第一节 电子的发现
课堂探究
探究一 探究电子发现的历程
问题导引
给阴极射线管加上高压,如图所示,将磁铁靠近阴极射线管。根据你观察到的现象,结合前面学过的知识,你认为阴极射线是中性的,还是带电的?如果带电,带什么电?
提示:带电。带负电。
名师精讲
1.装置现象:
2.德国物理学家戈德斯坦将阴极发出的射线命名为阴极射线。
3.猜想:
(1)阴极射线是一种电磁辐射。
(2)阴极射线是带电微粒。
4.英国物理学家汤姆孙让阴极射线在电场和磁场中偏转。
5.密立根通过“油滴实验”精确测定了电子的电荷量和电子的质量。
警示 电子的发现打破了原子不可再分的传统观念,使人们认识到原子不是组成物质的最小粒子,原子本身也是有内部结构的。
【例题1】 如图所示是阴极射线显像管及其偏转线圈的示意图。显像管中有一个阴极,工作时它能发射阴极射线,荧光屏被阴极射线轰击就能发光。安装在管颈的偏转线圈产生偏转磁场,可以使阴极射线发生偏转。下列说法中正确的是( )
A.如果偏转线圈中没有电流,则阴极射线应该打在荧光屏正中的O点
B.如果要使阴极射线在竖直方向偏离中心,打在荧光屏上A
4
点,则偏转磁场的方向应该垂直纸面向里
C.如果要使阴极射线在竖直方向偏离中心,打在荧光屏上B点,则偏转磁场的方向应该垂直纸面向里
D.如果要使阴极射线在荧光屏上的位置由B点向A点移动,则偏转磁场磁感应强度应该先由小到大,再由大到小
解析:如果偏转线圈中没有电流,不产生磁场,则阴极射线将沿直线打在荧光屏上的O点,A项正确;要使阴极射线打在荧光屏上的A点,则其所受洛伦兹力方向应向上,根据左手定则可以得知,偏转磁场的方向应该由里向外,B项错误;同理可判得C项正确;要使阴极射线在荧光屏上的位置由B向A移动,射线在偏转磁场中运动的半径应先增大后减小,根据带电粒子在磁场中的偏转半径公式r=知,偏转磁场的磁感应强度应先由大到小,再由小到大,D项错误。
答案:AC
反思 解答此类题要注意两点:(1)阴极射线是高速电子流(带负电);
(2)使用左手定则判断受力方向时,四指应指向电子流运动的反方向。
探究二 带电粒子比荷的测定方法
问题导引
带电粒子的比荷有哪些测定方法?
提示:两种方法:(1)磁偏转;(2)电偏转。
名师精讲
1. 让带电粒子通过相互垂直的电磁场(如图),让其做匀速直线运动,根据二力平衡,即F洛=F电(Bqv=qE),得到粒子的运动速度v=。
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Bqv=m,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:=。
警示 利用电偏转亦可测量带电粒子的比荷:
偏转量y=at2=·()2,故=,所以在偏转电场U、d、L已知时,只需测量v和y即可。
【例题2】 如图所示为汤姆孙用来测定电子比荷的装置。当极板P和P′间不加偏转电压时,电子束打在荧光屏的中心O点处,形成一个亮点;加上偏转电压U后,亮点偏离到
4
O′点,O′点到O点的竖直距离为d,水平距离可忽略不计;此时在P与P′之间的区域里再加上一个方向垂直于纸面向里的匀强磁场,调节磁感应强度,当其大小为B时,亮点重新回到O点。已知极板水平方向长度为L1,极板间距为b,极板右端到荧光屏的距离为L2。
(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。
解析:(1)当电子受到的电场力与洛伦兹力平衡时,电子做匀速直线运动,亮点重新回到中心O点,设电子的速度为v,则evB=eE,
得v=,即v=。
(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,加速度为a=。
电子在水平方向做匀速运动,在电场内的运动时间为t1=。
这样,电子在电场中,竖直向上偏转的距离为
d1=at=。
离开电场时竖直向上的分速度为v⊥=at1=。
电子离开电场后做匀速直线运动,经t2时间到达荧光屏。
t2=。
t2时间内向上运动的距离为
d2=v⊥t2=。
这样,电子向上的总偏转距离为
d=d1+d2=L1(L2+),可解得=。
答案:(1)
4
(2)
反思 要分析清楚带电粒子在电场和磁场中的运动情况,画好运动过程图,利用几何知识解题。
4