電子比荷的測定

1、實驗三：電子比荷的測定一、實驗目的1、觀察電子束在電場作用下的偏轉(zhuǎn)。2、觀察運動電荷在磁場中受洛侖茲力作用后的運動規(guī)律，加深對此的理解。3、測定電子的比荷二、實驗儀器DH4520型電子比荷測定儀包括：洛侖茲力管、亥姆霍茲線圈、供電電源和讀數(shù)標尺等部分。儀器采用一體化設計，整個安裝在木制暗箱內(nèi)，便于觀察、測量、攜帶和貯存，如圖一所示。1、洛侖茲力管洛侖茲力管又稱威爾尼管，是本實驗儀的核心器件。它是一個直徑為153mm的大燈泡，泡內(nèi)抽真空后，充入一定壓強的混合惰性氣體。泡內(nèi)裝有一個特殊結(jié)構(gòu)的電子槍，由熱陰極、調(diào)制板、錐形加速陽極和一對偏轉(zhuǎn)極板組成，如圖二所示。經(jīng)陽極加速后的電子，經(jīng)過錐形陽極前端的

2、小孔射出，形成電子束。具有一定能力的電子束與惰性氣體分子碰撞后，使惰性氣體發(fā)光，從而使電子束的運動軌跡成為可見。2、亥姆霍茲線圈亥姆霍茲線圈是由一對繞向一致，彼此平行且共軸的圓形線圈組成。如圖三所示。當兩線圈正向串聯(lián)并通以電流 I ，且距離a 等于線圈的半徑r 時，可以在線圈的軸線上獲得不太強的均勻磁場。如兩線圈間的距離a 不等于 r 時，則軸線上的磁場就不均勻。同學們可根據(jù)兩個單個線圈軸線上P 點磁感應強度B 的疊加，求出當a=r 時，亥姆霍茲線圈軸線上總的磁感應強度B=9× 10 4 I3、供電電源供電電源的前面板如圖四所示：偏轉(zhuǎn)電壓偏轉(zhuǎn)電壓開關(guān)分“上正”、“斷開”、“下正”三檔

3、。置“上正”時上偏轉(zhuǎn)板接正電壓，下偏轉(zhuǎn)板接地。置“下正”時則相反。置“斷開”時，上下偏轉(zhuǎn)板均無電壓接入。觀察與測量電子束在洛侖茲力作用下的運動軌跡時，應置“斷開”位置。偏轉(zhuǎn)電壓的大小，由偏轉(zhuǎn)電壓開關(guān)下面的電位器調(diào)節(jié)。電壓值從50250V，連續(xù)可調(diào)，無顯示。陽極電壓陽極電壓接洛侖茲力管內(nèi)的加速電極，用于加速電子的運動速度。電壓值由數(shù)字電壓表顯示，值的大小由電壓表下的電位器調(diào)節(jié)。實驗時的電壓范圍約100200V。線圈電流線圈電流（勵磁電流）方向開關(guān)分“順時”、“斷開”、“逆時”三檔。置“順時”時線圈中的電流方向為順時針方向，線圈上的順時批示燈亮，產(chǎn)生的磁場方向指向機內(nèi)。置“逆時”時則相反。置“斷開

4、”時，線圈上的電流方向指示燈全熄滅，線圈中沒有電流。電流值由數(shù)字電流表指示，值的大小，由電流表下面的電位器調(diào)節(jié)。請注意：在轉(zhuǎn)換線圈電流的方向前，應先將線圈電流值調(diào)到最小，以免轉(zhuǎn)換電流方向時產(chǎn)生強電弧燒壞開關(guān)的接觸點。在觀察電子束在電場力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，應將此開關(guān)置“斷開”位置。在儀器后蓋上設有外接電流表和外接電壓表接線柱，以備在作課堂演示時外接大型電壓表和電流表。讀數(shù)裝置在亥姆霍茲線圈的前后線圈上，分別裝有單爪數(shù)顯游標尺和鏡子，以便在測量電子束圓周的直徑 D 時，使游標尺上的爪子、電子束軌跡、爪子在鏡中的象三者重合，構(gòu)成一線，以減小視差，提高讀數(shù)的準確性。游標讀數(shù)為 inch 和 mm刻度

