電子荷質(zhì)比實(shí)驗(yàn)報(bào)告

電子荷質(zhì)比實(shí)驗(yàn)報(bào)告 編號(hào) 學(xué)士學(xué)位 電子荷質(zhì)比的測(cè)量 學(xué)生姓名：麥麥提江.吾吉麥 學(xué) 號(hào)： 系 部： 物理系 專 業(yè)： 物理學(xué) 年 級(jí)： 07-1班 指導(dǎo)教師： 依明江 完成日期： 年月日 中文摘要 電子荷質(zhì)比的測(cè)量方法很多,主要用近代物理實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定,例如,有磁控管法、 湯姆遜法、 塞曼效應(yīng)法、密立根油滴實(shí)驗(yàn)法及磁聚焦法等,各有特點(diǎn)準(zhǔn)確度也不一樣。 這文章中利用普通物理實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)電荷在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)， 利用電子束實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行電子荷質(zhì)比測(cè)定實(shí)驗(yàn)，分析了電子束的磁聚焦原理，通過(guò)對(duì)同一實(shí)驗(yàn)多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理，最后分析了產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差的主要原因。 關(guān)鍵詞：磁聚焦；電子荷質(zhì)比；螺旋運(yùn)動(dòng) ；亮線段； 誤差； 1 中文摘要 . 1 引言 . 3 1. 電子荷質(zhì)比測(cè)量的簡(jiǎn)要?dú)v程 . 3 2. 電子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) . 4 2.1電荷在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn).4 2.2電子束的磁聚焦原理 . 4 2.2.1電子荷質(zhì)比的測(cè)量. 6 2.2.2決定熒光屏上亮線段的因素 . 6 3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果 . 8 3.1.產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差的主要原因分析 . 10 3.1.1地磁分量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響 . 11 3.1.2光點(diǎn)判斷不準(zhǔn)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響 . 11 3.1.3示波管真空度的影響 . 11 結(jié)論 . 12 _ . 13 致謝 . 14 2 引言 （e/m）電子的電量與質(zhì)量之比 稱為電子荷質(zhì)比。它是描述電子性質(zhì)的重 要物理量。測(cè)定電子荷質(zhì)比有多種方法。如磁控管法、 湯姆遜法、 塞曼效應(yīng) 法、密立根油滴實(shí)驗(yàn)法及磁聚焦法等。也可以用普通物理實(shí)驗(yàn)中的磁聚焦法。 為了更好地理解實(shí)驗(yàn),下面進(jìn)一步了解釋實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的現(xiàn)象。為此, 本研究運(yùn)用經(jīng)典電磁學(xué)和牛頓力學(xué)理論，加速電壓不很高條件下，忽略其量子效應(yīng), 把電子當(dāng)作經(jīng)典粒子， 推導(dǎo)出電子荷質(zhì)比的測(cè)量與計(jì)算公式,測(cè)量出了電子荷質(zhì)比。 1電子荷質(zhì)比測(cè)量的簡(jiǎn)要?dú)v程 自從1897年通過(guò)測(cè)定電子的荷質(zhì)比發(fā)現(xiàn)電子以來(lái),物理學(xué)家們就一直在追 尋電子電量與荷質(zhì)比的精確測(cè)量,因?yàn)樗鼈兪亲钪匾幕疚锢沓?shù)之一.物理常數(shù)可分為物質(zhì)常數(shù)與基本物理常數(shù)兩大類,物質(zhì)常數(shù)是與物質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的一類常數(shù),如沸點(diǎn)T、比熱C、電阻率?、折射率n等;而基本物理常數(shù)則與物質(zhì)性質(zhì)無(wú)關(guān)的、普適的一類常數(shù),如真空中的光速c、基本電荷e、普朗克常數(shù)h、精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)a等.基本物理常數(shù)在物理學(xué)中起著十分重要的作用,其中最具有重要意義和深刻含義的6個(gè)常數(shù)是萬(wàn)有引力常數(shù)G、真空中的光速c、普朗克常數(shù)h、電子荷質(zhì)比e/me、基本電荷e和阿伏加德羅常數(shù)N0其中G、h、c是對(duì)物理基本理論起著十分重要作用的常數(shù)；e/me和e則標(biāo)志著物質(zhì)單元的基本特征.電子荷質(zhì)比測(cè)量的主要方法與原理大致為3種,即偏轉(zhuǎn)法、光譜分析法與核磁共振法,測(cè)量精度的提高集中反映了當(dāng)代科學(xué)技術(shù)水平的進(jìn)步.