Открытие электрона
методическая разработка по физике (11 класс)

  ФИЗИКА      11    КЛАСС

"ОТКРЫТИЕ       ЭЛЕКТРОНА"

РАЗРАБОТКА   ДВУХЧАСОВОГО   УРОКА-КОНФЕРЕНЦИИ  ПО   ФИЗИКЕ

 «...История науки не может не интересовать ученых-естественников: ученый находит в ней ... многочисленные уроки и, умудренный собственным опытом, он может лучше, чем кто-либо иной, истолковать со знанием дела эти уроки».

                                                                         ЛУИ ДЕ БРОЙЛЬ

Учителем сделана презентация к уроку: сетка кроссворда, портреты учёных, схемы опытов.

Перед выполнением предварительных заданий класс делится на четыре группы, каждой из которых поручается выполнение самостоятельного объема работы.

Группа № 1 - группа историков. Группе предлагается подготовить краткие исторические справки об У.Круксе, Г.Гейслере, Ю.Плюккере, Э.Гольдштейне, Ж.Перрене, Дж.Дж. Томсоне, Р.Милликене, Дж.Стонее.

Группа № 2 - группа экспериментаторов. Группе предлагается прочитать
об опытах Г.Гейслера, Ю.Плюккере, Ж.Перрена, Дж.Дж. Томсона, Р.Милликена и подготовить о них сообщения.

Группа № 3 - группа теоретиков. Группе предлагается показать, как на основанни результатов опытов ТОМСОНА и МИЛЛИКЕНА можно рассчитать удельный заряд и найти массу электрона.

Группа № 4 - группа иллюстраторов. Группе предлагается выполнить презентацию по материалам, подготовленным другими группами (эпиграф к уроку, задания к первому уроку, схемы установок, портреты учёных, исторические справки)

В помощь учащимся при подготовке заданий предлагается следующая литература:

1. Мякишев Г.А., Буховцев Б.Б. Физика. Учебник 10-го класса. М.:Просвещение,1990.

2.Джанколи Д. История изики.Т.2.М.:Мир,1970

3. Льодди М. Физика. Т.2.М.:Мир.1989.

4. Храмов Ю. Физики. Библиографический справочник. М.:Просващение.1984.

 5. Кудрявцев П.С. Курс истории физики. М.:Просвещение,1984.

 6. Дорфман Я. Всемирная история физики с начала 19-ого до середины 20-ого    веков. М.:Наука,1979.

ПЕРВЫЙ УЧЕБНЫЙ ЧАС

На экране эпиграф к уроку (слайд 1)

«Мы уже изучили свойства электрического и магнитного полей. Знаем, как движутся в этих полях заряженные частицы, но сегодня нашим главным героем будет...  Впрочем, попробуйте сами его назвать, решив кроссворд (см. приложение к уроку №1, сетка кроссворда слайд 2).

«Итак, вы видите, что наш сегодняшний герой - электрон. Точнее, мы сегодня познакомимся с исследованиями ученых, приведших к открытию этой удивительной частицы, которая не только обладает наименьшей массой, но и несет наименьший электрический заряд. Познакомимся с историей открытия первой из элементарных частиц. Узнаем об уникальных свойствах электрона.

Почему мы займемся историей открытия именно электрона? Эта связано с тем, что изучение поведения электрона в электромагнитных полях привело к определению значений элементарных заряда и массы».

Далее предлагаю учащимся вспомнить материал, который будет использоваться на этом занятии; они отвечают на вопросы 1 - 13 (см. Приложение к уроку №2, рисунки, иллюстрирующие вопросы на слайдах 3-6). Решение этих задач поможет учащимся позже понять расчеты Дж. Дж. Томсона и Р. Милликена.

ВТОРОЙ ЧАС УРОКА

УЧИТЕЛЬ:   Предшественником той субатомном физики, которая родилась в конце 19-ого века и заняла господствующее место в научных исследованиях нашего столетия, следует считать Уильяма Крукса»

 УЧИТЕЛЬ;  В конце прошлого столетия интенсивно изучался электрический разряд в разряженных газах, особенно после изобретения Гейслером ртутного вакуумного насоса.

