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1、HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY物理实验报告实实 验验 题题 目：目： 电子束的电偏转与电子荷质比的测定电子束的电偏转与电子荷质比的测定 姓姓 名：名： 张志林张志林 物理实验教学中心- 1 -实 验 报 告一、实验题目：电子束的电偏转与电子荷质比的测定二、实验目的：1.了解示波管的基本结构和电聚焦的原理；2.测量示波管的电偏转灵敏度； 3.了解电子束纵向磁聚焦的基本原理； 4.观察磁聚焦现象，学习用磁聚焦法测定电子比荷 e/m。 三、实验仪器： 电子束实验仪、直流安培表、直流稳压电源、三用表三块。 四、实验原理（原理图、公式推导和文字说明）： 1.示波管的基本结构和
2、静电聚焦原理 示波管由电子枪、偏转板和荧光屏三部分组成，如图 12-1 所 示。其中电子枪是示波管的核心部件。示波管的基本结构图H，H钨丝加热电极；FA聚焦电极；K阴极；A 第二加速 2 阳极；G控制栅极；XX 水平偏转板； A 第一加速阳极； 121 Y Y 垂直偏转板 12- 2 -电子枪由阴极 K、栅极 G、第一加速阳极 A 、聚焦阳极 FA 1 和第二加速阳极 A 等同轴金属圆筒（筒内膜片的中心的限制小孔） 2 组成。当加热电流从 H，H通过钨丝，阴极 K 被加热后，筒端的钡 锶氧化物涂层内的自由电子获得较高的动能，从表面逸出。因为第 一加速阳极 A 具有（相对于阴极 K）很高的电压（
3、例如 1100V） ， 1 在 K - G - A 之间形成强电场，故从阴极逸出的电子在电场中被 1 加速，形成一束电子射线，最后打击在屏的荧光物质上，发出可见 光，在屏背可以看见一个亮点。 射线中的电子从电子枪“枪口” （最后一个加速电极 A 的小孔） 2 射出的速度 v ，由下面的能量关系决定 z22 21eVmvz式中，U 为 A 对阴极 K 的电位差，电子的最后射出速度 v 是相 22z 同的，与电子在电子枪内的电位起伏无关。 控制栅极 G 相对于阴极 K 负电位（见图中电路） ，两者相距很 近，当栅极 G 负的电位不很大时就足以把电子斥回，使电子束截 止。用电位器 R 调节 G 对
4、K 的电压，可以控制电子枪射出电子的 1 数目，从而连续改变屏上光点的亮度。 阴极发射的电子在电场的作用下，会聚于控制栅极小孔附近一 点。在这里，电子束具有最小的截面，往后，电子束又散射开来。 为了把散射开来的电子束会聚起来，采用如图 12-2 所示的静电场 装置（静电透镜） 。其作用原理如下：图 12-2 电场聚焦原理 电子枪内的聚焦电极 FA 与第二加速电极 A 组成一个静电透 2 镜，其间的静电场分布如图 12-2 所示。虚线为等位线，实线为电- 3 -力线，电场对 Z 轴是对称分布的。电子束中某个散离轴线的电子沿 轨 道 S 进入聚焦电场。在电场的前半区（左边） ，这个电子受到与电 力
5、线相切方向的作用力 f。f 可分解为垂直指向轴线的分力 fr 与平 行于轴线的分力 fz（图中 A 区） 。fr 的作用使电子运动向轴线靠拢， 起聚焦作用；fz的作用使电子沿 Z 轴线方向得到加速度。电子到达 电场的后半区（右边）时，受到的作用力 f起散焦作用。考虑到 电子在后半区的轴向速度比在前区的大得多，获得的离轴速度比在 前区获得的向轴速度小，总的效果是电子向轴线靠拢，整个电场起 聚焦作用。聚焦作用的强弱是由图中“聚焦”电位器 R2，即改变 FA 与 A 之间的电位差，从而改变其间的电场强度来实现的。 2 2.电子束的电偏转 在示波管的两块 Y（或 X）偏转板加上电压时，受电场力的作 用
6、，通过两板之间的电子束的方向发生偏转，如图 12-3 所示。图 12-3 电子束的电偏转示意图yVdVbLy22该式表明，偏转板的电压 Uy越大，屏上光点的位移也越大， 两者是线性关系。比例常数在数值上等于偏转电压为 1V 时，屏上 光点位移的大小，称为示波管的电偏转灵敏度 Sy，其倒数称为偏转 因数，即22dVbL VySyy显然，对 X 偏转板也有相应的电偏转灵敏度 Sx和偏转因数，即- 4 -22dVLb VxSxx由于 X1,X2与 Y1Y2两对金属偏转板一前一后地安装，其他条 件相同时，远离荧光屏（L 较大）的一对偏转板的灵敏度较大。增 加偏转板的长度 b 与缩小两板距离 d 固然可
