1、第第 1 1 节节 电子的发现与汤姆孙原子模型电子的发现与汤姆孙原子模型 核心素养 物理观念 科学思维 科学态度与责任 1.了解物质结构早期探究的 基本历程。 2.知道阴极射线是由电子组 成的，电子是原子的组成部 分。 3 了解汤姆孙的原子模型。 了解汤姆孙发现 电子的研究方法 及蕴含的科学思 想。 领会电子的发现 对揭示原子结构 的重大意义。 知识点一 物质结构的早期探究 1.古人对物质的认识 (1)我国古代的“五行说”认为万物是由金、木、水、火、土五种基本“元素” 组成的。 (2)古希腊的亚里士多德认为万物的本质是土、水、火、空气四种“元素”，天 体则由第五种“元素”“以太”构成。 (3)
2、古希腊哲学家德谟克利特等人建立了早期的原子论，认为宇宙间存在着一种 或多种微小的实体，即“原子”。 2.大约在 17 世纪中叶，人们开始通过实验来了解物质的结构 (1)1661 年，玻意耳以化学实验为基础建立了科学的元素论。 (2)19 世纪初，道尔顿提出了原子论，认为原子是元素的最小单元。 (3)1811 年，意大利化学家阿伏伽德罗提出了分子假说，指出分子可以由多个相 同的原子组成。 思考判断 (1)玻意耳认为万物的本质是土、水、火、空气四种元素的元素论。() (2)阿伏伽德罗提出分子可以由多个原子组成。() (3)19 世纪初期形成的原子论观点认为原子是构成物质的最小颗粒且不可分割。 ()
3、 “五行学说”是我国古代的一种物质观。 19 世纪初期形成的分子原子论认为，在物质的结构中存在着分子、原子这 样的层次，宏观物质的化学性质决定于分子，而分子则由原子组成。原子是构成 物质的不可再分割的最小颗粒，它既不能创生，也不能消灭。 知识点二 电子的发现和汤姆孙原子模型 1.电子的发现 (1)阴极射线：科学家在研究稀薄气体放电时发现，当玻璃管内的气体足够稀薄 时，阴极发出一种射线，这种射线能使玻璃管壁发出荧光，这种射线称为阴极射 线。 (2)汤姆孙对阴极射线本质的探究 通过使阴极射线粒子受到的静电力和洛伦兹力平衡等方法， 确定了阴极射线粒 子的本质是带负电的粒子流，并确定了其速度，测量出了
4、这些粒子的比荷：q m E RB2。 用不同的金属分别制成阴极，实验测出的比荷大体相同，说明这种带电粒子是 组成各种物质的共同成分。 阴极射线粒子是电荷量大小与氢离子相同、而质量比氢离子小得多的粒子，他 把这种带电粒子称为电子。 2.汤姆孙的原子模型 汤姆孙认为，原子带正电的部分充斥整个原子，很小很轻的电子镶嵌在球体的某 些固定位置， 正像葡萄干嵌在面包中那样， 这就是原子的 “葡萄干面包”模型。 思考判断 (1)电子的发现，说明原子具有一定的结构。() (2)英国物理学家汤姆孙认为阴极射线是一种电磁辐射。() (3)电子的发现，是 19 世纪末的三大著名发现之一。() 我们看到的荧光并不是阴
5、极射线。 阴极射线实验装置 电子的发现说明原子具有一定的结构，揭开了认识原子结构的序幕。 汤姆孙原子模型示意图 核心要点 阴极射线的性质及特点 问题探究 如图所示，接通真空管(又称阴极射线管)的电源，将条形磁铁的一个磁极靠近射 线管，观察阴极射线是否偏转，向什么方向偏转；把另一个磁极靠近射线管，观 察射线的偏转情况。 你认为射线的偏转是什么原因造成的？你能通过射线偏转的 情况来确定射线粒子流携带的是哪种电荷吗？ 答案 运动电荷在磁场中受到洛伦兹力。根据左手定则，结合磁场方向、粒子运 动方向，可以判断出射线粒子流携带的电荷是正电荷还是负电荷。 探究归纳 1.阴极射线实质是电子束。 2.阴极射线的
6、产生：玻璃管内的气体足够稀薄时，射线由阴极发出，它可使玻璃 管壁发出荧光。 3.阴极射线带电性质的判断方法 (1)阴极射线的本质是电子，在电场(或磁场)中所受电场力(或洛伦兹力)远大于所 受重力，故研究电场力(或洛伦兹力)对电子运动的影响时，一般不考虑重力的影 响。 (2)带电性质的判断方法 粒子在电场中运动如图甲所示。带电粒子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的作用时，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。 粒子在磁场中运动，如图乙所示。粒子将受到洛伦兹力作用 FqvB，洛伦兹 力方向始终与速度方向垂直，利用左手定则即可
7、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。 甲 乙 经典示例 例 1 如图所示， 一玻璃管中有从左向右的阴极射线可能是电磁波或某种粒子流 形成的射线，若在其下方放一通电直导线 AB，射线发生如图所示的偏转，AB 中 的电流方向由 B 到 A，则该射线的本质为( ) A.电磁波 B.带正电的高速粒子流 C.带负电的高速粒子流 D.不带电的高速中性粒子流 解析 射线在电流形成的磁场中发生偏转， 即可确定该射线是由带电粒子构成的 粒子流。 根据安培定则可知， AB 上方的磁场是垂直纸面向里的。 粒
8、子向下偏转， 洛伦兹力方向向下，由左手定则可知射线所形成的电流方向向左，与粒子的运动 方向相反，故粒子带负电。 答案 C 借题发挥 应用左手定则时， 要注意负电荷运动的方向与它形成的电流方向相反， 即应用左手定则时负电荷运动的方向应与四指所指的方向相反。 针对训练 1 关于阴极射线的本质，下列说法正确的是( ) A.阴极射线本质是氢原子 B.阴极射线本质是电磁波 C.阴极射线本质是电子 D.阴极射线本质是 X 射线 解析 阴极射线是原子受激发发射出的电子流，关于阴极射线是电磁波、X 射线 都是在研究阴极射线过程中的一些假设，是错误的。 答案 C 核心要点 带电粒子比荷的测定 要点归纳 1.让带
