人教版《物理》选修35 第十八章 第一节电子的发现

课题电子的发现【课型】情景教学实验探究【课标要求】了解人类探究原子结构的历史以及有关经典实验【教材分析】将本节作为原子结构的第一个内容，是因为电子的发现拉开了人类认识原子内部结构的序幕，人们对微观世界的探索获得了第一个突破性进展。

在此后的三、四十年的时间内，人们对微观世界的探索捷报频传，迅速发现了微观世界的运动规律，谱写了物理科学的崭新篇章。

把“电子的发现”单列一节来处理，目的不仅是为教材后续关于原子结构的内容做准备和铺垫，还在于电子的发现本身在科学史以及科学方法论中的重要性。

本节知识内容主要分为阴极射线和电子的发现两个部分，而将重点放在情感目标的渗透上——电子发现过程蕴含的科学方法，以及科学家热爱科学、勇于创新的科学精神。

【学情分析】学生在初中阶段就已了解原子的基本结构，知道核外电子带负电，高中阶段在电磁场部分也经常接触电子模型，因此对于电子学生在知识上并不陌生，但对电子的发现过程，特别是电子发现过程中体现的研究方法以及对微观科学发展的意义了解较少，因此本课的重点不在知识和技能上，而是通过回顾电子发展的历史，以物理学史及物理研究方法为线索展开。

学生在学习磁场时已接触过阴极射线，但对其产生原理不太清楚，因此在本节内容的学习展开过程中有必要对阴极射线做更为详细的探究。

【教学目标】1、知识与技能知道阴极射线的产生原理，回顾带电粒子在电场、磁场中运动的相关知识2、过程与方法通过回顾电子发现的过程，了解微观粒子的研究方法，体会物理学从提出问题到实验论证的研究方法3、情感、态度、价值观认识电子的发现对物理学发展及社会发展的意义，了解科学家在面对已有经验和现实困扰的情况下，排除各种干扰因素，以敏锐的洞察力和思维创造性地展开科学探索的科学精神，从而产生对前人的崇敬之情，激发献身科学的探索激情。

【重、难点分析】重点：体会物理学的研究过程，体验勇于创新的科学精神，了解微观粒子的研究方法。

难点：从相关史实中提炼科学研究的各种要素【教学用具】带偏转电极的阴极射线管一只马蹄形磁铁一块高压电源两台学生低压电源一个激光源一个导线若干PPT课件一套【教学设计】为达成以上教学教育目标，作如下课堂设计1.课堂剧的设计——关于阴极射线是什么的争论为使学生充分了解电子的发现过程，设计了一个由关于阴极射线是什么的两个流派的争论的课堂剧，三组学生分别扮演赫兹、克鲁克斯、汤姆孙，以第一人称陈述他们各自对阴极射线的研究。

【本时段教育目的】1）生动而充分地了解那段科学发展的历史：2) 在课堂上实现信息和情感的充分交流、沟通，师生积极互动、共同发展；3）通过学生的成功表演，愉悦师生，快乐学习，增强课堂凝聚，同时表演者自身的综合能力也得到锻炼并收获自信，提高学习兴趣。

4）通过学生的感受和教师的提炼，让学生体会物理学从提出问题到实验论证的研究方法，体验科学家热爱科学、勇于创新的科学精神2.学生自主进行验证实验的设计、实现、论证和探究1）以教师提供的器材设计实验，求证阴极射线是电磁波还是带电粒子。

提供的器材：带偏转电极的阴极射线管(1只) 马蹄形磁铁（1个） 高压发生器（2台） 学生电源（1台） 导线若干学生提出两种偏转方案：磁场偏转和电场偏转把学生分成两组，分别设计两种偏转的具体操作方案，小组长形成定案。