5、兩種，請選 mm刻度。實驗原理對于在均勻磁場 B 中的以速度 v 運動的電子，將受到洛侖茲力 f=evB的作用。不v 和 B 同向時，力F 等于零，電子的運動不受磁場的影響。當v 和 B 垂直時，力F 垂直于速度 v 和磁感應強度 B，電子在垂直于 B 的平面內(nèi)作勻速圓周運動，如圖五所示。維持電子作圓周運動的力就是洛侖茲力，即EvB= mv2r式中 R為電子運動軌道的半徑。得電子比荷由此可見實驗中只要測定了電子運動的速度v，軌道的半徑R和磁感應強度B，即可測定電子的比荷。電子運動的速度 v 應該由加速電極，即陽極的電壓 U 決定（電子離開陰極時的初速度相對來說很小，可以忽略）。即將（ 3）式代

6、入（ 2）式，得將（ 1）式代入上式，得電子比如果用電子束軌跡的直徑D表示，則式中 U、 D、 I 都是可以通過實驗測量的量。由此即可求出電子比荷。如果電子運動的速度v 和磁感應強度B 不完全垂直時，電子束將作螺旋線運動。實驗內(nèi)容在開始通電實驗前，先檢查儀器面板上各控制開關(guān)和旋鈕應放在下述位置上：偏轉(zhuǎn)電壓開關(guān)量“斷開”，電位器逆時針轉(zhuǎn)到電壓最?。?0V，無顯示）。調(diào)節(jié)陽極電壓的電位器也逆時針調(diào)到零。線圈電流方向開關(guān)置“斷開”，調(diào)節(jié)線圈電流的電位器也逆時針調(diào)到零。以上調(diào)節(jié)的目的，是為了保護儀器，不受大電流高壓的沖擊。延長洛侖茲力管的使用壽命。打開電源，預熱5 分鐘。 逐漸增加陽極電壓至10020

7、0V 左右，即可看到一束淡蘭綠色的光束從電子槍中射出，這就是電子束。1、觀察電子束在電場作用下的偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動洛侖茲力管，使角度指示為900，即電子束指向左邊并與線圈軸線垂直。在轉(zhuǎn)動洛侖茲力管時，務必用手抓住膠木管座，切勿手抓玻璃波轉(zhuǎn)動，以免管座槍動。將偏轉(zhuǎn)電壓開關(guān)撥到“上正”位置，這時上偏轉(zhuǎn)板為正，下偏轉(zhuǎn)板接地，觀察電子束的偏轉(zhuǎn)方向。加大偏轉(zhuǎn)板上的偏轉(zhuǎn)電壓，觀察偏轉(zhuǎn)角度的變化情況。在偏轉(zhuǎn)電壓不變的情況下，加大陽極電壓，觀察偏轉(zhuǎn)角度的變化情況。再將偏轉(zhuǎn)電壓調(diào)至最小，偏轉(zhuǎn)開關(guān)撥到“下正”位置，作與上相同的觀察。記錄觀察到的現(xiàn)象，并作出理論解釋2、觀察電子束在磁場中的運動軌跡將偏轉(zhuǎn)電壓開關(guān)撥至“斷開”位

8、置。線圈電流方向開關(guān)撥到“順時”位置，線圈上的電流順時方向指示燈亮，加大線圈電流和陽極電壓，觀察電子束在磁場中運動軌跡的變化情況。轉(zhuǎn)動洛侖茲力管，作進一步的觀察。記錄觀察到的現(xiàn)象，并作出理論解釋。3、測量電子的比荷根據(jù)以上所述，將電子束軌跡調(diào)整成一個閉合的圓。利用讀數(shù)裝置，在不同的陽極電壓U 和不同的線圈電流 I 情況下，仔細測量電子速軌跡的直跡。根據(jù)公式（4）計算電子比荷。具體內(nèi)容建議：（ 1）固定陽極電壓，改變線圈電流，作多次測量。（ 2）固定線圈電流，改變陽極電壓，作多次測量。欲使實驗結(jié)果比較準確，關(guān)鍵是測準電子束軌跡的直徑D。圓的直徑取在4cm 到 9cm之間時較為合適。實驗結(jié)束后，將陽極電壓和線圈電流調(diào)到最小，偏轉(zhuǎn)電壓開關(guān)和線圈電流開關(guān)都撥到“斷開”位置，然后關(guān)掉電源。數(shù)據(jù)表格次數(shù)U/