電子比荷的測定

1、電 子 比 荷 的 測 定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1、觀察電子束在電場作用下的偏轉(zhuǎn)。2 2、觀察運(yùn)動電荷在磁場中受洛侖茲力作用后的運(yùn)動規(guī)律，加深對此的 理解。3 3、測定電子的比荷二、實(shí)驗(yàn)儀器DH452QDH452Q 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(biāo)尺等部分。儀器采用一體化設(shè)計(jì)，整個(gè)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 1、洛侖茲力管 洛侖茲力管又稱威爾尼管，是 本實(shí)驗(yàn)儀的核心器件。它是一個(gè)直徑為 153mm153mm 勺大 燈泡，泡內(nèi)抽真空后，充入一定壓強(qiáng)的混合惰性氣 體。泡內(nèi)裝有一個(gè)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

2、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(yùn)動軌跡成為可見。2 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(dāng)兩線圈正向串聯(lián)并 通以電流 I I，且距離 a a 等于線圈的半徑r r 時(shí)，可以在線圈的軸線上獲得不太 強(qiáng)的均勻磁場。如兩線圈間的距離 a a 不等于 r r 時(shí)，則軸線上的磁場就不均勻。同學(xué)們可根據(jù)兩個(gè)單個(gè)線圈軸線3 3、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(shí)上偏轉(zhuǎn)板接正電壓，下偏轉(zhuǎn)板接地。置“下正”時(shí)則相反。置“斷開”時(shí)， 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(yùn)動軌跡上 P P 點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度 B B 的疊加，求出當(dāng)a=ra=r 時(shí)，亥姆霍茲線圈軸線上總的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B=9XB=9X 10104I I時(shí)，應(yīng)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 50250V50250V 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(yùn)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(shí)驗(yàn) 時(shí)的電壓范圍約100200V100200V。線圈電流 線圈

4、電流（勵(lì)磁電流）方向開關(guān)分“順時(shí)”、“斷開”、“逆時(shí)” 三檔。置“順時(shí)”時(shí)線圈中的電流方向?yàn)轫槙r(shí)針方向，線圈上的順時(shí)批示燈 亮，產(chǎn)生的磁場方向指向機(jī)內(nèi)。置“逆時(shí)”時(shí)則相反。置“斷開”時(shí)，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(yīng)先將線圈電流值調(diào)到最小，以免 轉(zhuǎn)換電流方向時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)電弧燒壞開關(guān)的接觸點(diǎn)。在觀察電子束在電場力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)將此開關(guān)置“斷開”位 置。在儀器后蓋上設(shè)有外接電流表和外接電壓表接線柱，以備在作課堂演示時(shí)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

5、裝有單爪數(shù)顯游標(biāo)尺和 鏡子，以便在測量電子束圓周的直徑 D D 時(shí)，使游標(biāo)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(zhǔn)確性。游 標(biāo)讀數(shù)為 inchinch 和 mnmn 刻度兩種，請選 mnmn 刻度。實(shí)驗(yàn)原理對于在均勻磁場 B B 中的以速度f=evBf=evB的作用。不 v v 和 B B 同向時(shí)，力 當(dāng)v v 和 B B 垂直時(shí)，力 F F 垂直于速度 面內(nèi)作勻速圓周運(yùn)動，如圖五所示。 即2L C mvEvBEvBr式中 R R 為電子運(yùn)動軌道的半徑。由此可見實(shí)驗(yàn)中只要測定了電子運(yùn)動的速度 V V,軌道的半徑 R R 和磁感應(yīng) 強(qiáng)度 B,B,即可測

6、定電子的比荷。電子運(yùn)動的速度 V V 應(yīng)該由加速電極，即陽極的電壓 U U 決定（電子離開陰 極時(shí)的初速度相對來說很小，可以忽略）。即將（ 3 3）式代入（ 2 2）式，得v v 運(yùn)動的電子，將受到洛侖茲力F F 等于零，電子的運(yùn)動不受磁場的影響。 v v 和磁感應(yīng)強(qiáng)度 B,B,電子在垂直于 B B 的平 維持電子作圓周運(yùn)動的力就是洛侖茲力，得電子比荷將（1 1）式代入上式，得電子比如果用電子束軌跡的直徑 D D 表示，則式中 U U、D D、I I 都是可以通過實(shí)驗(yàn)測量的量。由此即可求出電子比荷。如果電子運(yùn)動的速度 v v 和磁感應(yīng)強(qiáng)度 B B 不完全垂直時(shí)，電子束將作螺旋 線運(yùn)動。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

7、在開始通電實(shí)驗(yàn)前， 先檢查儀器面板上各控制開關(guān)和旋鈕應(yīng)放在下述位 置上：偏轉(zhuǎn)電壓開關(guān)量“斷開”，電位器逆時(shí)針轉(zhuǎn)到電壓最?。?0V,50V,無顯示）。 調(diào)節(jié)陽極電壓的電位器也逆時(shí)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(shí)針調(diào)到零。以上調(diào)節(jié)的目的，是為了保護(hù)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(yù)熱 5 5 分鐘。逐漸增加陽極電壓至 100200V100200V 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 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 90900，即電子束指向左邊并與線圈軸線垂直。在轉(zhuǎn)

8、動洛侖茲力管時(shí)， 務(wù)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(shí)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 2、 觀察電子束在磁場中的運(yùn)動軌跡 將偏轉(zhuǎn)電壓開關(guān)撥至“斷開”位置。線圈電流方向開關(guān)撥到“順時(shí)”位置，線圈上的電流順時(shí)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(yùn)動軌跡的變化情況。轉(zhuǎn)動洛侖茲力管，

9、作進(jìn)一步的觀察。記錄觀察到的現(xiàn)象，并作出理論解釋。3 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(gè)閉合的圓。利用讀數(shù)裝置，在不同的陽極電壓 U U 和不同的線圈電流 I I 情況下，仔細(xì)測量電子速軌跡的直跡。根據(jù)公式（4 4）計(jì)算電子比荷。具體內(nèi)容建議：（1 1）固定陽極電壓，改變線圈電流，作多次測量。（2 2）固定線圈電流，改變陽極電壓，作多次測量。欲使實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較準(zhǔn)確，關(guān)鍵是測準(zhǔn)電子束軌跡的直徑D D。圓的直徑取在 4cm4cm 到 9cm9cm 之間時(shí)較為合適。實(shí)驗(yàn)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)UNI/AI/AX