各抽取两组小组长上台演示，先演示磁场偏转，再加上学生电源的直流低压作为偏转电压，观察现象。

磁场顺利偏转，并引导学生判断射线粒子的电性。

2）形成认知冲突加上学生电源的低压，结果未能看见偏转，与预设形成冲突。

3）对实验进行分析评估、论证，查找原因。

4）改变实验条件，以新的实验证实论证的正确性5）教师对实验探究进行评估【本时段教育目的】1) 自主学习2) 合作学习3) 自主探究4) 实验设计能力和动手能力的培养5) 从具体情境中抽象出物理模型的能力6) 通过亲自动手的过程，真切感受物理学的研究方法，与第一个时段的教育相呼应，使整堂课前后两个时段成为一个有机整体。

3．比荷的测量1) 教师引导：确定微观粒子的重要方法——比荷的确定2) 比荷的确定方法：2v Bqv m r =，由此可知q v m Br = 方法本质——运动确定力3) 自主学习——学生带着问题看书4) 小组讨论，完成相应学案，明确比荷的推导过程，得出表达式。

【本时段教育目的】1）自主学习2）合作学习3）科技小论文的阅读能力训练4）前后知识的联系及应用5）感受物理学知识的学以致用【教学过程】一、新课引入本章的主要任务是初步学习有关原子结构的基本知识。

现代物理学的重点研究领域之一，就是从微观角度研究物质结构及其运动规律，而人们认识物质结构正是以电子的发现作为开端。

今天，我们来一起回顾电子发现的历史，体验其中物理学的研究方法和探索者的科学精神。

二、课堂剧——关于阴极射线是什么的争论1.阴极射线教师：1858年德国物理学家在研究气体放电时，发现了阴极有不可见的射线放出，射线打在荧光板上能产生荧光。

这是发射阴极射线的玻璃管结构示意图（介绍结构），这是具有一定真空度的玻璃管，两个电极分别接到高压电源的正负极，其中接电源负极的金属板称作射线管的阴极，接电源正极的金属圆筒叫阳极。

由于射线从阴极射出，所以被命名为“阴极射线”2.激烈的争论教师：阴极射线是什么物质？它的发现引起了物理学家的关注和思考，并由此引发了一场激烈的争论。

主要的流派有以赫兹为代表的“电磁辐射”说和以汤姆孙为代表的“带电粒子”说。

赫兹，首先证实了电磁波的存在，并对电磁学的发展有很大的贡献，故频率的国际制单位以他的名字命名。

由于思维惯性，他对阴极射线的猜想带有浓厚的个人特点。

现在就让我们来还原这段历史。

有请科学家们。

3.学生活动——课堂剧表演三组学生分别扮演赫兹、克鲁克斯、汤姆孙，以第一人称陈述他们各自对阴极射线的研究。

（1）“电磁辐射”说依据：a、用稳定高压进行的放电实验中,阴极射线是连续发生的，这说明阴极射线不是由粒子组成，其连续性与电磁波相似。

b、在真空度为万分之一个大气压的玻璃管中做静电场偏转实验,结果未观察到偏转现象,所以阴极射线不带电c、阴极射线能透过一些金属箔.与x光穿透金属箔，在屏上产生衍射图样的现象类似结论:阴极射线是电磁辐射（电磁波）（2）“带电粒子”说a、克鲁克斯的研究：依据：发现阴极射线的热效应——能把金属片打成白炽状态（高温）阴极射线的“风轮实验”——证明射线携带较大动量结论：阴极射线是分子流b、汤姆孙的研究依据：用旋转镜实验测量阴极射线的速度：结果为1·9×105m/s,远小于光速.静电场偏转实验：无偏转分析假设与结果的差异，发现问题，改进实验方案——提高真空度，发现了偏转结论：阴极射线是带电粒子流教师：感谢同学们的精彩演绎教师：提炼研究方法和科学精神三位科学家的研究过程都经历了哪些环节？汤姆孙对实验条件做了怎样的思考和调整？汤姆孙在没有观察到射线在电场中的偏转时，并没有急于下结论，而是对实验进行了仔细的评估，发现问题后改进实验方案，最终得出正确结论，发现了电子，并因此而获得了1906年的诺贝尔物理学奖。

