荷质比-深圳大学物理试验教学示范中心课件

,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1.7588196210,11,库仑/千克，约等于1.7610,11,C/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。,JJ汤姆逊于1906年获诺贝尔奖。,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,JJ汤姆逊(,Jospeh John Thomson，18561940),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,（George Paget Thomson，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。,JJ汤姆逊(Jospeh John Thomson，1,一 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。,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,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：,电子回旋半径为：,电子回旋周期为：,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,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,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,V,A2,，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,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：,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,V,A2,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,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,h,是,B,和,V,A,2,的函数，调节,B,和,V,A,2,，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26倍时，会使,h,=1/2,d,、,h,=1/3,d,、,h,=1/4,d,、,h,=1/5,d,或,h,=1/6,d,，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）,h是B和VA2的函数，调节B和VA2，可以使电子束,测量公式,其中：,0,：真空磁导率，,n,0,：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,测量公式其中：0：真空磁导率，n0：励磁线圈匝密度，N：励,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。,三、实验仪器示波管各电极结构 灯丝F：加热阴极，加6.3V电,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,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，,四、实验调节方法,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,I,1,、,I,2,、,I,3,。,（4）改变加速电压,V,A,2,，使加速电压,V,A,2,为1000V、1100V、1200V，重复实验内容与步骤（2）、（3）。,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,荷质比-深圳大学物理试验教学示范中心课件,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 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,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,和解决的办法,1、实验过程中有时会出现找不到光点（光斑）的情况，分析可能的原因和解决的办法。,2、如何发现和消除地磁场对测量电子荷质比的影响？,3、用什么方法能使电子束聚焦？电子束聚焦有什么应用？,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，,动画、脚本设计：赵改清,课 件 制 作：赵改清,深圳大学大学物理教学实验中心,2014.9,再见！,动画、脚本设计：赵改清课 件 制 作：赵改,