1、名師精編 優秀教案18.1 電子的發現教學目標（1）了解陰極射線及電子發現的過程；（2）知道湯姆孫研究陰極射線發現電子的實驗及理論推導。引入新課 人類對原子的認識和研究經歷了一個十分漫長的過程，這一過程也是辯證發 展的過程。 根據事實建立學說， 發展學說，或是決定學說的取舍， 發現新的事實，再建立新的學說。 人類就是這樣通過光的行為， 經過分析和研究， 逐漸認識原子 的。很早以來，人們一直認為構成物質的最小粒子是原子，割的粒子。這種認識一直統治了人類思想近兩千年。直到原子是一種不可再分 19 世紀末，科學家對實驗中的陰極射線深入研究時，發現了電子，使人類對微觀世界有了新的認識。電子的發現是 1

2、9 世紀末、 20 世紀初物理學三大發現之一。一、物質結構的早期探究 大千世界（宇宙）是由什么構成的？我國西周時期的五行說：金、木、水、火、土 古希臘的亞里士多德認為：萬物的本質是土、水、火、空氣4 種“ 元素” ，天體則由第五種元素以太構成。古希臘學者德謨克利特等人認為宇宙間存在一種或多種微小的實體，這個實 體叫做“ 原子” ， 原子密不可分， 這些原子在虛空中運動， 并可按照不同的方式 重新結合或分散。我國戰國時期的思想家墨子認為物體是由不可分割的最小單元“ 端”構成 1661 年，玻意耳以化學實驗為基礎建立科學的元素論，認為只有那些不能 用化學方法再分解的簡單物質才是元素，各種元素存在著

3、不同的原子。19 世紀初，道爾頓提出原子論。成。1811 年，阿伏伽德羅提出了分子假說，指出分子可以由多個相同的原子組宏觀物質的化學性質決定于分子，分子則由原子構成，原子是構成物質的不可分再分的最小顆粒。原子真的不可再分了嗎？二、陰極射線氣體分子在高壓電場下可以發生電離，使本來不帶電的空氣分子變成具有等量正、負電荷的帶電粒子， 使不導電的空氣變成導體。 是什么原因讓空氣分子變 成帶電粒子的？帶電粒子從何而來的？1、陰極射線 早在 1858 年，德國物理學家普呂克爾利用低壓氣體放電管研究氣體導電時 發現一種奇特的輝光放電現象。演示實驗： 用一個陰極射線管兩端加高壓，管中有一個金屬十字狀物體，可

4、以觀察到管端玻璃壁上亮度的變化。陰極射線管：真空，陰極為金屬板，兩極接高壓。德國物理學家戈德斯坦對輝光放電現象研究后認為這是從陰極發出的某種 射線引起的。所以他把這種未知射線稱之為陰極射線。2、陰極射線的本質 ，有大量的科學家作出大量的科學研究，主要形成了兩名師精編 優秀教案種觀點。（1）電磁波說： 代表人物，赫茲。認為這種射線的本質是一種電磁波的傳 播過程。（2）粒子說： 代表人物，湯姆孫。認為這種射線的本質是一種高速粒子流。探究一：你能否設計一個實驗來研究陰極射線到底是一種電磁波還是一種高 速粒子流。（用電磁場能使運動著的帶電粒子發生偏轉來指導學生判斷陰極射線 的本質是一種帶電微粒。 ）探

5、究二：既然已經知道陰極射線是一種帶電微粒，那么它帶什么電？怎么判斷？（用加電、磁場的方法判斷出陰極射線帶負電）。 3、陰極射線應用電子示波器中的示波管、 電視的顯像管、 電子顯微鏡等都是利用陰極射線在電磁場作用下偏轉、聚焦以及能使被照射的某些物質 , 如硫化鋅發熒光的性質工作的 . 高速的陰極射線打在某些金屬靶極上能產生X 射線，可用于研究物質的晶體結構。陰極射線還可直接用于切割、熔化、焊接等。三、電子的發現我們已經知道了陰極射線是一種帶負電的微粒，那么它到底是一種什么粒子呢？要了解一種帶電微粒， 找到它的電荷量與質量的比值即比荷 q/m 是比較重要的途徑之一，英國物理學家湯姆孫在 1890

6、年也想到了這里，他在著名的卡文迪許實驗室用下面的裝置求出了這種帶電微粒的比荷。它的比荷。我們把湯姆孫的這種方法叫“ 電偏法”1、湯姆孫的研究實際上有多種方法可以測量英國物理學家湯姆孫在研究陰極射線時發現了電子。實驗裝置如圖所示， 從高壓電場的陰極發出的陰極射線，穿過 C1C2后沿直線打在熒光屏 A上。為了研究陰極射線粒子的比荷， 湯姆孫在真空管兩側加了兩塊金屬板，金屬板間加一電壓。磁場S C C1 C2 Y A（1）當金屬板之間未加電場時，射線不偏轉，當在平行極板上加一如圖所示的電場， 發現陰極射線打在熒光屏上的位置向下偏，負電荷。則可判定， 陰極射線帶有（2）為使陰極射線不發生偏轉， 則請思

