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荷质比-深圳大学物理实验教学示范中心.ppt
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11011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 (Jospeh John Thomson,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 (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。 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 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: μ0: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 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)。
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