电子的发现教案教学设计高二物理原子北京海淀.docx
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电子的发现教案教学设计高二物理原子北京海淀
课题
原子结构第一节电子的发现
设计者
教
学
分
析
教
学
目
标
1、知识与技能
（1）了解电子发现过程的经典物理实验
（2）知道汤姆孙研究阴极射线、发现电子的实验及测量比荷的原理；
（3）能应用带电粒子在电场、磁场运动的基本知识解决测量粒子比荷的基本原理；
（4）知道阴极射线是由电子组成的，电子是原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元；
2、过程与方法：
（1）体会汤姆孙电子发现过程中科学的研究方法、严谨的逻辑分析。
（2）通过“利用已有知识解决测量比荷问题”培养学生的知识迁移能力和解决问题的能力。
3、情感、态度和价值观：
（1）通过物理学家对阴极射线本质的研究过程，感受科学家在取得重大发现过程中执着、严谨、锲而不舍的精神。
（2）领会电子的发现对揭示原子结构的重大意义以及对科技进步的影响。
重点
难点
教学重点
（1）电子比荷测定的方法
（2）电子发现过程中蕴含的科学方法
教学难点
探究电子比荷的测定方法
学情分析
学生的认识水平：
1、学生具备速度选择器、带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动、带电粒子在匀强电场中做类平抛运动三个基本模型；
2、学生知道推导过程中的基本公式；
3、学生会处理带电粒子的匀速圆周运动、类平抛运动的基本方法；
可能存在的学习困难：
1、学习这部分知识（带电粒子在匀强磁场中的运动）时间间隔较长，可能会有遗忘的情况；
2、在电磁场学习本部分知识时建立起基本模型，本节课需要应用物理模型解决实际问题，学生的迁移能力有可能欠缺。
教学器材
阴极射线管洛伦兹力演示仪阴极射线管电吹风实验磁铁
教
学
设
计
思
想
教
学
主
线
设
计
教学媒体设计
电脑实物投影
教
学
过
程
设
计
教学内容
学生活动
设计意图
一、引入环节：
非常高兴来到北航附中与同学们共同完成一节物理课的学习。
首先请大家观察两个实验现象：
【演示实验1】：
阴极射线管中产生阴极射线的实验
【演示实验2】：
洛仑兹力演示仪中的阴极射线
观察演示实验后思考：
问题1：
刚才我们在两个仪器中都观察到了明显的亮线是什么线？
问题2：
阴极射线本质到底是什么呢？
过渡：
但当时科学家发现阴极射线之后很长时间内都不知道它本质上是什么？
今天我们就沿着历史的足迹一起来了解电子的发现过程。
【板书】：
《电子的发现》
二、进行新课：
（一）电子的发现过程:
1.学派之争：
为了弄清阴极射线究竟是什么，在１９世纪后３０年，许多物理学家投入了对阴极射线的研究工作，逐渐形成了两种不同的观点。
以赫兹为代表的德国学派，主张电磁说，他们认为阴极射线是类似于紫外线的电磁波。
另一种是以克鲁克斯为代表的英国学派，主张带电微粒说，既阴极射线是由带负电的微粒组成。
两种不同的观点都是基于各自的实验观察，双方争执不下，为了找到有利于自己的观点的实验证据，他们不断地设计新的实验，得到了越来越多的实验结果。
下面我们来欣赏一下双方物理学家所做的一些堪称为经典的实验。
１．1电磁说
（1）赫兹的实验：
从双方的观点上可以看出“射线是否带电”是两种学说争论的焦点。
赫兹正是把这一点作为他研究的重点。
启发提问：
用什么方法可以检验阴极射线是否带电？
【演示实验3】：
用磁铁可以使射线偏转。
【演示实验4】：
加电场可以使射线偏转。
赫兹做的最重要的实验就是观察阴极射线在电场中的行为，他也在阴极射线管中加了一个垂直于阴极射线的电场，结果他没有观察到阴极射线有任何偏转，由此赫兹认为阴极射线是不带电的，更坚定了他的电磁说。
为什么赫兹没有观察到阴极射线在电场中的偏转？
因为阴极射线管的真空度不够，管中残留气体的影响。
但当时赫兹并不知道这一点，今天对我们而言很简单的一个实验，当时世界顶级的物理学家却因为仪器的限制得不到真实的实验结果。