物理基本常數(shù)的測(cè)定在近代物理實(shí)驗(yàn)中是重要內(nèi)容之一,它是培養(yǎng)提高學(xué)生綜合運(yùn)用基本物理知識(shí)和創(chuàng)新能力十分重要的教學(xué)內(nèi)容.在近代物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)研究中,我們本著不追求測(cè)量的精度,只注重培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用基本物理知識(shí)和創(chuàng)新能力的提高。 3 2.電子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 2.1電子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn) 電荷在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到磁場(chǎng)力的作用 即洛侖茲力 ，其表達(dá)式為: ?F?qv?B（1） ?式中: q為運(yùn)動(dòng)電荷的電量; v 為電荷運(yùn)動(dòng)的速度; B為電荷所在處的磁感應(yīng) ?強(qiáng)度F 的大小由f?qvBsin?(?是 與 之間的夾角) 決定, 方向由v?B 來(lái)決 定由于洛侖茲力在電荷運(yùn)動(dòng)方向上的分量永遠(yuǎn)為零, 因此不做功, 不能改變運(yùn)動(dòng)電荷速度的大小。如果運(yùn)動(dòng)電荷的速度方向與磁場(chǎng)方向垂直, 則運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng), 如果運(yùn)動(dòng)電荷的速度方向與磁場(chǎng)方向成一定夾角, 則運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中將做螺旋運(yùn)動(dòng) . 2.2. 電子束的磁聚焦原理 在示波管外的磁聚焦螺線管線圈上加上電壓, 通以勵(lì)磁電流I, 則在螺線管線圈軸線方向( 圖1中的Z軸方向) 產(chǎn)生均勻磁場(chǎng)B, 電子束進(jìn)入示波管 ?中第一陽(yáng)極后, 即在均勻磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)設(shè)電子以速度v與B成角度? 進(jìn)入均勻 ?磁場(chǎng)中, 可將速度v 分解為與磁場(chǎng)方向垂直和平行的兩部分， 垂直分量為 v?vsin?使電子產(chǎn)生垂直z軸方向的勻速圓周運(yùn)動(dòng)； 而平行分量為v?vcos?， 使電子產(chǎn)生z軸方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)的合成, 使電子產(chǎn)生（圖 2）沿軸方向的螺旋線運(yùn)動(dòng), 其螺距為: 2?R2?mv?h?v?T?v?v?eB(2) 式中: T為勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期, R為勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑, e為電子電量, m為電子質(zhì)量 4 電 子 荷 質(zhì) 比 的 測(cè) 定 班級(jí)：xx級(jí)物理學(xué)（國(guó)家基地）姓名： 葉君 學(xué)號(hào)：xx261025 日期：xx-12-21 地點(diǎn)： 理科樓四層機(jī)房 【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹浚?1. 研究磁場(chǎng)幾乎平行于電子束情況下電子的運(yùn)動(dòng)。 2. 用磁聚焦法測(cè)定電子荷質(zhì)比。 【實(shí)驗(yàn)原理】 1帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。 電子速度垂直于磁場(chǎng)： 設(shè)電子e在均勻磁場(chǎng)中以勻速v運(yùn)動(dòng)，且速度方向垂直于B時(shí)，則在洛倫茲力 作用下，作圓周運(yùn)動(dòng)，這時(shí)可變成如下式所示，而有圓周半徑R： 及 （1.1） （1.2） 如果條件不變，電子將周而復(fù)始地圓周運(yùn)動(dòng)?？傻贸鲭娮拥膱A周運(yùn)動(dòng)周期T為 (1.3) 由上式可知，周期T只與磁場(chǎng)B有關(guān)而與速度V無(wú)關(guān)。這個(gè)結(jié)論說(shuō)明：當(dāng)若干個(gè)電子在均勻磁場(chǎng)中各以不同速度同時(shí)從某處出發(fā)時(shí)，只要這些速度（大小不等）都是垂直于磁場(chǎng)B，那么經(jīng)歷了不同圓周運(yùn)動(dòng)后，仍會(huì)同時(shí)在原出發(fā)地相聚。只是速度大的電子圓周運(yùn)動(dòng)半徑R大，速度小的電子圓周運(yùn)動(dòng)半徑小。 當(dāng)電子與速度v與磁場(chǎng)B成角度時(shí)，可將其分解為平行于磁場(chǎng)B的分量 和垂直分量,這時(shí)電子的實(shí)際運(yùn)動(dòng)是兩種運(yùn)動(dòng)的合 成：電子以作垂直于磁場(chǎng)B的圓周運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，以作沿磁場(chǎng) 方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)。