3.1 敲开原子的大门
三维教学目标 1、知识与技能
（1）了解阴极射线及电子发现的过程；
（2）知道汤姆孙研究阴极射线发现电子的实验及理论推导。
2、过程与方法：培养学生对问题的分析和解决能力，初步了解原子不是最小不可分割的粒子。
3、情感、态度与价值观：理解人类对原子的认识和研究经历了一个十分漫长的过程，这一过程也是辩证发展的过程，根据事实建立学说，发展学说，或是决定学说的取舍，发现新的事实，再建立新的学说。人类就是这样通过光的行为，经过分析和研究，逐渐认识原子的。 教学重点：阴极射线的研究。
教学难点：汤姆孙发现电子的理论推导。 教学方法：实验演示和启发式综合教学法。 教学用具：投影片，多媒体辅助教学设备。 教学过程：
（一）引入新课
很早以来，人们一直认为构成物质的最小粒子是原子，原子是一种不可再分割的粒子。这种认识一直统治了人类思想近两千年。直到19世纪末，科学家对实验中的阴极射线深入研究时，发现了电子，使人类对微观世界有了新的认识。电子的发现是19世纪末、20世纪初物理学三大发现之一。
（二）进行新课 1、阴极射线
气体分子在高压电场下可以发生电离，使本来不带电的空气分子变成具有等量正、负电荷的带电粒子，使不导电的空气变成导体。
问题：是什么原因让空气分子变成带电粒子的？带电粒子从何而来的？
史料：科学家在研究气体导电时发现了辉光放电现象。1858年德国物理学家普吕克尔较早发现了气体导电时的辉光放电现象。德国物理学家戈德斯坦研究辉光放电现象时认为这是从阴极发出的某种射线引起的。所以他把这种未知射线称之为阴极射线。对于阴极射线的本质，有大量的科学家作出大量的科学研究，主要形成了两种观点。
（1）电磁波说：代表人物，赫兹。认为这种射线的本质是一种电磁波的传播过程。 （2）粒子说：代表人物，汤姆孙。认为这种射线的本质是一种高速粒子流。 思考：你能否设计一个实验来进行阴极射线的研究，能通过实验现象来说明这种射线是一种电磁波还是一种高速粒子流。
如果出现什么样的现象就可以认为这是一种电磁波，如果出现其他什么样的现象就可以认为这是一种高速粒子流，并能否测定这是一种什么粒子。
2、汤姆孙的研究
英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子。实验装置如图所示，从高压电场的阴极发出的阴极射线，穿过C1C2后沿直线打在荧光屏A＇上。
? ? 磁场
S C C1 C2 ? Y A?
?
（1）当在平行极板上加一如图所示的电场，发现阴极射线打在荧光屏上的位置向下偏，则可判定，阴极射线带有负电荷。
（2）为使阴极射线不发生偏转，则请思考可在平行极板区域采取什么措施。
在平行极板区域加一磁场，且磁场方向必须垂直纸面向外。当满足条件：qv0B?qE 时，则阴极射线不发生偏转。则：v0?E B（3）根据带电的阴极射线在电场中的运动情况可知，其速度偏转角为：tan??qEL 2mv0又因为：tan??yL(D?)2
L e v0 电场E O m ? A ? v S D S 萤幕 y y1 ? y2 E且v0?
BqEy则：?