ГРУППА ИСТОРИКОВ: Краткое сообщение о Гейсслере (1815-1879), (слайд 8)

ГРУППА ЭКСПЕРИМЕНТАТОРОВ: Когда к электродам трубки Гейсслера (слайд 9 с изображением разрядной трубки Гейсслера) прикладывали высокое напряжение. При этом у противоположного катоду конца трубки возникало свечение, хотя внутри трубки пространство было тёмным. Когда же в трубку вводили одну или несколько перегородок с небольшими отверстиями, свечение ограничивалось крошечным пятном в торце трубки. От катода к противоположному концу трубки как будто шли какие-то лучи. Это обнаружил Ю.Плюккере.

ГРУППА ИСТОРИК0В: Краткое сообщение об Юлиусе Плюккере (1801:1868), (слайд 10)

УЧИТЕЛЬ: Лучи, которые наблюдал Ю.Плюккер, Э.Гольдитеином были названы катодными лучами. Много споров вызвала природа катодных лучей.

ГРУППА ИСТОРИКОВ: Краткое сообщение об Эугене Гольдштейне (1850:1930), (слайд 11)

УЧИТЕЛЬ: Итак, Э.Гольдштейн считал, что катодные лучи имеют волновую природу и подобны свету. В этих условиях и приступил к своим исследованиям Т.Крукс. Но что представляют собой катодные лучи? У.Круке считал, что это - "лучистая материя", четвертое состояние вещества, образованное молекулами остаточного газа, содержащегося в трубке, которые, соприкоснувшись с катодом, заряжаются отрицательно и отталкиваются от катода. В своем докладе «О лучистой материи или четвертом агрегатном состоянии вещества» У.Крукс со свойственным ему оптимизмом сказал

пророческие слова (которые выходили за пределы того, что было получено на опыте): «При изучении этого четвертого состояния вещества создается представление, что мы имеем, наконец, в своем распоряжении "окончательные" частицы, которые мы можем с полным основанием считать лежащими в основе физики Вселенной…». «Я беру на себя смелость предположить, что главные проблемы будущего найдут свое решение именно в этой области и даже за нею. Здесь, по моему мнению, сосредоточены «окончательные реальности, тончайшие, определяющие, таинственные…»

Как молекулярная теория КРУКСА, так и волновая теория ГОЛЬДШТЕЙНА, оказались неудовлетворительными. Факт, что катодные лучи можно смещать под действием электрического и магнитного полей, наводил, на такую мысль: катодные лучи представляют собой заряженные частицы.

ГРУППА ЭКСПЕРИМЕНТАТОРОВ: Экспериментально определил знак заряда ЖАК ПЕРРЕН. Он поместил внутри разрядной трубки перед катодом (слайд 12) закрытый металлический цилиндр с небольшим отверстием против катода, цилиндр соединил с электроскопом. При работе трубки пучок катодных лучей проникал в цилиндр, который в результате всегда оказывался заряженным отрицательно.

ГРУППА ТЕОРЕТИКОВ: Из этого опыта Ж.ПЕРРЕНА можно было сделать вывод: катодные лучи представляют собой отрицательные электрические заряды. Так, что их материальная природа представлялась значительно более вероятной, чем волновая.

УЧИТЕЛЬ: Это был 1895-ый год - год рождения электроники.

ГРУППА ИСТОРИКОВ: Краткое сообщение о ПЕРРЕНЕ ЖАНЕ БАТИСТЕ (1870-1942), (слайд 13)

ГРУППА ЭКСПЕРИМЕНТАТОРОВ: Первые оценки заряда предполагаемых частиц в катодных лучах, а также отношения заряда к массе ē/м  были сделаны в 1897-ом году ДЖ.ДЖ.ТОМСОНОМ. Катодные лучи ускорялись значительной разностью потенциалов (слайд 14) и проходили между встроенными в трубку двумя параллельными пластинами.

Приложенное к этим пластинам напряжение создавало между ними электрическое поле.