（2）勒纳德的铝窗实验：
赫兹的学生勒纳德的一个实验是非常成功的。
勒纳德于１８９４年在阴极射线管的末端嵌上一个厚度仅为２．６５μｍ的薄铝箔作为窗口，用F表示，如图1所示，发现从铝窗口会逸出射线，在空气中穿越约为1cm的行程，因为当时人们所熟知的任何物理微粒都不能穿过铝箔而继续行进于空气中，所以勒纳德就坚信阴极射线是电磁波了。
【勒纳德铝窗实验示意图】
这对师徒从两个不同的角度证明了自己的观点，当时来看结果也是比较严谨且有说服力的。
1.2.微粒说：
微粒说一方有自己的实验基础：
（1）克鲁克斯的风轮实验：
1879年克鲁克斯把真空度提高到百万分之一个大气压他设计了下面这个著名的实验：
【演示实验5】：
风轮实验
他在射线管里放有一个装有翼片的风轮，让射线照射在翼片上，则风轮就滚动起来，就如同风吹转风车一样。
证明了射线可以像实物粒子那样具有动量，传递能量。
因此，克鲁克斯认为阴极射线是带负电的微粒。
（2）佩兰的圆桶电极实验：
1895年法国物理学家佩兰也是从“阴极射线是否带电”的角度研究了阴极射线。
他将圆桶电极安装在阴极射线管中，用静电计与圆筒电极直接相接，结果静电计测量到的是负电。
因此他支持负电微粒说的观点。
但在他的实验中，由于设备结构的原因，关于接收到的负电是否一定来自于阴极射线这一点不能令反驳者信服。
【佩兰圆桶电极实验装置图】
过渡：
“电磁说”和“负电微粒说”之间的争论一直持续了一、二十年，但也正是这种激烈的争论推动了物理学的发展。
而这场争论的终结者就是英国剑桥大学卡文迪许实验室教授J.J.汤姆孙。
汤姆孙相继做出了两个关键性的实验，结束了两种学说长期而又激烈的争论，朝着弄清阴极射线实质的方向迈进了一大步。
2.两个关键实验——终结争论
（1）重做赫兹实验：
研究问题找好角度非常重要。
“电磁说”的一个主要论据是一直没有观察到阴极射线会在电场作用下偏转，因此，汤姆孙特别重视做好这个实验。
汤姆孙在重做这个实验时，最初也得到与赫兹同样的结果，反复实验仍看不到射线发生弯曲的现象，后来经过仔细观察，汤姆生发现在刚加上电压的瞬间，射线发生了轻微的偏转，然后又沿着直线前进，汤姆孙没有放过这一个转瞬即逝的现象，经过认真分析和思考，他认为没有发生偏转是可能射线管内的残留的气体具有导电性所导致。
汤姆孙在实验中提高了射线管的真空度，发现只加2V电势差就可以使阴极射线发生稳定的偏转。
在成功地完成用静电场使阴极射线偏转的决定性实验中，汤姆孙敏锐的观察力和关于气体放电研究的经验起了很大的作用。
（2）改进佩兰实验——证明阴极射线运载的是负电荷：
汤姆孙改进了的佩兰的实验。
汤姆孙把放电管和静电计单独分开放置，用一个玻璃泡作为二者的连接区，阴极射线经过阳极上的缝隙进入玻璃泡，在无磁场偏转的情况下，它是不能进入静电计的。
用磁场来偏转阴极射线，一旦磁场达到某一合适数值时，静电计收到的负电荷就会猛增。
此实验表明，不管怎样用磁力扭曲和偏转阴极射线，负电荷总是和射线走同一条路，因此这种负电性与阴极射线是牢不可分的。
”
【汤姆孙对佩兰实验的改进装置图】
过渡：
由于以上两个关键性实验的成功，汤姆孙以无可辩驳的事实结束了这场旷日持久的争论。
他写到：
“我不得不得出这样的结论，即阴极射线就是带有负电的物质粒子，由此而产生下一个问题，便是这种粒子是什么：
原子？
分子？
还是可以再分成更小层次上的物质？
为了使这一点明确起来，我进行了一些列有关这种粒子的电荷量与其质量比的测量。
”
启发提问：
质量m和电荷量q是带电粒子的两个基本属性。
汤姆孙当时为什么不直接测量“这种带有负电的物质微粒”的质量和电荷量，而要测量这种粒子的比荷呢？
3.测量比荷：
（1）学生自主探究测量方案：
启发提问：
我们具有带电粒子在电场、磁场中运动的基本知识，我们能不能在理论上解决带电粒子比荷的测量问题呢？
请大家拿出我事先发给大家的学案，在学案上给大家提供了三种测量带电粒子比荷的方案，下面同学之间交流一下，看看你思考的测量原理对不对，几分钟后我们选三名同学跟大家分享一下你的测量原理。
方案一：
利用速度选择器+质谱仪
