实验二十二子束实验.doc

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1、实验二十二电子束实验实验内容1.学习使用电子束实验仪。2.掌握用外加电场和磁场使电子束偏转的方法。教学要求1.加深理解电子在电场和磁场中的运动规律。2.掌握作图处理实验数据的方法。实验器材电子束实验仪，直流稳压电源。随着近代科学的发展，电子技术的应用已深入到各个领域，相应的物理基础，例如关于带电粒子在电场、磁场中的运动规律等已成为学习和掌握现代科学技术必不可少的基础知识。电子束实验就是研究电子在电场和磁场中的偏转问题。实验中我们把电子看作是遵从牛顿运动定律的经典粒子，因为实验过程中电子运动的速度总是远小于光速，所以

2、不必考虑相对论效应，而且电子运动的空间范围远比原子的尺度（10-8m数量级）要大，也不必考虑量子效应。实验原理1．电子束在电场中的偏转电子是带负电的粒子，电子在电场中受到库仑力的作用，力的方向和电场方向相反。如果电场方向和电子运动方向垂直，电子在该电场作用下将要发生偏移。dVxEy+++---lLVyVxθD图22-1电子束的电偏转从实验仪的电子枪发出来的电子束经加速后通过图22-1中所示的偏转板。为了描述电子的运动，我们选取一直角坐标系，其Z轴垂直于管轴方向，从荧光屏看X轴为管轴水平方向，Y轴为竖直方向。电子从阴

3、极发射出来，可以认为它的初速度为零，经加速电压V2的作用，电子的速度从0加速到vx有：mev=eV2(22-1)此后，这个电子通过偏转板之间的空间。电子在两偏转板之间穿过时，如果两板间电位差为零，电子就会笔直地通过。若偏转板之间存在电位差，且产生的电场垂直于电子的入射方向，电子束就会发生偏转。最后打在电子管末端的荧光屏上，显示出一个小光点。设偏转板长度为，两电极板相距为d，如果在竖直偏转板电极（或水平偏转板电极）之间加有电位差Vy，使偏转板之间形成一横向电场Ey，那么电子将受到一个竖直方向的作用力Fy，Fy=eEy

4、=e。在该力的作用下，电子得到一横向速度vy，但却不改变它沿Z轴方向的速度vx。这样，当电子从偏转板穿出来时，它的运动方向将与X轴成θ角度，θ角应满足下面的关系式：（22-2）设电子从电极之间穿过所需时间为Δt，在这期间电子在横向力FY的作用下，横向动量增加为mvy，应等于FY对电子的冲量，即：mvy=FYΔt=eΔt（22-3）vy=Δt（22-4）由于Δt就是电子以vz的速度穿过长度的极板空间所花的时间，即Δt=/vx，因此有：vY=（22-5）tgθ==（22-6）以（22-1）式带入(22-6)式得:tgθ

5、=（22-7）电子束离开偏转区后，便又沿一条直线行进，这条直线是电子离开偏转区域那一点的电子轨迹的切线。这样，荧光屏上的亮点会偏移垂直距离D，这个距离由关系式D=Ltgθ确定。其中L为偏转板至荧光屏的距离（忽略荧光屏的微小弯曲）。如果更详细地分析电子在两个偏转板之间的运动，我们会看到，这里的L应从偏转板的中心量到荧光屏。于是有：（22-8）这一式子表明，偏转量D随Vy增加而增加，还与成正比，电极板愈长，偏转电场作用的时间愈长，引起的偏转量愈大；偏转量与d成反比，即两极板距离愈大，在给定电位差下所产生的偏转电场的强度

6、愈小；此外，U2增大时，vx增大，偏转电场作用的时间减少，电子的偏转量就减少。2．电子束在磁场中的偏转运动的电子在磁场中要受到洛仑兹力的作用，所受力为（22-9）可见洛仑兹力的方向始终与电子运动的方向垂直，所以洛仑兹力对运动的电子不作功，但它要改变电子的运动方向。本实验将要观察和研究电子束在与之垂直的磁场作用下的偏转情况。为简单起见，设磁场是均匀的，磁感应强度为B，在均匀磁场中电子的速度v与磁场B垂直，电子在洛仑兹力的作用下作圆周运动。洛仑兹力就是电子作圆周运动的向心力。电子离开磁场区域后，因为磁场为零，电子不再受

7、任何力的作用，应作直线运动。由图22-2可知(22-10)(22-11)RvlLHyxsφ/2φ/2图22-2电子束的磁偏转设电子进入磁场前加速电压为V2，则加速电场对电子作的功全部转变成电子的动能有如果磁场是由螺线管产生的，因为螺线管内的B=nI，其中n是单位长度线圈的圈数，I是通过线圈的电流，所以（22-12）可见位移s与磁场电流I成正比，而与加速电压的平方根成反比，这与静电场的情况不同。操作步骤1．测量y偏转板长度和偏转板中心至荧光屏的距离L。2．通电前连接好电路。A1接V1，A2接地-V2，+y、-y间接入

8、电压表，并加偏转电压Vy于+y、-y之间。3．经仔细检查无误后，先打开灯丝电压，再打开栅极电压VG并调至最负位置。观察阴极后面灯丝亮度的增加。一分钟后可开高压，使V2至最大，通过调节在荧光屏上找到亮点，分别调V2、V1至适当值以至达到最佳聚焦。调节Vy（或Vyx或Vyy），使荧光屏上的光点上下移动。4．研究电子束在电场中的偏转(1)保持加速电压V2和聚焦电压