大学物理-深圳大学物理教学示范中心

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1.75881962×1011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(JospehJohnThomson，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（GeorgePagetThomson，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fqvB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：2mvqvBR电子回旋半径为：电子回旋周期为：mvReB2RTeB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：tan2lleBRmvtan2leBsLLmv222212AAeVveVvmm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：202AeslLmVnI0BnI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mvReB2mTeBhvT回旋半径为：回旋周期：螺距为：222AeVhvmmTeB22AeVvvm加速电压VA2较大，有几千伏，所以相对来说很小，v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：22228AVemhB（19-7）22228AVemhB222282AAeVhmVmmeBBe测量公式22228AVemhB0022LBnILD2222022228INhDLVmeA）（NnL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720410NA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）。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、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？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