荷质比深圳大学物理试验教学示范中心PPT课件.ppt

大学物理实验2 电子荷质比的测量 深圳大学物理实验教学中心 历史回眸 1897年J J 汤姆孙通过电磁偏转的方法测量了阴极射线粒子的荷质比 它比电解中的单价氢离子的荷质比约大2000倍 从而发现了比氢原子更小的组成原子的物质单元 定名为电子 精确测量电子荷质比的值为1 75881962 1011库仑 千克 约等于1 76 1011C kg 根据测定电子的电荷 可确定电子的质量 荷质比 e m 带电体的电荷量和质量的比值 叫做荷质比 又称 比荷 电子的基本常数之一 J J 汤姆逊于1906年获诺贝尔奖 J J 汤姆逊 JospehJohnThomson 1856 1940 英国物理学家 曾任剑桥大学卡文迪什实验室主任 培养的学生有卢瑟福 玻尔 威尔逊等多人 他们都先后荣获了诺贝尔奖 J J 汤姆逊像 G P 汤姆逊 GeorgePagetThomson 1892 1975 J J 汤姆孙之子 因通过实验发现受电子照射的晶体中的干涉现象 1937年获得物理学奖 一实验目的 利用纵向磁场聚焦法测定电子荷质比e m 了解和掌握利用磁控条件测量电子荷质比的原理及方法 运动的电子在磁场中要受到洛仑兹力的作用 所受力为 二实验原理 2 1电子束在磁场中的偏转 洛仑兹力的方向始终与电子运动的方向垂直 对电子不作功 但会改变电子的运动方向 为简单起见 设磁场是均匀的 磁感应强度为B 电子的速度v与磁场B垂直 电子在洛仑兹力的作用下作圆周运动 洛仑兹力就是向心力 电子的回旋周期和磁感应强度大小 荷质比有关 和速度无关 电子离开磁场区域后不再受力的作用作直线运动 由图可知 设电子进入磁场前加速电压为VA2 电子从加速极射出的速度 位移s与励磁电流I成正比 而与加速电压的平方根成反比 二实验原理 2 2荷质比的测量 当电子速度v与磁场B有一定夹角进入磁场后 将作螺旋运动 回旋半径为 回旋周期 螺距为 加速电压VA2较大 有几千伏 所以相对来说很小 所以在B一定的时 各电子的回旋半径不一样 但是它们的螺距和回旋周期也相等 也就是说经过一个周期后 同时从电子枪发射出来但是运动方向不同的电子 又交汇在同一点 这就是磁聚焦 h是B和VA2的函数 调节B和VA2 可以使电子束在磁场方向上的任意位置聚焦 当螺距h刚好等于示波管的第二阳极到荧光屏之间的距离d时 可以看到电子束在荧光屏上聚成一小亮点 电子束已聚焦 当B值增加到2 6倍时 会使h 1 2d h 1 3d h 1 4d h 1 5d或h 1 6d 相应地可在荧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 当h不等于这些值时 只能看到圆圈的光斑 电子束不会聚焦 可以得出 19 7 测量公式 其中 0 真空磁导率 n0 励磁线圈匝密度 N 励磁线圈总匝数 I为励磁电流 D为励磁线圈平均直径 L为励磁线圈长度 1 2 励磁线圈长度 不包括前后挡板厚度 L 215mm 3 h d 180mm 4 励磁线圈骨架外直径 D 96mm 5 总匝数标在线圈上 2020 1 7 10 三 实验仪器 示波管各电极结构 灯丝F 加热阴极 加6 3V电压 阴极K 被加热后能向外发射自由电子 也称发射极 栅极G 施加适当电压 通常加负压 可控制电子束电流强度 也称控制栅 栅负压通常在 70 10V之间 第二阳极A2 施加纵向高压电场 使加速电子向荧光屏运动 也称加速极 加速电压通常为1000V以上 第一阳极A1 为一圆盘结构 介于第二阳极的圆筒和圆盘之间 施加适当电压能使电子束恰好在荧光屏上聚焦 因此也称聚焦极 通常加数百伏正向电压 水平偏转极板 X1和X2为处于示波管中一前一后的两块金属板 在极板上施加适当电压后构成水平方向的横向电场 垂直偏转极板 Y1和Y2为处于示波管中一上一下的两块金属板 在极板上施加适当电压后构成垂直方向的横向电场 示波管第二阳极 第二阳极圆筒的中点 到荧光屏的距离 典型值为180mm 四 实验调节方法 四 实验调节方法 在实验内容与步骤1 9 中 记录电子束前三次聚焦时对应的励磁电流值I1 I2 I3 4 改变加速电压VA2 使加速电压VA2为1000V 1100V 1200V 重复实验内容与步骤 2 3 五使用注意事项 1 本实验仪内示波管电源电路存在高压 励磁电路存在直流大电流 在安装示波管和实验接线时应在关闭实验仪电源情况下进行 在实验仪通电后 切勿触及示波管座 亥姆霍兹线圈的金属部分 以免电击危险 2 在作磁聚焦及电子荷质比e m的测定实验时 时间不宜太长 控制在3分钟内 应避免长时间施加励磁电流 当励磁电流较大时 及时记录聚焦电流值 记录完一组数据后 及时将励磁电流调到0 实验结束后及时关闭励磁电流开关 以免励磁线圈过热而烧坏 3 示波管辉度调节适中 以免影响荧光屏的使用寿命 五 思考题 1 实验过程中有时会出现找不到光点 光斑 的情况 可能的原因 和解决