L2m(D?)BL2x 根据已知量，可求出阴极射线的比荷。 思考：利用磁场使带电的阴极射线发生偏转，能否根据磁场的特点和带电粒子在磁场中的运动规律来计算阴极射线的比荷？
汤姆孙发现，用不同材料的阴极和不同的方法做实验，所得比荷的数值是相等的。这说明，这种粒子是构成各种物质的共有成分。并由实验测得的阴极射线粒子的比荷是氢离子比荷的近两千倍。若这种粒子的电荷量与氢离子的电荷量机同，则其质量约为氢离子质量的近两千分之一。汤姆孙后续的实验粗略测出了这种粒子的电荷量确实与氢离子的电荷量差别不大，证明了汤姆孙的猜测是正确的。汤姆生把新发现的这种粒子称之为电子。
－19
电子的电荷量 e＝1.60217733×10C
第一次较为精确测量出电子电荷量的是美国物理学家密立根利用油滴实验测量出的。密立根通过实验还发现，电荷具有量子化的特征。即任何电荷只能是e的整数倍。电子的质量 m
－31
＝9.1093897×10kg
课堂例题
例题1：一只阴极射线管，左侧不断有电子射出，若在管的正下方，放一通电直导线AB时，发现射线径迹向下偏，则：（ ）
A．导线中的电流由A流向BB．导线中的电流由B流向A
C．若要使电子束的径迹往上偏，可以通过改变AB中的电流方向来实现 D．电子束的径迹与AB中的电流方向无关
B A
例题2：有一电子（电荷量为e）经电压为U0的电场加速后，进入两块间距为d，电压为U的平行金属板间，若电子从两板正中间垂直电场方向射入，且正好能穿过电场，求： （1）金属板AB的长度
A － － － －B （2）电子穿出电场时的动能
v0 + U0 + + +
课后练习
1、一直以来人们都认为_____________是构成物质的最小粒子，直到1897年物理学家____________发现了带_________电的____________，从此打破了原子不可再分的神话。 2、阴极射线带_________电，它实际上就是____________________。
3、卢瑟福通过__________________实验提出了著名的______________模型。 4、原子是由带_______电的___________和带_______电和___________组成的。
5、在物理学发展史上，有一些定律或规律的发现，首先是通过推理论证建立理论，然后再由实验加以验证，下列叙述内容符合上述情况的是( )
A．牛顿发现了万有引力，经过一段时间后卡文迪许用实验方法测出引力常量的数值，从而验证了万有引力定律
B．爱因斯坦提出了量子理论，后来普朗克用光电效应实验提出了光子说
C．麦克斯韦提出电磁场理论并预言电磁波的存在，后来由赫兹用实验证实了电磁波的存在 D．汤姆生提出原子的核式结构学说，后来由卢瑟福用α粒子散射实验给予了验证 6、关于α粒子散射实验，下列说法正确的是( ) A．绝大多数α粒子经过金箔后，发生了角度不太大的偏转 B．α粒子在接近原子核的过程中，动能减少，电势能减少 C．α粒子离开原子核的过程中，动能增大，电势能也增大
D．对α粒子散射实验的数据进行分析，可以估算出原子核的大小
7、在α粒子散射实验中，当α粒子最接近金原子核时，α粒子符合下列的( ) A．动能最小 B．电势能最小
C．α粒子与金原子核组成的系统能量最小 D．所受金原子核的斥力最大 8、卢瑟福由α粒子散射实验得出的结论包括( )
A．原子中心有一个很小的核 B．原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内
C．原子中的正电荷均匀分布 D．带负电的电子在核外空间绕原子核旋转 9、如图所示为α粒子散射实验中的一些曲线，这些曲线中可能是粒子运动轨迹的是 ( ) a A．a b B．b
α粒子 c C．c
d D．d 金原子核
10、在α粒子散射实验中，并没有考虑电子对粒子偏转角度的影响，这是因为 ( ) A．电子体积很小，以致α粒子碰不到它 B．电子质量远比比α粒子小，所以它对α
粒子运动到影响极其微小
C．α粒子使各个电子碰撞的效果相互抵消 D．电子在核外均匀分布，所以α粒子受电子作用的合外力为零
11、卢瑟福的? 粒子散射实验的结果 ( ) A．证明了质子的存在 B．证明了原子核是由质子和中子组成的
C．说明原子核的全部正电荷和几乎全部的质量都集中在一个很小的核上 D．说明原子中存在电子
12、在? 粒子散射实验中，使少数? 粒子发生大角度偏转的作用力是( ) A．原子核对? 粒子的万有引力 B．原子核对? 粒子的库仑力 C．原子核对? 粒子的磁场力 D．原子核对? 粒子的核力 13、下列关于原子核结构的说法正确的是 ( ) A．电子的发现说明了原子核内部还有复杂的结构 B．? 粒子散射实验揭示了原子具有核式结构
C．? 粒子散射实验中绝大多数? 粒子发生了大角度偏转
D．? 粒子散射实验中有的? 粒子生了大角度偏转的原因是? 粒子与原子核发生碰撞所致 14、氢原子核外电子的电荷量为e，它绕核运动的最小轨道半径为r，求电子绕核做匀速圆周运动的动能和电子所以轨道处的场强大小。
1、原子，汤姆生，负，电子 2、负，电子 3、α粒子散射实验，原子核式结构 4、正，原子核，负，电子 5、AC 6、AD 7、AD 8、ABD 9、BD 10、B 11、C 12、
ke2keB 13、B 14、，2
2rr
2013高二物理3.1《敲开原子的大门》教案1(粤教版选修3-5)