9、电粒子通过相互垂直的电场和磁场(如图甲)，让其做匀速直线运动，根据 二力平衡，即 F电F洛(qEqvB)，得到粒子的运动速度 vE B。 2.撤去电场(如图乙)，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 qvBmv 2 r ，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： q m E rB2。 经典示例 例 2 1897 年，物理学家汤姆孙正式测定了电子的比荷，打破了原子是不可再分 的最小颗粒的观点。因此，汤姆孙的实验是物理学发展史上最著名的经典实验 之一。 在汤姆孙测电子比荷的实验中，采用了如图所示的阴极射线管，从电子枪 C 出 来的
10、电子经过 A、B 间的电场加速后，水平射入长度为 L 的 D、G 平行板间，接 着在荧光屏中心 F 出现荧光斑。若在 D、G 间加上方向向下，场强为 E 的匀强 电场， 电子将向上偏转； 如果再利用通电线圈在 D、 G 电场区加上一垂直纸面的、 磁感应强度为 B 的匀强磁场(图中未画)，荧光斑恰好回到荧光屏中心，接着再去 掉电场，电子向下偏转，偏转角为，试解决下列问题： (1)说明图中磁场沿什么方向； (2)根据 L、E、B 和 ，求出电子的比荷。 思路点拨 两板间只加电场时电子在电场力作用下做类平抛运动， 同时加上电场 和磁场后电场力和洛伦兹力大小相等，做匀速直线运动，只加磁场时做匀速圆周
11、运动。 解析 (1)两板 D、G 间只加磁场时，电子向下偏转，说明电子所受洛伦兹力的 方向向下，由左手定则可判定磁场方向垂直纸面向里。 (2)电子在两板间做匀速直线运动，eEevB，电子在磁场中偏转时如图所示， evBmv 2 r 由图可知：Lr sin 由以上各式得 e m Esin B2L 。 答案 (1)垂直纸面向里 (2)Esin B2L 规律总结 测量带电粒子比荷常用的两种方法 方法一：利用磁偏转测比荷，由 qvBmv 2 R得 q m v BR，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。 方法二：利用电偏转测比荷，偏转量 y1 2at 21 2 qU m
12、d L v 2 ，故 q m 2ydv2 UL2 。所以在 偏转电场 U、d、L 已知时，只需测量 v 和 y 即可。 针对训练 2 为了测定带电粒子的比荷 q m，让这个带电粒子垂直电场方向飞进平 行金属板间，已知匀强电场的场强为 E，在通过长为 L 的两金属板间后，测得偏 离入射方向的距离为 d，如果在两板间加垂直于电场方向的匀强磁场，磁场方向 垂直于粒子的入射方向， 磁感应强度为 B， 则粒子恰好不偏离原来的方向， 求 q m为 多少？ 解析 设带电粒子以速度 v0垂直电场方向进入匀强电场， 则 d1 2at 2qE 2m L v0 2 此带电粒子垂直入射到正交的电磁场区域时不发生偏转，
13、 由平衡条件 qEqv0B，得 v0E B 由两式得qEL 2 2md E2 B2 解得 q m 2Ed B2L2。 答案 2Ed B2L2 1.(对阴极射线的认识)关于阴极射线，下列说法正确的是( ) A.阴极射线在真空中沿直线传播 B.英国物理学家汤姆孙认为阴极射线是一种电磁辐射 C.阴极射线在电场中受到的电场力方向与电场方向相同 D.阴极射线进入磁场中总不发生偏转 解析 英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线本质时， 通过实验证明阴极射线是带 负电的粒子流，并测量了其比荷，他把这种粒子称为电子，B、C、D 项错误； 阴极射线在真空中不受力，做直线运动，A 项正确。 答案 A 2.(电子电荷量)
14、下列说法中正确的是( ) A.汤姆孙精确地测出了电子电荷量 e1.60210 19 C B.电子电荷量的精确值是卢瑟福测出的 C.物体所带电荷量可以是任意值 D.物体所带的电荷量都是元电荷的整数倍 解析 密立根通过油滴实验精确测得了电子的电荷量并提出了电荷量是量子化 的，A、B 错误；物体所带电荷量的最小值是 e，所带电荷量只能是元电荷的整 数倍，C 错误，D 正确。 答案 D 3.(汤姆孙原子模型)(多选)下列说法正确的是( ) A.汤姆孙研究阴极射线，用测定粒子比荷的方法发现了电子 B.电子的发现证明了原子是可分的 C.汤姆孙认为原子里面带正电荷的物质应充斥整个原子，而带负电的电子，则镶
15、嵌在球体的某些固定位置 D.汤姆孙原子模型是正确的 解析 通过物理学史可得，选项 A 正确；根据电子发现的重要意义可得，选项 B 正确；选项 C 描述的是汤姆孙原子模型，选项 C 正确；汤姆孙原子模型本身是 错的，选项 D 错误。 答案 ABC 4.(电子比荷的测定)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， 带电粒子不发生 偏转，然后撤去电压，粒子做匀速圆周运动，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。 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 qU dqvB 撤去电场后，粒子做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力， 得 qvBmv 2 R 又 Rd 2 解得 q m 2U B2d2。 答案 2U B2d2