Для создания магнитного поля служила пара катушек, по которым пропускался ток. Когда включалось только электрическое поле (скажем, верхняя пластина была заряжена положительно), катодные лучи отклонялись вверх (траектория I на рисунке). Когда включалось только магнитное поле, катодные лучи отклонялись вниз (траектория 2). Когда ДЖ.ДЖ. ТОМСОН воздействовал на катодные лучи одновременно электрическим и магнитными полями и менял величину напряженности этих полей, он смог добиться их компенсации. При этом катодные лучи не отклонялись, и создаваемое ими на стекле светящееся пятно не смещалось (траектория 3). Измерения в процессе опыта величин напряженности электрического поля Ē, индукции магнитного поля В и радиуса R искривления траектории катодных лучей при включении только магнитного поля дали возможность ДЖ.ДЖ. ТОМСОНУ определить скорость частиц и их удельный заряд.

Опыты ТОМСОНА дали следующий результат: скорость частиц, возрастающая по мере увеличения разрежения в трубке, чрезвычайно велика, значительно выше средней скорости, приписываемой, согласно кинетической теории, молекулам остаточного газа в трубке. В одном из первых опытов (в 1897-ем году) ТОМСОН  получил для скорости частиц значение, равное 1/10 значения скорости света, но более поздние исследования дали значение 1/3 скорости света.  Кроме того, скорость частиц катодных лучей зависела от разности потенциалов, которую проходит заряд. Оказалось, что значение (ē/м) не зависит ни от состава остаточного газа, ни от формы трубки, ни от материала электродов, ни от скорости лучей (если только она не близка к скорости света), ни от каких-либо других физических параметров. Другими словами, отношение (ē/м) есть универсальная постоянная.

ГРУППА ТЕОРЕТИКОВ: Мы уже в начале первого урока, решая задачу о вычислении удельного заряда частицы, нашли, что:

                                                                 V

                                        ē/m   =

                                                                B · R

Если измерить значения В и R (что и сделал в эксперименте ДЖ.ДЖ. ТОМСОН), то для вычисления удельного заряда остается определить только скорость частиц V.

Это можно сделать, включая наряду с магнитным и электрическое поле. Действительно, в случае компенсации полей сила, действующая на частицы со стороны электрического поля, равна силе, действующей со стороны магнитного поля, т.е.

 Fэл = Fм,

но так как

 Fэл = ē Е,    а    Fм  = е В V ,

то, приравнивая правые части выражений, получаем для скорости частицы:

                 V = Е/В.

 Объединяя это выражение с выражением для отношения заряда частицы к её массе, окончательно имеем:

                                         ē                      Е

                                                    =

                                         m                  В2 · R

Принятое сегодня значение удельного заряда, т.е. отношение заряда частиц катодных лучей к их массе равно 1,76 · 1011 Кл/кг.

ГРУППА ИСТОРИКОВ: Краткое сообщение о ДЖ.ДЖ. ТОМСОНЕ) (1856-1940), (слайд 15

УЧИТЕЛЬ: ДЖ.ДЖ.ТОМСОН в 1897-ом году, проанализировав результаты своих опытов, высказал мнение, что катодные лучи представляют собой поток весьма малых частиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света, несущими такой же заряд, как ионы ФАРАДЕЯ, но обладающими массой в 1000 раз меньшей массы самого легкого атома, т.е. атома водорода.

ГРУППА ИСТОРИКОВ: Краткое сообщение о СТОНЕЕ (слайд 16). Частицы катодных лучей стали называть электронами. Это название предложил ирландский физик и математик СТОНЕЙ (СТОНЕЙ ДЖОРДЖ ДЖОНСОН), который в 1874-ом году высказал идею о дискретности электричества и впервые дал количественную оценку минимального электрического заряда.

УЧИТЕЛЬ: Но именно ДЖ.ДЖ.ТОМСОНА мы называем первооткрывателем электрона, поскольку он считал, что электроны - составная часть атома, а не являются молекулами или ионами, как полагали другие.

