電子荷質(zhì)比的測(cè)量課件

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)2電子荷質(zhì)比的測(cè)量深圳大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心

歷史回眸1897年J.J.湯姆孫通過(guò)電磁偏轉(zhuǎn)的方法測(cè)量了陰極射線粒子的荷質(zhì)比，它比電解中的單價(jià)氫離子的荷質(zhì)比約大2000倍，從而發(fā)現(xiàn)了比氫原子更小的組成原子的物質(zhì)單元，定名為電子。精確測(cè)量電子荷質(zhì)比的值為1.75881962×1011庫(kù)侖/千克，約等于1.76×1011C/kg，根據(jù)測(cè)定電子的電荷，可確定電子的質(zhì)量。荷質(zhì)比（e/m）：帶電體的電荷量和質(zhì)量的比值，叫做荷質(zhì)比，又稱“比荷”，電子的基本常數(shù)之一。J·J·湯姆遜于1906年獲諾貝爾獎(jiǎng)。歷史回眸1897年J.J.湯姆孫通過(guò)電磁偏轉(zhuǎn)的方法測(cè)量了陰極J·J·湯姆遜(JospehJohnThomson，1856～1940)英國(guó)物理學(xué)家，曾任劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室主任，培養(yǎng)的學(xué)生有盧瑟福、玻爾、威爾遜等多人，他們都先后榮獲了諾貝爾獎(jiǎng)。J.J.湯姆遜像G.P.湯姆遜

（GeorgePagetThomson，1892-1975），J.J.湯姆孫之子，因通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)受電子照射的晶體中的干涉現(xiàn)象，1937年獲得物理學(xué)獎(jiǎng)。J·J·湯姆遜(JospehJohnThomson，1一實(shí)驗(yàn)?zāi)康睦每v向磁場(chǎng)聚焦法測(cè)定電子荷質(zhì)比e/m，了解和掌握利用磁控條件測(cè)量電子荷質(zhì)比的原理及方法。一實(shí)驗(yàn)?zāi)康睦每v向磁場(chǎng)聚焦法測(cè)定電子荷質(zhì)比e/m，了解和掌運(yùn)動(dòng)的電子在磁場(chǎng)中要受到洛侖茲力的作用，所受力為：二實(shí)驗(yàn)原理/2.1電子束在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)洛侖茲力的方向始終與電子運(yùn)動(dòng)的方向垂直，對(duì)電子不作功，但會(huì)改變電子的運(yùn)動(dòng)方向。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，設(shè)磁場(chǎng)是均勻的，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，電子的速度v與磁場(chǎng)B垂直，電子在洛侖茲力的作用下作圓周運(yùn)動(dòng)，洛侖茲力就是向心力：電子回旋半徑為：電子回旋周期為：電子的回旋周期和磁感應(yīng)強(qiáng)度大小、荷質(zhì)比有關(guān)，和速度無(wú)關(guān)運(yùn)動(dòng)的電子在磁場(chǎng)中要受到洛侖茲力的作用，所受力為：二實(shí)驗(yàn)原電子離開(kāi)磁場(chǎng)區(qū)域后不再受力的作用作直線運(yùn)動(dòng)。由圖可知：

