou!\n励志名言形成天才的决定因素应该是勤奋\n安全小贴上课间活动注意安全