Итак, значение (ē/m) было определено достаточно точно, но чтобы полностью описать электрон, необходимо было узнать, каковы значения ē и m в отдельности. Это оказалось гораздо более сложной задачей, поскольку она была связана с выполнением точных измерений в области атомных размеров. Замечательный вклад в решение этой задачи внес Р.МИЛЛИКЕН, проделавший изящный опыт с масляными каплями. Но его опыт стал лишь завершением целой серии экспериментов, проведенных Ч.ВИЛЬСОНОМ, ДЖ.ТАУНСЕНОМ, ДЖ.ДЖ.ТОМСОНОМ.

ГРУППА ЭКСПЕРИМЕНТАТОРОВ: Рассказ об опыте Р.МИЛЛИКЕНА.

(по учебнику) Зная, что заряд электрона ē = 1,6 · 10-19 Кл, а отношение

(ē/m) = 1,76 · 1011 Кл/кг, можно определить массу электрона:

            ē

mе =           = 1,6 · 1019 / 1,76 · 1011 = 9,1 · 10-31 кг.

          ē/m

Эта масса в 1840 раз меньше массы самого легкого атома – атома водорода, что и подтверждает представление об электроне, как о составной части атома.

ГРУППА ИСТОРИКОВ: Краткое сообщение о РОБЕРТЕ ЭНДРЮСЕ МИЛЛИКЕНЕ (1868-1953).

УЧИТЕЛЬ: Наш рассказ об истории открытия электрона подходит к концу. Я хочу отметить, что и сегодня электрон для нас загадочен, хотя мы, земляне, знаем о нем многое. Хорошо об этом написал В.БРЮСОВ в своем стихотворении (см. Приложение №3).

Приложение 1

Вопросы к кроссворду

1. Сокращённое название величины, равное отношению работы сторонних сил к значению положительного заряда. (ЭДС)

2. Катушка в виде намотанного на цилиндрическую поверхность изолированного проводника, по которому течёт электрический ток. (соленоид)

3. Учёный, рассчитавший силу, действующую на проводник с током, помещённый в магнитное поле. (Ампер)

4. Учёный, установивший закон взаимодействия неподвижных точечных зарядов. (Кулон)

5. Система двух разноимённо заряженных проводников, разделённых диэлектриком.  (конденсатор)

6. Единица измерения магнитного потока в СИ. (Вебер)

7. Единица измерения напряжения в СИ. (Вольт)

8. Учёный, который дал выражение для силы, действующей на движущийся заряд со стороны магнитного поля. (Лоренц)

Приложение 2

Вопросы к первому уроку

1. Свойства электрического поля.

2. Что служит силовой характеристикой поля?

3. По какой формуле вычисляется напряжённость электростатического поля и как из этой формулы найти силу, действующую на заряд?

4. Свойства магнитного поля.

5. Что такое сила Лоренца и какова её формула?

6. По какой траектории движутся в однородном магнитном поле заряженные частицы под действием силы Лоренца?

7. Что служит силовой характеристикой магнитного поля?

8. Как можно выразить модуль вектора магнитной индукции через силу Лоренца?

9. (слайд) Какой знак заряда имеет частица, движущаяся в электрическом поле конденсатора? (-)

10. (слайд) Куда отклонится частица? (вниз)

11. (слайд) Ток направлен по часовой стрелке. Как направлен вектор магнитной индукции? (от нас)

12. (слайд) По какому из приведённых выражений вычисляется, удельный заряд частицы, т.е. отношение заряда к массе частицы? (по третьему)

13. (слайд) Заряженная частица находится в равновесии между обкладками конденсатора. По какой формуле находится её заряд? (по второй).

Приложение 3

Мир электрона

(Валерий Брюсов)

Быть может, эти электроны –

Миры, где пять материков,

Искусства, знанья, войны, троны

И память сорока веков!

Ещё, быть может, каждый атом –

Вселенная, где сто планет;

Там всё, что здесь, в объёме сжатом,

Но также то, чего здесь нет.

Их меры малы, но всё та же

Их бесконечность, как и здесь;

Там скорбь и страсть, как здесь, и даже

Там та же мировая спесь.

Их мудрецы, свой мир бескрайний

Поставив центром бытия,

Спешат проникнуть в искры тайны

И умствуют, как ныне я;

А в миг, когда из разрушенья

Творятся токи новых сил,

Кричат, в мечтах самовнушенья,

Что бог свой светоч загасил!