設(shè)電子進(jìn)入磁場(chǎng)前加速電壓為VA2，電子從加速極射出的速度：位移s與勵(lì)磁電流I成正比，而與加速電壓的平方根成反比電子離開(kāi)磁場(chǎng)區(qū)域后不再受力的作用作直線運(yùn)動(dòng)。由圖可知：二實(shí)驗(yàn)原理/2.2荷質(zhì)比的測(cè)量當(dāng)電子速度v與磁場(chǎng)B有一定夾角進(jìn)入磁場(chǎng)后，將作螺旋運(yùn)動(dòng)回旋半徑為：回旋周期：螺距為：加速電壓VA2較大，有幾千伏，所以相對(duì)來(lái)說(shuō)很小， 所以在B一定的時(shí)，各電子的回旋半徑不一樣，但是它們的螺距和回旋周期也相等，也就是說(shuō)經(jīng)過(guò)一個(gè)周期后，同時(shí)從電子槍發(fā)射出來(lái)但是運(yùn)動(dòng)方向不同的電子，又交匯在同一點(diǎn)，這就是磁聚焦二實(shí)驗(yàn)原理/2.2荷質(zhì)比的測(cè)量當(dāng)電子速度v與磁場(chǎng)B有一定h是B和VA2的函數(shù)，調(diào)節(jié)B和VA2，可以使電子束在磁場(chǎng)方向上的任意位置聚焦。當(dāng)螺距h剛好等于示波管的第二陽(yáng)極到熒光屏之間的距離d時(shí)，可以看到電子束在熒光屏上聚成一小亮點(diǎn)(電子束已聚焦)，當(dāng)B值增加到2~6倍時(shí)，會(huì)使h=1/2d、h=1/3d、h=1/4d、h=1/5d或h=1/6d，相應(yīng)地可在熒光屏上看到第二次聚焦、第三次聚焦、第四次聚焦、第五次聚焦、第六次聚焦。當(dāng)h不等于這些值時(shí),只能看到圓圈的光斑，電子束不會(huì)聚焦。可以得出：（19-7）h是B和VA2的函數(shù)，調(diào)節(jié)B和VA2，可以使電子束測(cè)量公式其中：μ0：真空磁導(dǎo)率，n0：勵(lì)磁線圈匝密度，N：勵(lì)磁線圈總匝數(shù)，I為勵(lì)磁電流，D為勵(lì)磁線圈平均直徑，L為勵(lì)磁線圈長(zhǎng)度（1）（2）勵(lì)磁線圈長(zhǎng)度（不包括前后擋板厚度）L=215mm。（3）h=d=180mm。（4）勵(lì)磁線圈骨架外直徑：D=96mm。(5)總匝數(shù)標(biāo)在線圈上測(cè)量公式其中：μ0：真空磁導(dǎo)率，n0：勵(lì)磁線圈匝密度，N：勵(lì)三、實(shí)驗(yàn)儀器示波管各電極結(jié)構(gòu)燈絲F：加熱陰極，加6.3V電壓。陰極K：被加熱后能向外發(fā)射自由電子，也稱發(fā)射極。柵極G：施加適當(dāng)電壓（通常加負(fù)壓）可控制電子束電流強(qiáng)度，也稱控制柵，柵負(fù)壓通常在-70～-10V之間。第二陽(yáng)極A2：施加縱向高壓電場(chǎng)，使加速電子向熒光屏運(yùn)動(dòng)，也稱加速極，加速電壓通常為1000V以上。第一陽(yáng)極A1：為一圓盤(pán)結(jié)構(gòu)，介于第二陽(yáng)極的圓筒和圓盤(pán)之間，施加適當(dāng)電壓能使電子束恰好在熒光屏上聚焦，因此也稱聚焦極，通常加數(shù)百伏正向電壓。三、實(shí)驗(yàn)儀器示波管各電極結(jié)構(gòu)燈絲F：加熱陰極，加6.3V電水平偏轉(zhuǎn)極板：X1和X2為處于示波管中一前一后的兩塊金屬板，在極板上施加適當(dāng)電壓后構(gòu)成水平方向的橫向電場(chǎng)。垂直偏轉(zhuǎn)極板：Y1和Y2為處于示波管中一上一下的兩塊金屬板，在極板上施加適當(dāng)電壓后構(gòu)成垂直方向的橫向電場(chǎng)。示波管第二陽(yáng)極（第二陽(yáng)極圓筒的中點(diǎn)）到熒光屏的距離：典型值為180mm水平偏轉(zhuǎn)極板：X1和X2為處于示波管中一前一后的兩塊金屬板，四、實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)方法四、實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)方法四、實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)方法在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1-（9）中，記錄電子束前三次聚焦時(shí)對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流值I1、I2、I3。（4）改變加速電壓VA2，使加速電壓VA2為1000V、1100V、1200V，重復(fù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟（2）、（3）。四、實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)方法在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1-（9）中，記錄電子束前三電子荷質(zhì)比的測(cè)量課件五使用注意事項(xiàng)1．本實(shí)驗(yàn)儀內(nèi)示波管電源電路存在高壓，勵(lì)磁電路存在直流大電流，在安裝示波管和實(shí)驗(yàn)接線時(shí)應(yīng)在關(guān)閉實(shí)驗(yàn)儀電源情況下進(jìn)行。在實(shí)驗(yàn)儀通電后，切勿觸及示波管座、亥姆霍茲線圈的金屬部分，以免電擊危險(xiǎn)。2、在作磁聚焦及電子荷質(zhì)比e/m的測(cè)定實(shí)驗(yàn)時(shí)，時(shí)間不宜太長(zhǎng)，控制在3分鐘內(nèi)，應(yīng)避免長(zhǎng)時(shí)間施加勵(lì)磁電流，當(dāng)勵(lì)磁電流較大時(shí)，及時(shí)記錄聚焦電流值，記錄完一組數(shù)據(jù)后，及時(shí)將勵(lì)磁電流調(diào)到0，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后及時(shí)關(guān)閉勵(lì)磁電流開(kāi)關(guān)，以免勵(lì)磁線圈過(guò)熱而燒壞。3．示波管輝度調(diào)節(jié)適中，以免影響熒光屏的使用壽命。五使用注意事項(xiàng)1．本實(shí)驗(yàn)儀內(nèi)示波管電源電路存在高壓，勵(lì)磁五、思考題1、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)找不到光點(diǎn)（光斑）的情況，可能的原因和解決的辦法1、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)找不到光點(diǎn)（光斑）的情況，分析可能的原因和解決的辦法。2、如何發(fā)現(xiàn)和消除地磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量電子荷質(zhì)比的影響？

