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1、电子荷质比的测量电子荷质比的测量 大学物理实验大学物理实验 1一、实验目的一、实验目的 1、理解电子在磁场中的运动规律、理解电子在磁场中的运动规律2、掌握用电子比荷仪测电子比荷的原理及方法、掌握用电子比荷仪测电子比荷的原理及方法难点：难点：电子圆运动轨道半径的测量电子圆运动轨道半径的测量 重点：重点：电子在磁场中的运动规律电子在磁场中的运动规律2二、实验原理二、实验原理 19世世纪纪80年年代代英英国国物物理理学学家家J.J汤汤姆姆孙孙做做了了一一个个著名的实验：著名的实验： 将将阴阴极极射射线线受受强强磁磁场场的的作作用用发发生生偏偏转转，结结果果发发现了现了“电子电子”，并解出它的电荷量与
2、质量之比，并解出它的电荷量与质量之比e/m。 电子比荷电子比荷e/m是一个重要的物理常数，其测定有是一个重要的物理常数，其测定有物理学发展史上占有很重要的地位。物理学发展史上占有很重要的地位。 电子比荷的测量方法有很多，如磁聚焦法、滤速电子比荷的测量方法有很多，如磁聚焦法、滤速器法、磁控管法、汤姆逊法等。本实验仪以当年英国器法、磁控管法、汤姆逊法等。本实验仪以当年英国物理学家汤姆孙思路，利用电子束在磁场中运动偏转物理学家汤姆孙思路，利用电子束在磁场中运动偏转的方法来测量。的方法来测量。3二、实验原理二、实验原理 当一个电子以速度当一个电子以速度垂直进入到均匀磁场中垂直进入到均匀磁场中B B时，
3、电时，电子要受到洛伦兹力子要受到洛伦兹力f f的作用：的作用： 如右图所示，电子在磁场中如右图所示，电子在磁场中作圆周运动时，向心力作圆周运动时，向心力由洛伦兹由洛伦兹力提供，则有力提供，则有:式中，式中， r 是电子运动圆周的半径。是电子运动圆周的半径。（1）（2）4二、实验原理二、实验原理 （1）（2）实验中，电子枪在加速电压实验中，电子枪在加速电压u u的作用下，射出电子流，因的作用下，射出电子流，因此，此，加速电场所作功加速电场所作功eueu全部全部转变成电子的输出动能转变成电子的输出动能，（3）（4）由（由（3 3）和（）和（4 4）得：）得：（5）5三、实验仪器三、实验仪器FB71
4、0型型 电子荷质比测试仪电子荷质比测试仪 6三、实验仪器三、实验仪器 电子荷质比测试仪的电子荷质比测试仪的 中心器件是三维立体的威中心器件是三维立体的威 尔尼氏管，通过它可以生尔尼氏管，通过它可以生 动形象地显示出电子束的动形象地显示出电子束的 运行轨迹，当将威氏管放于由亥姆兹线圈产生的运行轨迹，当将威氏管放于由亥姆兹线圈产生的磁场中时，用电压激发它的电子枪发射出电子束，磁场中时，用电压激发它的电子枪发射出电子束，进行实验观察和测量。进行实验观察和测量。 1 1、威尔尼氏管、威尔尼氏管7三、实验仪器三、实验仪器主要技术参数主要技术参数 气气 压压 10 10-1-1PaPa 灯丝电压灯丝电压
5、6.3V 6.3V 调制电压调制电压 018V 018V 加速电压加速电压 max 250V max 250V 8三、实验仪器三、实验仪器其中其中0 0 =410=410-7-7NANA-2-2R=158mmR=158mm亥姆兹线圈的平均半径，亥姆兹线圈的平均半径，N=130N=130匝匝单个线圈的匝数。单个线圈的匝数。（厂家提供的仪器参数已定）（厂家提供的仪器参数已定）B=KI磁场磁场B的大小为：的大小为：2 2、亥姆兹线圈、亥姆兹线圈作用：产生磁场作用：产生磁场9三、实验仪器三、实验仪器 内 径 300mm 外 径 332mm R R有效半径 158mm N N单线匝圈 130匝 I I最
6、大通电电流 3 A 主要技术参数主要技术参数10三、实验仪器三、实验仪器加速电压：加速电压： 0-200V调制电压：调制电压：0 -20v 低压照明电压：低压照明电压： 1.5V主要技术参数主要技术参数 3 3、工作电源、工作电源 11三、实验仪器三、实验仪器反射镜反射镜 ： 用与电子束光圈半截测量的辅助工具用与电子束光圈半截测量的辅助工具。 4、测量标尺及反射镜12四、实验内容四、实验内容1、按图正确连接仪器13四、实验内容四、实验内容 当当电电子子枪枪在在加加速速电电压压的的激激发发下下，射射出出电电子子束束，进入进入威尔尼氏管威尔尼氏管：2 2、观察电子的运动情况、观察电子的运动情况(1