结构简图：
基本原理：
方案二：
利用加速电场+偏转电场+速度选择器
结构简图：
基本原理：
用速度选择器测量速度v
方案三：
利用速度选择器+偏转磁场
结构简图：
基本原理：
可以用方形磁场代替圆形磁场
用速度选择器测量速度v
老师总结：
测量阴极射线粒子的比荷是当时物理学很前沿的问题，现在我们却能够用已经学过的知识在理论上分析清楚。
也许当时我们在学习这部分内容的时候对知识的作用还很茫然，但是今天我们却用这部分知识帮助我们认识未知的粒子。
（2）回顾汤姆孙测定方法
过度：
汤姆孙当时非常严谨地采用两种彼此独立的方法来测量q/m。
并且测量结果非常接近，两种方法户型印证，这充分体现了他科学研究的严谨性。
一种是阳极升温法，另一种则是利用电场或者磁场偏转的方法。
下面我们详细了解一下第二种方法。
测量方法：
电场或者磁场偏转法：
1.【汤姆孙测定阴极射线粒子比荷的装置】
认识汤姆孙的装置中各部分的作用：
①CA部分产生阴极射线
②AB只让水平方向的阴极射线通过；
③金属板DE之间的区域加电场或者磁场；
④带有标尺的荧光屏显示阴极射线到达荧光屏时的位置，对阴极射线的偏转作定量的测量。
2.【用汤姆孙的装置测定电子的比荷的步骤】：
启发提问：
利用该装置测量阴极射线粒子比荷的大致步骤。
①在DE区域同时加电场和磁场，调节方向以及强弱，使阴极射线不发生偏转，测量出阴极射线的速度。
②撤去磁场，仅让阴极射线在电场中偏转后打在右端荧光屏上，根据根据偏转角度和相关的仪器参数计算出阴极射线粒子的比荷；
③或者撤去电场，仅让阴极射线在磁场中偏转后打在右端荧光屏上，根据偏转的角度和相关的仪器参数计算出阴极射线粒子的比荷。
由此可见，汤姆孙测定阴极射线粒子比荷的方法并不难理解。
我们同学根据已有知识完全可以解决，甚至提出更多的测定方案。
但汤姆孙的研究工作远没有结束。
过度：
科学研究需要严谨性，当时汤姆孙没有因为一两次的测量而草率地得出结论。
而是在测量出粒子的比荷后，又对阴极射线粒子的普遍性和统一性进行了深入研究。
4.对阴极射线粒子的普遍性、统一性的研究
启发提问：
汤姆孙把各种不同的气体充入管内,并以多种不同的金属材料作阴极，所得的q/m值大致相同。
这说明了什么？
1897年4月30日汤姆孙向英国皇家研究所报告了自己的工作。
5.阴极射线粒子的电荷量和质量的研究
【发现新问题】：
汤姆孙把阴极射线粒子的比荷与已知的氢离子的比荷进行比较，发现前者几乎是后者的两千倍。
这说明了什么问题？
启发提问：
如果你是汤姆孙，该如何判断到底是上面三种那一种情况？
1898年汤姆孙采用他的学生汤森的方法直接用实验测量了阴极射线粒子的电荷值，与汤森测得的氢离子的电荷同数量级。
并由此推测出阴极射线粒子的质量大约是氢原子质量的1/2000.
至此，汤姆孙对阴极射线有了明确的认识：
阴极射线是一种带负电的粒子流；
这种粒子电荷量与氢离子相同；
质量是氢离子的约2000分之一。
1899年J．J汤姆孙采用“电子”一词来表示阴极射线粒子。
6.研究新现象：
发现电子后汤姆孙又研究了许多新的现象。
1.热电发射效应是1883年爱迪生发现的，他发现灯泡里的白炽碳丝加热后有负电逸出；1899年，J.J.汤姆生同样用磁场偏转法测其比荷，证明这一负电荷也是电子；
2.光电效应是1887年赫兹发现的，但光电流的本质一直没有搞清。
1899年，J.J.汤姆生用磁场偏转法测光电流的比荷，证明光电流也是由电子组成的；
3.β射线是卢瑟福（E.Rutherford）1898年发现的，不久，J.J.汤姆生同样证明β射线是高速电子流。
对新现象的研究进一步证明了电子存在的普遍性。
（二）总结汤姆孙的研究过程:
总结：
下面让我们回顾一下汤姆孙发现电子的过程，这个过程有这么几个特点：
一、科学的方法——以实验支撑研究：
实验是自然科学研究的重要方法，是鉴别认识、检验理论的标准。
纵观汤姆孙发现电子的过程，每一步的研究他都设计了巧妙的实验从而为得出正确的结论起到了判决的作用。
二、严谨的研究思路：
（1）研究思路逐步深入，具有严谨的逻辑顺序。