這時(shí)電子是在一條螺線上運(yùn)動(dòng)。 可以計(jì)算這條螺線的螺距并且由(1.3)可以得出 。 （1.4） （1.5） 由此可見(jiàn)，只要電子速度分量 大小相等，則其運(yùn)動(dòng)的螺距就不相同。這個(gè)重要結(jié)論表明，如果在一個(gè)均勻磁場(chǎng)中有一個(gè)電子源源 不斷地向外界提供電子，那么不論這些電子具有怎樣的初始速度方向，他們都沿著磁場(chǎng)方向作不同的螺旋運(yùn)動(dòng)，而只要保持它們磁場(chǎng)方向的速度分量相等，它們就具有由式（1.5）決定的相同的螺距。這就是說(shuō)，在沿磁場(chǎng)方向上與電子源相距處，電子要聚焦在一起，這就是電子在均勻磁場(chǎng)中的旋進(jìn)聚焦現(xiàn)象。 至于V和B平行時(shí)，則磁場(chǎng)對(duì)電子的運(yùn)動(dòng)和聚焦均不產(chǎn)生影響。（FB=VB=0）。 2磁聚焦法測(cè)電子的核質(zhì)比 當(dāng)把示波管的軸線方向沿均勻磁場(chǎng)B的方向放置時(shí)，在陰極K和陽(yáng)極 之間加以電壓 ，使陰極發(fā)射的電子加速。設(shè)陽(yáng)極熱電子 之間的 脫離陰極K后沿磁場(chǎng)方向的初速度為零。設(shè)陰極K與陽(yáng)極電場(chǎng)加速后，速度為，這時(shí)電子的動(dòng)能增加為 ，由能量 守恒定律可知，電子動(dòng)能的增加應(yīng)等于電場(chǎng)力對(duì)它所作的功（第一陽(yáng)極A1和第二陽(yáng)極A2連接在一起）。則有 即： （1.6） 只要加速電壓確定，電子沿磁場(chǎng)方向的速度分量是確定的。而且電子經(jīng)過(guò)第一陽(yáng)極后，由于第二陽(yáng)極和兩對(duì)偏轉(zhuǎn)板（X軸和Y軸偏轉(zhuǎn)板）與用電位，因此電子在第二陽(yáng)極至熒光屏之間將不再受電場(chǎng)力的作用，電子的將不再改變。把式（1.6）代入式（1.5）， 則 由式（1.7 ）可知，是B 和 （1.7） 的函數(shù)。調(diào)節(jié) 和B的大小，可以 使電子束在磁場(chǎng)的方向上任意位置聚焦。當(dāng)正好等于示波管的陽(yáng)極和熒光屏之間的距離d時(shí)，可以在熒光屏看到一個(gè)小亮點(diǎn)（電子已聚焦）。當(dāng)B值增大到2倍或3 倍時(shí)，會(huì)使地在熒光屏上看到第二、第三次聚焦。當(dāng) 或 ，相應(yīng) 不等于這些值時(shí)，只能 看到較大的不等的光斑而不會(huì)聚焦。將式（1.7）變換成式（1.8）： （1.8） 將及B之值代入上式，可得電子的荷質(zhì)比。對(duì)于SJ-SS-型電子束實(shí)驗(yàn)儀來(lái)說(shuō)，B是螺線管中磁場(chǎng)的平均值，與電流I的關(guān)系可表示為：B=KI(1.9) K為每臺(tái)儀器的常數(shù)，由儀器出廠時(shí)給定。對(duì)于SJ-SS-型電子束實(shí)驗(yàn)儀來(lái)說(shuō)，B可取螺線管中部的磁場(chǎng)值，如式（1.10） （1.10） 式中 。 N=線圈匝數(shù)，L=螺線管線圈長(zhǎng)度。 n=NL為單位長(zhǎng)度的匝數(shù)。 為螺線管的半徑。 為此，式（1.10）可改寫(xiě)為式（1.11）： （1.11） 代入式（1.8），得 （1.12） 其中d是示波管的陽(yáng)極到熒光屏之間的距離。對(duì)于不同的儀器，這些參數(shù)出廠時(shí)是略有差別的。 【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】 1、實(shí)驗(yàn)電路 （1）閱讀儀器的使用說(shuō)明。 （2）按正向聚焦接線圖插入導(dǎo)聯(lián)線。 （3）將儀器面板“功能選擇”開(kāi)關(guān)旋至“磁聚”處，此時(shí)儀器處于磁聚焦工作狀態(tài)。 2、測(cè)量 （1）接通總電源，預(yù)熱數(shù)分鐘，熒光屏上出現(xiàn)亮斑。亮斑輝度不夠可調(diào)節(jié)輝度旋鈕或增大V2。 （2）接通勵(lì)磁開(kāi)關(guān)前，先將“勵(lì)磁電流”旋鈕（或調(diào) 壓器旋鈕）逆時(shí)針?lè)较蛐磷钚　?（3）取V2為800V，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，使光斑聚焦，記下此時(shí)儀器 三次聚焦時(shí)的勵(lì)磁電流讀數(shù)。 （4）取V2為1000V、1200V重復(fù)步驟（3）。 （5）關(guān)閉總電源約數(shù)分鐘，改為反向聚焦接線，重復(fù)步驟（3）、（4）。 3、記錄數(shù)據(jù)和處理結(jié)果。 【數(shù)據(jù)處理】 螺線管的長(zhǎng)度L=296mm 螺線管直徑D=91.5mm 線圈匝數(shù)N=4141 示波管陽(yáng)極到熒光屏的距離d=193.0mm 3.數(shù)據(jù)處理 將各數(shù)據(jù)代入公式 平均值為1.7651011Ckg 算出標(biāo)準(zhǔn)差為0.0131011Ckg 得出電子的荷質(zhì)比 所以電子的荷質(zhì)比為（1.765?0.01