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(jìn)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(yàn)證它實(shí)際上就是電子流 當(dāng)金屬陰極受熱溫度變得很高時(shí) 電子熱運(yùn)動(dòng)加劇 電子熱運(yùn)動(dòng)能量足夠大時(shí)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(yùn)動(dòng)如圖所示 帶電粒子在電場中運(yùn)動(dòng) 受電場力作用運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變 粒子質(zhì)量忽略不計(jì) 帶電粒子在不受其他力作用時(shí) 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(fù)電 2 粒子在磁場中運(yùn)動(dòng) 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(jìn)入磁場 且做順時(shí)針的圓周運(yùn)動(dòng) 則粒子帶正電 若做逆時(shí)針的圓周運(yùn)動(dòng) 則粒子帶負(fù)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(shí) 其重力遠(yuǎn)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(yùn)動(dòng)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(xiàng)C正確 互動(dòng)探究 1 上例中如果通過施加電場來實(shí)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(shí) 電子受到洛倫茲力做圓周運(yùn)動(dòng) 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(shí) 則是電子沿電場力方向加速運(yùn)動(dòng) 電場力做正功 故電子速度變大 答案 1 A 2 通過磁場時(shí)不變 通過電場時(shí)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(qiáng)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(yùn)動(dòng) 根據(jù)二力平衡 即F洛 F電 Bqv qE 得到粒子的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng) 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(dá)式 最后經(jīng)定量計(jì)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(jì)了一個(gè)測定帶電粒子比荷的實(shí)驗(yàn) 其實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示 abcd是個(gè)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(diǎn) 熒光屏M貼著cd放置 能顯示從e孔射出的粒子落點(diǎn)位置 盒子內(nèi)有一方向垂直于abcd平面的勻強(qiáng)磁場 磁感應(yīng)強(qiáng)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(jì)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(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下兩點(diǎn) 1 粒子源釋放的帶電粒子進(jìn)入加速電場時(shí)的初速度可以忽略不計(jì) 即初動(dòng)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(jìn)入電場 經(jīng)電場加速 根據(jù)動(dòng)能定理得粒子進(jìn)入磁場后做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 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(qiáng)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(shí) 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(qiáng)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(yùn)動(dòng) 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(jìn)入平行板間的勻強(qiáng)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(diǎn) 1 電子在加速電場中 可由動(dòng)能定理求出粒子進(jìn)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(yùn)動(dòng) 即水平方向上做勻速運(yùn)動(dòng) 豎直方向做勻加速運(yùn)動(dòng) 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(shí) 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(shí) 此時(shí)的偏轉(zhuǎn)電壓即為題目要求的最大電壓 加速過程 由動(dòng)能定理得 進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場 電子在平行于板面的方向上做勻速運(yùn)動(dòng) l v0t 在垂直于板面的方向上做勻加速運(yùn)動(dòng) 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(fù)電B 陰極射線帶正電C 陰極射線中的負(fù)電粒子的比荷與氫離子的基本相同D 陰極射線中的負(fù)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(fù)電 A對B錯(cuò) 電子與氫離子的帶電荷量相同 但質(zhì)量不同 故C錯(cuò)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(fù)電 在強(qiáng)電場作用下向相反方向運(yùn)動(dòng)的結(jié)果B 空氣能夠?qū)щ?是空氣分子在射線或強(qiáng)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(qiáng)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(shí) 電離的自由電荷很容易與其他空氣分子碰撞 正 負(fù)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(xiàng)為B D項(xiàng) 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(yùn)動(dòng)得出了陰極射線是帶負(fù)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(fù)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(cuò) 電子質(zhì)量是質(zhì)子質(zhì)量的故C錯(cuò) 湯姆孫通過對不同材料做陰極研究陰極射線時(shí)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(yàn)證了這一點(diǎn) 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(huì)看到一條亮線 要使熒光屏上的亮線向下 z軸負(fù)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(fù)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(fù)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(yùn)動(dòng) 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?yàn)?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(qiáng)磁場 利用左手定則可知 電子向上偏轉(zhuǎn) 選項(xiàng)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(shí)驗(yàn)小組測得的一組電荷量 哪些是符合事實(shí)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(jìn)入相互垂直的勻強(qiáng)電場E和勻強(qiáng)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(qiáng)度E 減小磁感應(yīng)強(qiáng)度BB 減小加速電壓U 增大電場強(qiáng)度EC 適當(dāng)?shù)丶哟蠹铀匐妷篣D 適當(dāng)?shù)販p小電場強(qiáng)度E 解析 選C D 正離子進(jìn)入相互垂直的勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)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(yùn)動(dòng) 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(qiáng)度B 減小電場力的途徑是減小電場強(qiáng)度E 選項(xiàng)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(shí)驗(yàn)原理如圖所示 電子流平行于極板射入 極板P P 間同時(shí)存在勻強(qiáng)電場E和垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場B時(shí) 電子流不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn) 極板間只存在垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場B時(shí) 電子流穿出平行板電容器時(shí)的偏向角已知極板長L 3 0 10 2m 電場強(qiáng)度大小為E 1 5 104V m 磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B 5 0 10 4T 求電子比荷 解析 無偏轉(zhuǎn)時(shí) 洛倫茲力和電場力平衡 則eE evB只存在磁場時(shí) 有由幾何關(guān)系偏轉(zhuǎn)角很小時(shí) 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(shí)驗(yàn)裝置如圖所示 真空管內(nèi)的陰極K發(fā)出的電子 不計(jì)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(jìn)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(shí) 電子束打在熒光屏的中心O點(diǎn)處 形成了一個(gè)亮點(diǎn) 加上偏轉(zhuǎn)電壓U后 亮點(diǎn)偏離到O 點(diǎn) O 與O點(diǎn)的豎直間距為d 水平間距可忽略不計(jì) 此時(shí) 在P和P 間的區(qū)域 再加上一個(gè)方向垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場 調(diào)節(jié)磁場的強(qiáng)弱 當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為B時(shí) 這點(diǎn)重新回到O點(diǎn) 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(diǎn)的電子速度的大小 2 推導(dǎo)出電子比荷的表達(dá)式 解析 1 當(dāng)電子受的電場力與洛倫茲力平衡時(shí) 做勻速直線運(yùn)動(dòng) 亮點(diǎn)回到中心O點(diǎn) 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(shí) 電子以速度v進(jìn)入后 豎直方向做勻加速運(yùn)動(dòng) 水平方向做勻速運(yùn)動(dòng) 在極板間運(yùn)動(dòng)時(shí)間這樣電子在豎直方向上偏轉(zhuǎn)距離為離開電場時(shí)豎直方向的速度電子離開電場后做勻速運(yùn)動(dòng) 經(jīng)t2到達(dá)熒光屏 在t2時(shí)間內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)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(diǎn)是起點(diǎn)高 落點(diǎn)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(diǎn)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