7、)、无磁场时，电子束将成直线轨迹射出、无磁场时，电子束将成直线轨迹射出。14四、实验内容四、实验内容(2)(2)、电子束与磁场完全垂直时，电子束形成圆形轨迹。、电子束与磁场完全垂直时，电子束形成圆形轨迹。 15四、实验内容四、实验内容(3)(3)、当电子束与磁场不完全垂直时，电子束将、当电子束与磁场不完全垂直时，电子束将 作螺旋线状态运动。作螺旋线状态运动。 16四、实验内容四、实验内容（本实验的过程是采用固定加速电压，改本实验的过程是采用固定加速电压，改变磁场偏转电流，测量偏转电子束的圆周变磁场偏转电流，测量偏转电子束的圆周半径来进行。）半径来进行。）如果加速电压太高或偏转电流太大，如果加速
8、电压太高或偏转电流太大，都容易引起电子束散焦。都容易引起电子束散焦。17四、实验内容四、实验内容应仔细地调整管子的电子枪，使电子流与磁场应仔细地调整管子的电子枪，使电子流与磁场严格保持垂直，产生完全封闭的圆形电子轨迹。严格保持垂直，产生完全封闭的圆形电子轨迹。18四、实验内容四、实验内容（1 1）调节仪器后线圈上反射镜的位置，以方便观察。）调节仪器后线圈上反射镜的位置，以方便观察。（2 2）移动测量机构上的滑动标尺，用黑白分界的中心刻）移动测量机构上的滑动标尺，用黑白分界的中心刻度线，对准电子枪口与反射镜中的象的分界线，采用度线，对准电子枪口与反射镜中的象的分界线，采用“三线三线合一合一”的方
9、法测出电子圆的右端点，从游标上读出的方法测出电子圆的右端点，从游标上读出刻度读数刻度读数S S0 0（一般此时按清零，作（一般此时按清零，作S S0 0 =00.00mm=00.00mm） 。19四、实验内容四、实验内容 （3 3）再次移动滑动标尺到电子圆的左端点，）再次移动滑动标尺到电子圆的左端点， 采用同样的的方法读出刻度读数采用同样的的方法读出刻度读数S Sn n 。 用用 求出电子圆的半径。求出电子圆的半径。20四、实验内容四、实验内容 （4 4）依次增加偏转电流）依次增加偏转电流约约I=0.05AI=0.05A，用前面（，用前面（1 1）、）、 （2 2）同样的方法测出不同电流激发的
10、磁场中电子运动圆）同样的方法测出不同电流激发的磁场中电子运动圆轨道的两端点轨道的两端点S S0 0、 Sn Sn 。共测。共测1010次，并将测量结果次，并将测量结果记入数记入数据表格中。并由下面的公式计算出荷质比。据表格中。并由下面的公式计算出荷质比。本本实实验验采采取取固固定定加加速速电电压压u u，通通过过改改变变不不同同的的偏偏转转电电流流，产产生生出出不不同同的的磁磁场场，进进而而测测量量出出电电子子束的圆轨迹半径束的圆轨迹半径r, ,就能采用下述公式测量就能采用下述公式测量。21四、实验内容四、实验内容数据记录表格数据记录表格 （ U=100V, e/m=1.7591011CKg-
11、1） n n S S0 0（mmmm） S Sn n（mmmm）r rn n （mmmm） I I （A A） e e/ /m m e e/ /m m1 100.0000.001.001.002 200.0000.001.051.053 300.0000.001.101.104 400.0000.001.151.155 500.0000.001.201.206 600.0000.001.251.257 700.0000.001.301.308 800.0000.001.351.3522五、实验注意事项五、实验注意事项1 1、实验测量开始前应细心调节电子束与磁场方向、实验测量开始前应细心调节电子
12、束与磁场方向垂直，形成垂直，形成一个一个不带任何重影不带任何重影的圆环（的圆环（调焦）。调焦）。2 2、电子束的加速电压不宜过高，上限、电子束的加速电压不宜过高，上限120120V V，且一旦，且一旦激发后，就降至激发后，就降至90-100V90-100V进行测量。进行测量。3 3、测量电子束圆轨道半径时，应仔细按、测量电子束圆轨道半径时，应仔细按 “ “三线合一三线合一”法法进行。进行。4 4、电流的变化一般取、电流的变化一般取0.05A0.05A左右测一次。左右测一次。5 5、测量结束后，将、测量结束后，将电流和电压均调至零后电流和电压均调至零后才关掉电源。才关掉电源。23六、思考题六、思考题1 1、除、除本本实验介绍的测量电子圆环半径大小的方法实验介绍的测量电子圆环半径大小的方法 外，外， 你还能提出其它更好更简捷的方法吗？你还能提出其它更好更简捷的方法吗？2 2、测量电子荷质比还有其它什么实验方法？、测量电子荷质比还有其它什么实验方法？3 3、分析洛仑兹力在不同角度下对电子运动的影响。、分析洛仑兹力在不同角度下对电子运动的影响。24