3、用什么方法能使電子束聚焦？電子束聚焦有什么應(yīng)用？五、思考題1、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)找不到光點(diǎn)（光斑）的情況，動(dòng)畫(huà)、腳本設(shè)計(jì)：趙改清課件制作：趙改清深圳大學(xué)大學(xué)物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心2014.9再見(jiàn)！動(dòng)畫(huà)、腳本設(shè)計(jì)：趙改清課件制作：趙改

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歷史回眸1897年J.J.湯姆孫通過(guò)電磁偏轉(zhuǎn)的方法測(cè)量了陰極射線粒子的荷質(zhì)比，它比電解中的單價(jià)氫離子的荷質(zhì)比約大2000倍，從而發(fā)現(xiàn)了比氫原子更小的組成原子的物質(zhì)單元，定名為電子。精確測(cè)量電子荷質(zhì)比的值為1.75881962×1011庫(kù)侖/千克，約等于1.76×1011C/kg，根據(jù)測(cè)定電子的電荷，可確定電子的質(zhì)量。荷質(zhì)比（e/m）：帶電體的電荷量和質(zhì)量的比值，叫做荷質(zhì)比，又稱“比荷”，電子的基本常數(shù)之一。J·J·湯姆遜于1906年獲諾貝爾獎(jiǎng)。歷史回眸1897年J.J.湯姆孫通過(guò)電磁偏轉(zhuǎn)的方法測(cè)量了陰極J·J·湯姆遜(JospehJohnThomson，1856～1940)英國(guó)物理學(xué)家，曾任劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室主任，培養(yǎng)的學(xué)生有盧瑟福、玻爾、威爾遜等多人，他們都先后榮獲了諾貝爾獎(jiǎng)。J.J.湯姆遜像G.P.湯姆遜

（GeorgePagetThomson，1892-1975），J.J.湯姆孫之子，因通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)受電子照射的晶體中的干涉現(xiàn)象，1937年獲得物理學(xué)獎(jiǎng)。J·J·湯姆遜(JospehJohnThomson，1一實(shí)驗(yàn)?zāi)康睦每v向磁場(chǎng)聚焦法測(cè)定電子荷質(zhì)比e/m，了解和掌握利用磁控條件測(cè)量電子荷質(zhì)比的原理及方法。一實(shí)驗(yàn)?zāi)康睦每v向磁場(chǎng)聚焦法測(cè)定電子荷質(zhì)比e/m，了解和掌運(yùn)動(dòng)的電子在磁場(chǎng)中要受到洛侖茲力的作用，所受力為：二實(shí)驗(yàn)原理/2.1電子束在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)洛侖茲力的方向始終與電子運(yùn)動(dòng)的方向垂直，對(duì)電子不作功，但會(huì)改變電子的運(yùn)動(dòng)方向。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，設(shè)磁場(chǎng)是均勻的，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，電子的速度v與磁場(chǎng)B垂直，電子在洛侖茲力的作用下作圓周運(yùn)動(dòng)，洛侖茲力就是向心力：電子回旋半徑為：電子回旋周期為：電子的回旋周期和磁感應(yīng)強(qiáng)度大小、荷質(zhì)比有關(guān)，和速度無(wú)關(guān)運(yùn)動(dòng)的電子在磁場(chǎng)中要受到洛侖茲力的作用，所受力為：二實(shí)驗(yàn)原電子離開(kāi)磁場(chǎng)區(qū)域后不再受力的作用作直線運(yùn)動(dòng)。由圖可知：

