電子束的電偏轉(zhuǎn)、磁偏轉(zhuǎn)研究

湖南城市學院教師備課紙第次課題：電子束的電偏轉(zhuǎn)、磁偏轉(zhuǎn)研究目的要求：1．研究帶電粒子在電場和磁場中偏轉(zhuǎn)的規(guī)律。2．了解電子束線管的結(jié)構(gòu)和原理。教學重點:示波管電子的加速和電偏轉(zhuǎn)電子的磁偏轉(zhuǎn)原理教學難點:電子束線管、電子束的聚焦和偏轉(zhuǎn)、電聚焦和電偏轉(zhuǎn)、磁聚焦和磁偏轉(zhuǎn)教學課時:3－4課時教學方法：實驗教學教學內(nèi)容和步驟：示波器中用來顯示電信號波形的示波管和電視機里顯示圖像的顯象管及雷達指示管、電子顯微鏡等電子器件的外形和功用雖各不相同，但有其共同點：都有產(chǎn)生電子束的系統(tǒng)和對電子加速的系統(tǒng)；為了使電子束在熒光屏上清晰地成象，還有聚焦、偏轉(zhuǎn)和強度控制等系統(tǒng)。因此統(tǒng)稱它們?yōu)殡娮邮€管。電子束的聚焦和偏轉(zhuǎn)可以通過電場和磁場對電子的作用來實現(xiàn)，前者稱為電聚焦和電偏轉(zhuǎn)，后者稱為磁聚焦和磁偏轉(zhuǎn)。本實驗研究電子束的電偏轉(zhuǎn)和磁偏轉(zhuǎn)。通過實驗，將使我們加深對電子在電場及磁場中運動規(guī)律的理解，有助于了解示波器和顯象管的工作原理。一、實驗?zāi)康?．研究帶電粒子在電場和磁場中偏轉(zhuǎn)的規(guī)律。2．了解電子束線管的結(jié)構(gòu)和原理。二、實驗原理1、示波管圖（一）圖（一）1、示波管包括有：（1）一個電子槍，它發(fā)射電子，把電子加速到一定速度，并聚焦成電子束；（2）一個由兩對金屬板組成的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)；（3）一個在管子末端的熒光屏，用來顯示電子束的轟擊點。所有部件全都密封在一個抽空的玻璃外殼里，目的是為了避免電子與氣體分子碰撞而引起電子束散射。接通電源后，燈絲發(fā)熱，陰極發(fā)射電子。柵極加上相對于陰極的負電壓，它有兩個作用：一方面調(diào)節(jié)柵極電壓的大小控制陰極發(fā)射電子的強度，所以柵極也叫控制極；另一方面柵極電壓和第一陽極電壓構(gòu)成一定的空間電位分布，使得由陰極發(fā)射的電子束在柵極附近形成一交叉點。第一陽極和第二陽極的作用一方面構(gòu)成聚焦電場，使得經(jīng)過第一交點又發(fā)散了的電子在聚焦場作用下又會聚起來；另一方面使電子加速，電子以高速打在熒光屏上，屏上的熒光物質(zhì)高速電子轟擊下發(fā)出熒光，熒光屏上的發(fā)光亮度取決于到達熒光屏的電子數(shù)目和速度，改變柵壓及加速電壓的大小都可控制光點的亮度。水平、垂直偏轉(zhuǎn)板是互相垂直的平行板，偏轉(zhuǎn)板上加以不同的電壓，用來控制熒光屏上亮點的位置。2、電子的加速和電偏轉(zhuǎn)為了描述電子的運動，我們選用一個直角坐標系，其z軸沿示波管管軸，x軸是示波管正面所在平面上的水平線，y軸是示波管正面所在平面上的豎直線。從陰極發(fā)射出來通過電子槍各個小孔的一個電子，它在從陽極A2射出時在z方向上具有速Vz度；Vz的值取決于K和A2之間的電位差V2=VB+VC（圖二）電子從K移動到A2；位能降低了eV2；因此，如果電子逸出陰極時的初始動能可以略不計，那么它從射出時的動能就由下式確定：（1）圖（二）此后，電子再通過偏轉(zhuǎn)板之間的空間。如果偏轉(zhuǎn)板之間沒有電位差，那么電子將筆直地通過。最后打在熒光屏的中心（假定電子槍描準了中心）形成一個小亮點。但是，如果兩個垂直偏轉(zhuǎn)板（水平放置的一對）之間加有電位差Vd，使偏轉(zhuǎn)板之間形成一個橫向電場Ey，那么作用在電子上的電場力便使電子獲得一個橫向速度Vy，但卻不改變它的軸向速度分量VZ，這樣，電子在離開偏轉(zhuǎn)板時運動的方向?qū)⑴cZ軸成一個夾角，而這個角由下式?jīng)Q定：(2)如圖（三）所示。圖（三）如果知道了偏轉(zhuǎn)電位差和偏轉(zhuǎn)板的尺寸，那么以上各個量都能計算出來。設(shè)距離為d的兩個偏轉(zhuǎn)板之間的電位差Vd在其中產(chǎn)生一個橫向電場Ey=Vd/d，從而對電子作用一個大小為Fy=eEy=eVd/d的橫向力。在電子從偏轉(zhuǎn)板之間通過的時間△t內(nèi)，這個力使電子得到一個橫向動量mVy，而它等于力的沖量，即(3)于是（4）然而，這個時間間隔，也就是電子以軸向速度通過距離（等于偏轉(zhuǎn)板的長度）所需要的時間，因此。