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1、磁聚焦法测定电子荷质比,物理实验教学中心,实验背景,带电体的电荷量和质量的比值，叫做比荷，又称荷质比。 电子电量e和电子静质量m的比值（e/m）是电子的基本常数之一， 又称电子比荷。1897年J.J.汤姆逊（获得1906年诺贝尔物理学奖） 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2 000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 1011C/kg，根据测定电子的电荷，可确定电子 的质量。另外，20世纪初W.考夫曼用电磁偏转法测量射线 （快速运动的电子束）的荷质比，发现e/m随速度增大而
2、减小。 这是电荷不变质量随速度增加而增大的表现，与狭义相对论质 速关系一致，是狭义相对论实验基础之一。,实验目的,1 加深对电子在电场和磁场中运动规律的理解；,2 了解电子射线束磁聚焦的基本原理；,3 学习用磁聚焦方法测定电子荷质比e/m的值。,实验仪器,长直螺线管 阴极射线示波器 电子荷质比测定仪电源 直流稳压电流（励磁用） 直流电流表（0-3A） 装有选择开关的接线板 导线。,实验原理,带电粒子是质量和电荷分别为m和e的电子，则它在均匀 磁场中运动时，受到的洛伦兹力f的大小为 f = evBsin(v,B) 当电子运动方向与磁场方向斜交时，电子速度v分解成与磁场平行的分量V/和磁场方向垂直
3、的分量V，此时，电子运动是均速圆周运动和匀速直线运动的合成，形成一条螺线型的运动轨迹。 对于同一时刻电子流中沿螺线管轨道运动的电子，由于v的平行分量不同，它们的螺旋轨道各不相同，但只要磁场的B一定，那么，所有电子绕各自的螺旋轨道运动一周的时间T是相同的。如果v的平行分量也相同，则这些螺旋轨道的螺距h也相同，从同一点出发的所有电子，经过相同的周期T、2T、后，都将汇聚于距离出发点为h、2h处，而h的大小则由B和V/来决定，这就是用纵向磁场使电子束聚焦的原理。,1 纵向磁场使电子束聚焦的原理,2 理论公式,式中： 0真空磁导率，0=4107H/m。 N 螺线管线圈的总匝数； L、D 螺线管的长度和
4、直径。（N、L、D、h的数值由 实验室给出） 因此测得I和U后，就可求得电子的荷质比的值。,实验内容与步骤, 将选择开关K1扳到接“地”一边，电流换向开关K2断开。接通 “电子荷质比测定仪电源”开关，加速高压U调至600V，适当调 节辉度和聚焦旋钮，使荧光屏上出现一个明亮的细点。, 将选择开关K1扳向另一边，Y偏转板接通交流电源。由于电子获得了垂直于轴向的速度而发生偏转，荧光屏上出现一条直线。, 将电流换向开关K2扳向任一边，接通直流稳压电源（即励磁 电源），从零逐渐增加螺线管中的电流强度I，使荧光屏上的直线 光迹一面旋转一面缩短，当磁场增强到某一程度时，又聚焦成一 细点。第一次聚焦时，螺旋轨
5、道的螺距h恰好等于Y偏转板中点 至荧光屏的距离。记下聚焦时电流表的读数。, 将螺线管方位调整到与当地的地磁倾角相同，使管内轴向磁场和地球磁场方向一致。, 调节高压U为700V、800V、900V、1 000V，分别记录 每次聚焦时螺线管中的电流值。 将高压从1 000V逐次降到600V，重复上述步骤。 将电流换向开关K2扳到另一边，重复上述操作，记下聚焦时 的电流表读数。 断开电流换向开关及选择开关，关断励磁电源及测定仪电源。 记录螺线管的N、L、D及螺距h的值。,注意事项, 实验线路中因有高压，操作时需倍加小心，以防电击。 为了减少干扰，螺线管支架应接地，其他铁磁物体应 远离螺线管。 螺线管应南高北低放置。聚焦光点应尽量细小，但不要 太亮，以免难以判断聚焦的好坏。 在改变螺线电流方向以前，应先调节励磁电源输出为“零” 或最小，然后再扳动换向开关K2，使电流反向。 改变加速高压U后，光点亮度会改变，这时应重新调节亮度， 若调节亮度后加速高压有变化，再调到规定的电压值。,思考题, 调节螺线管中的电流强度I的目的是什么？ 实验时螺线管中的电流方向要反向，为什么？ 聚焦时电流值有何不同？为什么？ 静电聚焦（B = 0）后，加偏转电压后， 荧光屏上呈现的是一条直线而不是一个亮点，为什么？, 加上磁场后，磁聚焦时，如何判定偏转板到荧光屏间 是一个螺距，而不是两个、三个或更多？,