設(shè)電子進(jìn)入磁場(chǎng)前加速電壓為VA2，電子從加速極射出的速度：位移s與勵(lì)磁電流I成正比，而與加速電壓的平方根成反比電子離開(kāi)磁場(chǎng)區(qū)域后不再受力的作用作直線運(yùn)動(dòng)。由圖可知：二實(shí)驗(yàn)原理/2.2荷質(zhì)比的測(cè)量當(dāng)電子速度v與磁場(chǎng)B有一定夾角進(jìn)入磁場(chǎng)后，將作螺旋運(yùn)動(dòng)回旋半徑為：回旋周期：螺距為：加速電壓VA2較大，有幾千伏，所以相對(duì)來(lái)說(shuō)很小， 所以在B一定的時(shí)，各電子的回旋半徑不一樣，但是它們的螺距和回旋周期也相等，也就是說(shuō)經(jīng)過(guò)一個(gè)周期后，同時(shí)從電子槍發(fā)射出來(lái)但是運(yùn)動(dòng)方向不同的電子，又交匯在同一點(diǎn)，這就是磁聚焦二實(shí)驗(yàn)原理/2.2荷質(zhì)比的測(cè)量當(dāng)電子速度v與磁場(chǎng)B有一定h是B和VA2的函數(shù)，調(diào)節(jié)B和VA2，可以使電子束在磁場(chǎng)方向上的任意位置聚焦。當(dāng)螺距h剛好等于示波管的第二陽(yáng)極到熒光屏之間的距離d時(shí)，可以看到電子束在熒光屏上聚成一小亮點(diǎn)(電子束已聚焦)，當(dāng)B值增加到2~6倍時(shí)，會(huì)使h=1/2d、h=1/3d、h=1/4d、h=1/5d或h=1/6d，相應(yīng)地可在熒光屏上看到第二次聚焦、第三次聚焦、第四次聚焦、第五次聚焦、第六次聚焦。當(dāng)h不等于這些值時(shí),只能看到圓圈的光斑，電子束不會(huì)聚焦?？梢缘贸觯海?9-7）h是B和VA2的函數(shù)，調(diào)節(jié)B和VA2，可以使電子束測(cè)量公式其中：μ0：真空磁導(dǎo)率，n0：勵(lì)磁線圈匝密度，N：勵(lì)磁線圈總匝數(shù)，I為勵(lì)磁電流，D為勵(lì)磁線圈平均直徑，L為勵(lì)磁線圈長(zhǎng)度（1）（2）勵(lì)磁線圈長(zhǎng)度（不包括前后擋板厚度）L=215mm。（3）h=d=180mm。（4）勵(lì)磁線圈骨架外直徑：D=96mm。(5)總匝數(shù)標(biāo)在線圈上測(cè)量公式其中：μ0：真空磁導(dǎo)率，n0：勵(lì)磁線圈匝密度，N：勵(lì)三、實(shí)驗(yàn)儀器示波管各電極結(jié)構(gòu)燈絲F：加熱陰極，加6.3V電壓。陰極K：被加熱后能向外發(fā)射自由電子，也稱發(fā)射極。柵極G：施加適當(dāng)電壓（通常加負(fù)壓）可控制電子束電流強(qiáng)度，也稱控制柵，柵負(fù)壓通常在-70～-10V之間。第二陽(yáng)極A2：施加縱向高壓電場(chǎng)，使加速電子向熒光屏運(yùn)動(dòng)，也稱加速極，加速電壓通常為1000V以上。第一陽(yáng)極A1：為一圓盤(pán)結(jié)構(gòu)，介于第二陽(yáng)極的圓筒和圓盤(pán)之間，施加適當(dāng)電壓能使電子束恰好在熒光屏上聚焦，因此也稱聚焦極，通常加數(shù)百伏正向電壓。三、實(shí)驗(yàn)儀器示波管各電極結(jié)構(gòu)燈絲F：加熱陰極，加6.3V電水平偏轉(zhuǎn)極板：X1和X2為處于示波管中一前一后的兩塊金屬板，在極板上施加適當(dāng)電壓后構(gòu)成水平方向的橫向電場(chǎng)。垂直偏轉(zhuǎn)極板：Y1和Y2為處于示波管中一上一下的兩塊金屬板，在極板上施加適當(dāng)電壓后構(gòu)成垂直方向的橫向電場(chǎng)。示波管第二陽(yáng)極（第二陽(yáng)極圓筒的中點(diǎn)）到熒光屏的距離：典型值為180mm水平偏轉(zhuǎn)極板：X1和X2為處于示波管中一前一后的兩塊金屬板，四、實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)方法四、實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)方法四、實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)方法在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1-（9）中，記錄電子束前三次聚焦時(shí)對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流值I1、I2、I3。（4）改變加速電壓VA2，使加速電壓VA2為1000V、1100V、1200V