高中物理第2章原子结构1电子的发现与汤姆孙模型学案鲁科选修3-5
第1节 电子的发现与汤姆孙模型
[目标定位] 1.知道阴极射线是由电子组成的，电子是原子的组成部分.2.了解汤姆孙发现电子的研究方法及蕴含的科学思想.3.领会电子的发现对揭示原子结构的重大意义.4.了解汤姆孙的原子模型．
一、物质结构的早期探究 1．古人对物质的认识
(1)我国西周的“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)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，叫做“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位．
(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．
二、电子的发现
1．阴极射线：科学家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
(1)实验中通过静电偏转力和磁场偏转力相抵消等方法，确定了阴极射线粒子的速度，并测量出了这些粒子的比荷：q m ＝
E
RB 2
. (2)阴极射线是带电粒子流，带负电．
(3)不同物质都能发射这种带电粒子，它是各种物质中共有的成分，其质量是氢离子质量的1
1 800
，汤姆孙将这种带电粒子称为电子． 想一想 汤姆孙怎样通过实验确定阴极射线是带负电的粒子？
答案 他根据阴极射线在电场和磁场中偏转情况判断其是带负电的电子流． 三、汤姆孙原子模型
汤姆孙认为，原子带正电的部分应充斥整个原子，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．
一、阴极射线的性质及特点
1．阴极射线实质是电子束．
2．阴极射线的产生：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．
图1
(2)带电性质的判断方法
①粒子在电场中运动如图1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．
图2
②粒子在磁场中运动，如图2所示．粒子将受到洛伦兹力作用F＝qvB，洛伦兹力方向始终与速度方向垂直，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．
【例1】如图3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( )
图3
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
答案 C
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． 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 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 答案 C
解析 阴极射线是原子受激发射出的电子流，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． 二、电子比荷的测定
1．汤姆孙在研究阴极射线时的实验装置如图4所示：
图4
2．带电粒子比荷的测定方法
图5
(1)让粒子通过正交的电磁场(如图5所示)，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v ＝E
B
. (2)在其他条件不变的情况下，
图6
撤去电场(如图6所示)，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
Bqv ＝mv 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
B 2R
，最后经定量计算汤姆孙认定组成阴极射线的粒子为电子．
【例2】 如图7所示为测定阴极射线粒子比荷的装置，从阴极K 发出的阴极射线通过一对平行金属板D 1、D 2间的匀强电场，发生偏转．
图7
(1)在D 1、D 2间加电场后射线偏到P 2，则由电场方向知，该射线带什么电？
(2)再在D 1、D 2间加一磁场(图中未画出)，电场与磁场垂直，让射线恰好不偏转．设电场强度为E ，磁感应强度为B ，则电子的速度多大？
(3)撤去电场，只保留磁场，使射线在磁场中做圆周运动，若测出轨道半径为R ，则粒子的荷质比q m
是多大？ 解析 (1)负电
(2)粒子受两个力作用：电场力和洛伦兹力，两个力平衡，即有qE ＝qvB ，得：v ＝E B
(3)根据洛伦兹力充当向心力：qvB ＝m v 2R ，得出：q m ＝v
BR
.
又v ＝E
B ，则q m ＝
E B 2R .测出E 、B 、R 即可求荷质比q
m
. 答案 (1)负电 (2)E
B
(3)E B 2R
借题发挥 测比荷的方法
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qvB ＝m v 2R 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．
(2)利用电偏转测比荷，偏转量y ＝12at 2＝12·qU md ? ????L v 2，故q m ＝2ydv
2
UL 2.所以在偏转电场U 、d 、L
已知时，只需测量v 和y 即可． 三、汤姆孙的原子模型
图8
1．汤姆孙原子模型：汤姆孙认为原子是一个直径约为10－10m的球体，正电荷均匀分布在整个球体中，带负电的电子嵌在其中，就好像面包中嵌着一粒粒葡萄干一样．
2．汤姆孙原子模型的示意图：(如图8所示)
【例3】关于汤姆孙原子模型的说法正确的是( )
A．汤姆孙原子模型的提出是以严格的实验为基础的
B．汤姆孙认为原子是实心的
C．汤姆孙发现电子后猜想出原子内的正电荷集中在原子的中心
D．汤姆孙通过实验发现了质子
答案 B
解析汤姆孙原子模型是在一定的实验和理论基础上假想出来的，不是以严格的实验为基础的，A错误；汤姆孙认为，原子是球体，原子带正电的部分应充斥整个原子，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，所以B正确，C错误；汤姆孙发现了电子，并没有发现质子，D错误.