7、以增大示波管的灵敏度， 但偏转大的电子易被板端阻挡，或电子束经过板边缘的非均匀电场， 以致 yUy的线性关系遭到破坏。所以通常将两偏转板的出口向外 折开成喇叭状。 屏上光点位移与偏转电压的线性关系，使示波管成为测量电压 的重要工具之一。 3.电子束的纵向磁聚焦和电子比荷的测定电子比荷即电子的电量和质量之比，它是描述电子性质的重me要物理量。1897 年 J.J.汤姆逊在英国剑桥卡文迪许实验室首先测 出了电子比荷(当时称电子荷质比)。本实验就是利用电子束在磁场 中的纵向磁聚焦现象来测量电子比荷，这是一种测量荷质比的简便 方法。 将示波管置于一个用导线绕制的载流直长螺线管的均匀磁场里， 并使示波管
8、内电子束的方向和磁感应强度 B 的方向平行。此时， 作用于电子的洛伦兹力为零。电子以 vz速度沿 Z 向作匀速直线运 动，最后打在屏的 0 点上（图 12-4） 。图 12-4 电子束的纵向磁聚焦示意图 现在，在水平偏转板 X1,X2间加上直流电压 Ux，电子穿过两极- 5 -板间的电场后，获得一个横向速度 vz，方向垂直于 B，于是电子在 洛伦兹力的作用下，逆 Z 轴的方向看去，电子作逆时针方向的圆周 运动。圆周运动的轨道半径为eBmvRz圆周运动的周期为eBmT2但是，电子作圆周运动的同时，还有 Z 轴方向的匀速直线运动 （vz） 。两个运动合成的结果，电子轨道是螺线形的，轨道螺距 h 为
9、eBmvtvhz z2对于从第一聚焦点出发的不同电子，虽然径向速度 vr不同，所走的 圆半径也不同，但只要轴向速度 vz相等，它们将沿不同的螺旋线轨 道运动，经过距离 h 后，又重新会聚在一点。如果这点正好位于荧 光屏上，则屏上将呈现一个亮点。这就是电子射线的磁聚焦原理。 设定某个 U2（通过调节加速电压可改变 vz的大小） ，选择合适 的磁感应强度 B (调节螺线管励磁电流 I 大小） ，恰好使螺距 h 等 于从第一聚焦点到荧光屏的距离 L，荧光屏上的亮斑将变成亮点， 这时eBmvhLz2经整理后得到22228 BLV me螺线管内磁感应强度2 2120 )(41DDlNIB五、实验数据处理
10、（整理表格、计算过程、结论 1、测量示波管的电偏转灵敏度 Sy 数据记录表 y/cm-2.0-1.00.01.02.0 V2=900 VVy/V-19.3-9.609.418.9- 6 -V2=1100VVy/V-22.8-11.7011.822.8-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.5-30-20-100102030yVy系列1 线性 (系列1)VmVySyy/106. 0- 7 -2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.5-30-20-100102030yVy系列1 线性 (系列1)VmVySyy/103. 02、观察磁聚焦现象 3、测定电子荷质比 数据记录表
11、 L=0.196m l=0.218m N=1160 D1=0.090m D2=0.095m 磁场电流 I/A序V2/V 正向 I/A反向 I/A 19000.5310.559 210000.5890.595 311000.6110.622公认值kgcme/10)0000049. 07588047. 1 (14kgcIINLDDlVBLV me/10)()(412814 2 21222 212 22222 - 8 -kgcme/107643619. 1)(11 1kgcme/107547771. 1)(11 2kgcme/107569230. 1)(11 3kgcme/107587106. 1110000008 . 01007588047. 17588047. 17587106. 1100meme meEr六、总结及可能性应用（误差分析、收获、体会及本实验的应用）：1、示波管的电偏转灵敏度 Sy与 V2有关，V2越大，Sy越大。 2、实验中存在一定误差，包括系统误差及人为的读数误差。 3、地磁场对实验产生一定的影响。