（2）用不同的方法和手段研究同一问题。
例如：
在证明阴极射线带负电的研究中，他做了两个关键实验；在测定电子比荷时，他采用两种独立的方法分别测定。
三、敢于冲破传统思想的束缚：
汤姆孙被誉为“打开原子大门的第一人”不仅是因为他第一个测出了e/m的数值，而在于他敢于同旧的传统观念决裂，第一个大胆地承认了电子的存在。
早在1890年，英国物理学家舒斯特就测算出阴极射线微粒的比荷为氢离子比荷的千倍以上，但他不敢相信自己的测量结果，觉得这个结论是荒谬的。
1897年德国的考夫曼做了类似的实验，他测得的数值比汤姆孙的还要精确，与现代值只差1%，但是，他当时没有勇气发表这些结果，他不承认阴极射线是粒子流的假设。
这些人都是“当真理碰到鼻子尖上的时候还是没有得到真理的人”。
可见汤姆孙勇敢地做出正确的结论需要多大的勇气。
“我决不是属于收获果实的人，我只是一个植树的人、照料果树的人，或者只是对这些有帮助的人。
”这是勒纳德在1905年诺贝尔物理学奖授奖仪式上所说的话。
其实科学史上任何一个重大的发现都不是凭借一个科学家的一己之力可以完成的，它一定是凝聚着众多科学家长期的努力。
电子的发现也不例外。
下面我们看一下在这个问题的研究上其他科学家所做的工作：
从这里我们可以看出：
1.仪器的创新对实验的发展有着决定性的影响：
“我们只能在时代的条件下认识事物，而且这些条件达到什么程度，我们便认识到什么程度。
”——恩格斯
2.科学研究不能墨守成规，被传统观念束缚，否则可能会与真实的发现擦肩而过。
（三）、汤姆孙发现电子的重要意义：
1.电子是人类发现的第一个基本粒子，使人们认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子可以再分，原子本身也具有结构，标志着人类对物质结构的认识进入了一个新的阶段。
在后续学习中我们会继续学习原子结构、原子核等知识。
2.电子的发现是19世纪三大发现之一，极大地促进了科学和技术的发展。
例如：
电子的发现证实了1884年发现的爱迪生效应是一种电子发射现象。
在这个基础上1904年发明了二级电子管。
1906年发明了三级电子管，后面又有四级管、五级管，后面的电视、雷达、计算机的发明都和电子管密不可分。
再例如：
1932年制成了世界第一台电子显微镜——1982年制出扫描隧道电子显微镜，这次技术的革新使人们观察到1-5纳米（1纳米相当于10亿分之一米）的细节，推动了人类探究微观世界的奥秘的进程。
例如这幅图片就是利用这种显微镜拍摄到的人体的红血球。
这些科技的进步让我们的生活变得越来越美好、我们看到的世界越来越真实，我们越发要对汤姆孙这样伟大的科学家心存敬意。
他们的努力与执着，他们超乎常人的创造力改变着世界。
我也希望在坐的同学在今后的人生中有能力、有机会用你们的学识改变或者推进人类对世界的认识。
学生观察
回答：
阴极射线本质上是高速运动的电子流。
提出检测方法：
可以用让射线穿过电场或者磁场，看阴极射线是否偏转。
观察实验
学生了解争论双发设计的经典实验。
了解汤姆孙所做的关键实验
学生提出：
直接测量m和q当时的实验条件达不到，而比荷则比较好测量。
学生讨论。
学生展示、分享测量原理。
学生了解汤姆孙的测量装置以及测量步骤
学生：
说明不同物质发射的带电粒子可能都是同一种粒子，是构成各种物质的共有成分。
学生分析：
不是阴极射线粒子的质量远小于氢离子的质量（
），就是它的电荷值远远大于氢离子的电荷值（q>>qH），或者两者兼而有之（
同时q>qH）。
学生分析：
只能做进一步测量。
测量出阴极射线粒子的质量或者电荷量。
了解其他物理学家的工作
体会电子的发现对人类生活对科技发展的影响.
从学生熟悉的实验引入本节课研究的内容
通过物理学史的介绍，引起学生的兴趣。
培养学生利用已有模型、已有的方法解决问题的能力。
通过设置子问题，突破本节课的难点。
学生体会基础知识对解决问题的重要作用。
通过总结汤姆孙研究的整体思路，让学生再次体会汤姆孙的研究方法。
体现科学研究的严谨性
通过学史的介绍，是学生感受汤姆孙治学严谨的精神。
演示实验：
阴极射线管
升级会员 