由這個關(guān)系式解出，代入沖量一動量關(guān)系式結(jié)果得（5）這樣，偏轉(zhuǎn)角就由下式給出：(6)再把能量關(guān)系式（1）代入上式，最后得到（7）這個公式表明，偏轉(zhuǎn)角隨偏轉(zhuǎn)電位差的增加而增大，而且，偏轉(zhuǎn)角也隨偏轉(zhuǎn)板長度的增大而增大，偏轉(zhuǎn)角與成反比，對于給定的總電位差來說，兩偏轉(zhuǎn)板之間距離越近，偏轉(zhuǎn)電場就越強。最后，降低加速電位差B也能增大偏轉(zhuǎn)，這是因為這樣就減小了電子的軸向速度，延長了偏轉(zhuǎn)電場對電子的作用時間。此外，對于相同的橫向速度，軸向速度越小，得到的偏轉(zhuǎn)角就越大。電子束離開偏轉(zhuǎn)區(qū)域以后便又沿一條直線行進，這條直線是電子離開偏轉(zhuǎn)區(qū)域那一點的電子軌跡的切線。這樣，熒光屏上的亮點會偏移一個垂直距離，而這個距離由關(guān)系式確定；這里是偏轉(zhuǎn)板到熒光屏的距離，如果更詳細地分析電子在兩個偏轉(zhuǎn)板之間的運動，我們會看到：這里的應(yīng)從偏轉(zhuǎn)板的中心量到熒光屏。于是我們有（8）（3）電子的磁偏轉(zhuǎn)原理在磁場中運動的一個電子會受到一個力加速，這個力的大小與垂直于磁場方向的速度分量成正比，而方向總是垂直于磁場又垂直于瞬時速度從與方向之間的這個關(guān)系可以直接導出一個重要的結(jié)果：由于粒子總是沿著與作用在它上面的力相垂直的向運動，磁場力決不對粒子作功，由于這個原因，在磁場中運動的粒子保持動能不變，因而速率也不變。當然，速度的方向可以改變。在本實驗中，我們將觀測在垂直于束流方向的磁場作用下電子束的偏轉(zhuǎn)；圖（四）電子從電子槍發(fā)射出來時，其速度由下面能量關(guān)系式?jīng)Q定：圖（四）電子束進入長度為的區(qū)域，這里有一個垂直于紙面向外的均勻磁場，由此引起的磁場力的大小為，而且它始終垂直于速度，此外，由于這個力所產(chǎn)生的加速度在每一瞬間都垂直于，此力的作用只是改變的方向而不改變它的大小。也就是說：粒子以恒定的速率運動。電子在磁場力的影響下作圓弧運動。因為圓周運動的向心加速為，而產(chǎn)生這個加速度的力（有時稱為向心力）必定為即。電子離開磁場區(qū)域之后，重新沿一條直線運動，最后，電子打在熒光屏上某一點，這一點相對于沒有偏轉(zhuǎn)的電子束的位置移動了一段距離。三、實驗儀器DZS－D型電子束測試儀四、實驗步驟1、電偏轉(zhuǎn)（1）接線圖見圖（五）（2）開啟電源開關(guān)，將“電子束荷質(zhì)比”選擇開關(guān)打向電子束位置，輝度適當調(diào)節(jié)，并調(diào)節(jié)聚焦，使屏上光點聚成一細點，應(yīng)當注意：光點不能太亮，以免燒壞熒光屏。（3）光點調(diào)零，將偏轉(zhuǎn)輸出的兩接線柱和電偏轉(zhuǎn)電壓表的兩輸入接線柱相連接，調(diào)節(jié)“調(diào)節(jié)”旋鈕，使電壓表的指示為零，再調(diào)節(jié)調(diào)零的旋鈕，使光點們于示波管垂直中線上。同調(diào)零一樣，將調(diào)節(jié)后，光點位于示波管的中心原點。（4）測量隨（軸）變化：調(diào)節(jié)陽極電壓旋鈕，給定陽極電壓（600）。將電偏轉(zhuǎn)電壓表并在電偏轉(zhuǎn)輸出的兩接線柱上測（垂直電壓），改變（每隔3伏）測一組值。改變（700）后再測變化。圖（五）（5）同軸一樣，測量軸的變化2、磁偏轉(zhuǎn)（1）接線圖見圖（六）圖（六）（2）開啟電源開關(guān)，將“電子束荷質(zhì)比”選擇開關(guān)打向電子束位置，輝度適當調(diào)節(jié)，并調(diào)節(jié)聚焦，使屏上光點聚成一細點，應(yīng)當注意：光點不能太亮，以免燒壞熒光屏。（3）光點調(diào)零，在磁偏轉(zhuǎn)輸出電流為零時，通過調(diào)節(jié)“偏轉(zhuǎn)”和“偏轉(zhuǎn)”旋鈕，使光點位于軸的中心原點。（4）測量偏轉(zhuǎn)隨磁偏電流的變化，給定（600），按圖（六）所示接線，調(diào)節(jié)磁偏電流調(diào)節(jié)旋鈕（改變磁偏電流的大?。?0測量一組值，改變（700），再測一組數(shù)據(jù)。五、數(shù)據(jù)記錄和處理（1）為600時，軸數(shù)據(jù)Vd(600)DVd(700)D（2）作圖，求出曲線靈敏度（3）軸