7、考可在平行極板區域采取什么措施。在平行極板區域加一磁場，且磁場方向必須垂直紙面向外。當滿足條件：qv0tanB qE 時，則陰極射線不發生偏轉。則：v0 EB（3）根據帶電的陰極射線在電場中的運動情況可知，其速度偏轉角為：qEL2m v 0名師精編 優秀教案又因為：tan y( D L) L S 螢幕2 D y 且 v0 EB O m e v0 電場 E A y1 x 則：q Ey v S y2 m ( D L) B 2L2根據已知量，可求出陰極射線的比荷。湯姆孫求出的比荷約為 10 11 庫侖 /千克，而當時已知的最小的氫離子的比荷為 10 8 庫侖 /千克 ，這種陰極射線粒子的比荷比最小的

8、氫離子的比荷還大約 2000倍，只有兩種可能，一是此種陰極射線的電荷量很大，或者它的質量很小。到底是怎樣的呢？湯姆孫并沒有放棄，后來他直接測到了這種陰極射線的電荷量，發現它與氫離子的電荷量差不多， 由此可以證明這種陰極射線粒子的質量比當時認為最小的氫離子的質量小上千倍。后來，湯姆孫發現，用不同材料的陰極和不同的氣體做實驗，所得陰極射線比荷的數值是相等的。 這說明不同物質都能發射這種帶電粒子，物質的共有成分。于是，湯姆生把新發現的這種粒子稱之為電子。它是構成各種 1897 年，湯姆孫向世界宣布發現了電子。2、電子的電荷量和質量第一次較為精確測量出電子電荷量的是美國物理學家密立根利用油滴實驗測量出

9、的。美國物理學家密立根利用油滴實驗較為精確的測量出電子的電荷量為e1.60217733 1019C 密立根通過實驗還發現， 電荷具有量子化的特征。 即任何電荷只能是 e 的整數倍。再由前面實驗得到的比荷可以確定 m9.1093897 1031kg 四、電子發現的意義：電子的質量電子的發現，不僅找到了一種比原子更小的微粒，說明原子也是有結構的，是可以再分的，電子是原子的組成部分。由于原子中含有帶負電的電子， 從物質的電中性出發， 推想出原子中還有帶正電的部分， 這就進一步地提出了探索原子結構和建立原子模型的問題，由此揭開了原子物理研究的序幕，為 的作用。20 世紀原子物理學科的建立和發展起到極為

10、關鍵因此，他被科學界譽為 “一位最先打開通向基本粒子物理學大門的偉人”。電子的發現與 X 射線和放射線的發現被稱為 現。19 世紀末 20 世紀初物理學的三大發五、科學素養培養陰極射線是德國物理學家 J.普呂克爾在 1858 年利用低壓氣體放電管研究氣體放電時發現的 .從低壓氣體放電管陰極發出的電子在電場加速下形成的電子流。陰極可以是冷的也可以是熱的，電子通過外加電場的場致發射、殘存氣體中正離子的轟擊或熱電子發射過程從陰極射出。大家注意到，從 1858 年普呂克爾首次觀察到陰極射線到 1897 年湯姆孫確認電子的存在，其間經歷了近40 年，這期間對陰極射線的研究從未間斷，甚至有名師精編 優秀教

11、案人也測出了組成陰極射線微粒的比荷，但是誰都不敢承認還有比原子更小的粒 子，因而錯過了發現電子的良機。1897 年 J.J.湯姆孫根據放電管中的陰極射線在 電磁場 和磁場 作用下的軌跡 確定陰極射線中的 粒子帶負電，并測出其 荷質比 ，這在一定意義上是歷史上第一 次發現電子， 12 年后 R.A.密立根用 油滴實驗 測出了電子的 電荷。湯姆生對電子的研究過程和方法 定性研究：J.J.湯姆生還改進了赫茲的靜電場偏轉實驗，他進一步提高了真空度， 并且 減小極間電壓， 以防止氣體電離， 終于獲得了穩定的靜電偏轉。得出陰極射線帶負電。定量研究：e/m。計算出陰極射線的荷質比普遍性證明 科學研究的重要特點之一是通過各種途徑去探索自然規律。這個進程是曲折 復雜的，不可能完全遵循某一條預定的途