阴极射线
1．如图9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( )
图9
A．向纸内偏转B．向纸外偏转
C．向下偏转D．向上偏转
答案 D
解析由安培定则判断阴极射线所在处磁场垂直纸面向外，电子从负极端射出，由左手定则，可判定阴极射线(电子)向上偏转，故D对．
2.如图10所示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( )
图10
A ．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 答案 B
解析 由于电子沿x 轴正方向运动，若所受洛伦兹力向下，使电子射线向下偏转，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，所受电场力方向向下，则所加电场方向应沿z 轴正方向，由此可知B 正确．
汤姆孙原子模型
3．(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，则镶嵌在球体的某些固定位置
D ．汤姆孙原子模型是正确的 答案 ABC
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．
电子比荷的测定
4.如图11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．
图11
答案
2U
B 2d 2
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：q U
d
＝qvB ① 撤去电场后，由牛顿第二定律得
qvB ＝mv 2
R ②
R ＝d 2
③
解①②③得：q m ＝
2U
B 2d 2
.
(时间：60分钟)
题组一 对阴极射线的理解
1．(多选)关于阴极射线，下列说法正确的是( ) A ．阴极射线带负电 B ．阴级射线带正电
C ．阴级射线的比荷比氢原子的比荷大
D ．阴极射线的比荷比氢原子的比荷小 答案 AC
解析 由阴极射线在电场中的偏转方向可判断其带负电，A 对；汤姆孙用实验测定，阴极射线比荷是氢原子比荷的近两千倍，C 对．
2．(多选)关于阴极射线，下列说法正确的是( ) A ．阴极射线就是稀薄气体导电的辉光放电现象 B ．阴极射线是由阴极发出的电子流 C ．阴极射线是组成物体的原子
D ．阴极射线沿直线传播，但可被电场、磁场偏转 答案 BD
解析 阴极射线是由阴极发出的电子流，B 正确，A 错误；电子是原子的组成部分，C 错误；电子可被电场、磁场偏转，D 正确． 3．阴极射线管中加高电压的作用是( ) A ．使管内的气体电离 B ．使阴极发出阴极射线 C ．使管内障碍物的电势升高
D ．使管内产生强电场，电场力做功使电子加速 答案 D
解析 在阴极射线管中，阴极射线是由阴极处于炽热状态而发射出的电子流，B 错；发射出的电子流通过高电压加速后，获得较高的能量，与玻璃管壁发生撞击而产生荧光，故A 、C 错，D 正确．
4．汤姆孙通过测定组成阴极射线的粒子的比荷发现了________，从而说明原子内部有复杂的结构．密立根通过油滴实验测定了电子的________．
答案电子电荷量
题组二电子及电子比荷的测定
5．关于电荷的电荷量，下列说法错误的是( )
A．电子的电荷量是由密立根油滴实验测得的
B．物体所带电荷量可以是任意值
C．物体所带电荷量最小值为1.6×10－19 C
D．物体所带的电荷量都是元电荷的整数倍
答案 B
解析密立根的油滴实验测出了电子的电荷量为1.6×10－19C，并提出了电荷量子化的观点，因而A、C对，B错；任何物体的电荷量都是e的整数倍，故D对．因此选B.
6．(多选)如图1所示是汤姆孙的气体放电管的示意图，下列说法中正确的是( )
图1
A．若在D1、D2之间不加电场和磁场，则阴极射线应打到最右端的P1点
B．若在D1、D2之间加上竖直向下的电场，则阴极射线应向下偏转
C．若在D1、D2之间加上竖直向下的电场，则阴极射线应向上偏转
D．若在D1、D2之间加上垂直纸面向里的磁场，则阴极射线不偏转
答案AC
解析实验证明，阴极射线是电子流，它在电场中偏转时应偏向带正电的极板一侧，可知选项C正确，选项B错误．加上垂直纸面向里的磁场时，电子在磁场中受洛伦兹力，要发生偏转，因而选项D错误．当不加电场和磁场时，电子所受的重力可以忽略不计，因而不发生偏转，选项A正确．
7.密立根油滴实验进一步证实了电子的存在，揭示了电荷的非连续性．如图2所示是密立根油滴实验的原理示意图，设小油滴的质量为m，调节两极板间的电势差U，当小油滴悬浮不动时，测出两极板间的距离为d.则可求出小油滴的电荷量q＝________.
图2
答案
mgd U
解析 由平衡条件得mg ＝q U d
，解得q ＝
mgd U
. 8．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？ 答案
2Ed B 2L 2
解析 设带电粒子以速度v 0垂直电场方向进入匀强电场，则d ＝12at 2＝qE 2m ? ????L v 02
①
此带电粒子垂直入射到正交的电磁场区域时不发生偏转， 由平衡条件qE ＝qv 0B ， 得v 0＝E
B
②
由①②两式得qEL 22md ＝E 2
B
2
解得q m ＝
2Ed
B 2L 2
.