南昌大学――电子束的偏转与聚焦现象

南昌大学物理实验报告课程名称：大学物理实验.实验名称：电子束的偏转与聚焦.学院：专业班级：学生姓名：学号：.实验地点：座位号：.实验时间：.一、实验目的：1、了解示波管的基本结构和工作原理；2、研究带电粒子在电场和磁场中偏转的规律；3、学会规范使用数字万用表；4、通过磁聚焦原理测量电子的荷质比二、实验原理：1、示波管的基本结构阳极电压U2：改变电子束的加速电压的大小。聚焦电压U1：用以调节聚焦极A1上的电压以调节电极附近区域的电场分布，从而调节电子束的聚焦和散焦。栅极电压UG（辉度）：用以调节加在示波管控制栅极上的电压大小，以控制阴极发射的电子数量，从而控制荧光屏上光点的辉度。UdX偏转电压调节：-80V～80V。调零X：用来调节光点水平距离。UdY偏转电压调节：-80～80V。调零Y：用来调节光点上下距离。2、电偏转电子在均匀电场内以从平行于板的方向进入电场，在电场力的作用下，在方向（垂直方向）产生偏离位移。电子离开电场后不受电场力作用，将作匀速直线运动，等效直接从A点（板中点位置）直接射出（如图b所示），故tgLlD'200''22vvLmdeULlvvLlxy20'2mdveUlLl令LLl'2有20mdveUlLD如果加速电压为U2则22012eUmv故22ULlUdD示波管的Y方向电偏转灵敏度：2222dUlLUdUlLUUDSyy在X方向同理得x22xxDlLSUdU3、磁偏转4.加速场对电子所做的功等于电子动能的增量2212ZeUmv电子受洛伦兹力为zFevB根据洛伦兹力的性质，是一个向心力，则2zzvevBmR电子偏转的轨道半径为zmvReB在偏转角较小时，近似的有tanlDRL由此可得偏转量D与外加磁场B、加速电压U2等的关系为22eDlBLmU实验中的外加横向磁场由一对载流线圈产生，其大小为0BKnI，式中为真空中的磁导率，为单位长度线圈的匝数，为线圈中的激励电流，为线圈产生磁场公式的修正系数。由此有022eDKnIlLmU当励磁电流I（即外加磁场B）确定时，电子束在横向磁场中的偏转量D与加速电压U2的平方根成反比。磁偏转灵敏度：022mDeSKnlLImU4、磁聚焦在示波管外套一个同轴的螺线管，当给螺线管通以稳恒直流电时，其内部形成一个轴向磁场。若螺线管足够长，则可认为内部为匀强磁场。电子进入匀强磁场后，将会以轴向速度作匀速直线运动。同时以径向速度作匀速圆周运动。其合运动是一个螺旋线运动。由于匀速圆周运动周期与垂直无关。故只要电子的轴向速度相同，经过整数周期后会聚焦于荧光屏上的一点，这就是磁聚焦。电子作螺旋运动的螺距：2ZZmvhvTBe5、电子荷质比的测量从前面的讨论可知，电子的轴向速度由加速电压决定(电子离开阴极时的初速度相对来说很小，可以忽略)，故有2212ZmveU即有22ZeUvm可见电子在匀强磁场中运动时，具有相同的轴向速度，但由于电子发射方向各异，导致径向速度不同。因此他们在磁场中将作半径不同但螺距相同的螺线运动，经过时间T后，在相同的地方聚焦。调节磁场B的大小，使螺距正好等于电子束交叉点到荧光屏的距离L0，这时荧光屏上的光斑就汇聚成一个小点。由于：20222ZeUmmLhveBeBm故电子的荷质比为：2222222222222200088=8=4.852710UUUeLDkmLBNLIIk三、实验仪器：DZS-D电子束实验仪、导线四、实验内容和步骤：1.电偏转调节阳极电压旋钮，取U2=700V，用数字多用表电压档分别测量D=+-5、+-10、+-15、+-20时的Ud，再取U2=900V重复试验。2.磁偏转取U2=700V，用多用表的mA挡测量磁偏电流I，记录D=5/10/15/20mm时的磁偏电流值，然后改变方向再测。再取U2=900v，重复测量。3.磁聚焦和电子荷质比的测量吧直流稳压电源的输出端接到励磁电流，电流值调到0，开关置于“比荷”位置，阳极电压调到700V，逐渐增大励磁电流使得出现一个亮点，读出电流值，电流调回到0，电流反向进行相同测量。再用800V/900V/1000V重复测量并记录。五、实验数据与处理：1.电偏转D（mm）20151050-5-10-15-20Ud（V）700V18.414.19.74.70-4.2-9.0-13.6-18.2900V23.718.112.76.30-5.2-11.5-18.3-24.1灵敏度为v/mm04.12222dUlLUdUlLUUDSyy2.磁偏转D（mm）20151050-5-10-15-20I（mA）700V14210872360-32-61-103-135900V16112384450-37-76-118-158灵敏度为022mDeSKnlLImU=0.1388mm/mA3.磁聚焦和电子荷质比的测量700V800V900V1000VI正1.441.681.741.85I反1.481.651.751.84I平1.461.671.7451.845e/m1.593X10^111.375X10^111.434X10^111.425X10^11e/m平1.456X10^11222222202222202288IUkIULNDLBLUmeK=4.8527X10^8六、误差分析1.在做电偏转和磁偏转测量实验时，光点的大小易导致读数产生误差。2.在做磁聚焦实验时，调节后很难准确判断光点在电流为何值时最小，易产生误差。七.思考题1、为什么在接入万用表之前转动磁偏调节光点不会移动而转Y轴调节光点会上下移动？万用电表的mA档测量磁偏电流时插入磁偏电流的孔，相当于使产生磁场的电路通路，这时调节磁偏调节光点才动。之前万用电表V档测Ud时，万用电表接在X或Y正负两端，产生磁场的电路断开,所以光点不动。2、测时屏上为什么是一直线？电子在匀强磁场中运动时，具有相同的轴向速度，但由于电子发射方向各异，导致径向速度不同。因此他们在磁场中将作半径不同但螺距相同的螺线运动，所以屏上是一直线八、附上原始数据：