而赫兹受已有的知识体系制约，背负了过多的条条框框，因墨守陈规而失去了机会。

事实上，正是诸如爱因斯坦等科学家看似疯狂的想法，催生了现代物理学的支柱理论——量子力学和相对论，在科学活动中，研究者的主观意识会起到决定性的作用，科学的发展需要研究者具备创新的勇气，以敏锐的洞察力进行创造性的思维。

三、学生活动——我的实验验证1）以教师提供的器材设计实验，求证阴极射线是电磁波还是带电粒子。

提供的器材：带偏转电极的阴极射线管(1只) 马蹄形磁铁（1个）高压发生器（2台）学生电源（1台）导线若干教师：这里提供有一个学生电源、两个高压电源，一支激光笔，带有偏转极板的阴极射线管、一个蹄形磁铁及导线若干，请大家以小组讨论的形式设计一个实验方案，实现以下验证任务：a.阴极射线不是电磁波；b. 阴极射线是带电粒子；c.求证阴极射线的电性学生提出两种偏转方案：磁场偏转和电场偏转把学生分成两组，分别设计两种偏转的具体操作方案，小组长形成定案。

各抽取两组小组长上台演示，先演示磁场偏转，再加上学生电源的直流低压作为偏转电压，观察现象。

磁场顺利偏转，并引导学生判断射线粒子的电性。

2）形成认知冲突加上学生电源的低压，结果未能看见偏转，产生疑惑，与预设形成冲突。

3）小组讨论，对实验进行分析评估、论证，查找原因。

4）一一过滤各种因素，将问题聚焦在偏转电压上。

改变实验条件，以高压电源增加偏转电压，并展示实验结果，证实论证的正确性5）教师对实验探究进行评估6）教师适时要求学生课后进行对阴极管的测量，以小论文的形式分析多大的偏转电压可使阴极射线产生约300左右的偏转，将课堂有效延伸至课外。

教师：为什么加偏转电场不发生偏转？请同学们课后仔细观察射线管，采集相关数据，分析原因，就怎样调整实验条件产生300左右的偏转为题，写一篇课后小论文。

四、探究带电粒子的比荷引入：“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.由此而产生的下一个问题,便是这种粒子是什么:是原子?分子?还是更小层次上的物质?——汤姆孙教师：汤姆孙又给自己提出了新的问题——对射线的定量研究，并对问题提出了预设。

用什么物理量定量描述微观粒子的特性？引出比荷。

受技术条件限制，要单独测量电量和质量是很困难的，所以我们采取的方式是，让带电粒子在电场或磁场中运动，通过测量粒子的运动学量，间接测量其比荷。

比如在匀强磁场中偏转。

满足2v Bqv m r =，由此可知q v m Br=，相关物理量怎样测算？ 请同学们带着问题阅读P48页的思考与讨论，请小组长组织前后六位同学讨论完成学案第2页的第3个问题a 、施加图示方向的电场E ，粒子应打到屏上哪个位置？加电场，粒子达到p2点，再次说明带负电，要让粒子回到P1点b 、要使粒子不发生偏转，可以采取什么措施？磁场的方向如何，电场与磁场之间应满足什么关系？Bqv Eq =c 、根据上述关系可以求取什么物理量？E v B=，其中E 的大小又什么决定？U 和d ，B 的大小又由什么决定？I d 、去掉电场，保留磁场，粒子将做什么运动？力与运动满足什么关系？2v Bqv m r =，由此可知2q v E m Br B r==，其中r 可根据几何关系算出 请学生上台推导 最终测得111.7610/q m C kg =⨯ 五、电子的发现①不同材料做阴极,所得结果都相同说明这种粒子是组成物质的的基本粒子 ②是氢离子比荷的近两千倍（H Hq q m m >） 什么原因造成的？H q q >或H m m < 汤姆孙对电子的比荷和电量做了基本测量，证明这种带负电粒子是电荷量与氢离子大致相同，质量比氢离子小很多，由此得出它是原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元，并命名为“电子“。