電子荷質比實驗報告

電子荷質比實驗報告 編號 學士學位 電子荷質比的測量 學生姓名：麥麥提江.吾吉麥 學 號： 系 部： 物理系 專 業(yè)： 物理學 年 級： 07-1班 指導教師： 依明江 完成日期： 年月日 中文摘要 電子荷質比的測量方法很多,主要用近代物理實驗來測定,例如,有磁控管法、 湯姆遜法、 塞曼效應法、密立根油滴實驗法及磁聚焦法等,各有特點準確度也不一樣。 這文章中利用普通物理實驗來進行測量，根據(jù)電荷在磁場中的運動特點， 利用電子束實驗儀進行電子荷質比測定實驗，分析了電子束的磁聚焦原理，通過對同一實驗多組實驗數(shù)據(jù)的分析處理，最后分析了產(chǎn)生實驗誤差的主要原因。 關鍵詞：磁聚焦；電子荷質比；螺旋運動 ；亮線段； 誤差； 1 中文摘要 . 1 引言 . 3 1. 電子荷質比測量的簡要歷程 . 3 2. 電子在磁場中的運動 . 4 2.1電荷在磁場中的運動特點.4 2.2電子束的磁聚焦原理 . 4 2.2.1電子荷質比的測量. 6 2.2.2決定熒光屏上亮線段的因素 . 6 3.實驗結果 . 8 3.1.產(chǎn)生實驗誤差的主要原因分析 . 10 3.1.1地磁分量對實驗結果的影響 . 11 3.1.2光點判斷不準對實驗結果的影響 . 11 3.1.3示波管真空度的影響 . 11 結論 . 12 _ . 13 致謝 . 14 2 引言 （e/m）電子的電量與質量之比 稱為電子荷質比。它是描述電子性質的重 要物理量。測定電子荷質比有多種方法。如磁控管法、 湯姆遜法、 塞曼效應 法、密立根油滴實驗法及磁聚焦法等。也可以用普通物理實驗中的磁聚焦法。 為了更好地理解實驗,下面進一步了解釋實驗中出現(xiàn)的現(xiàn)象。為此, 本研究運用經(jīng)典電磁學和牛頓力學理論，加速電壓不很高條件下，忽略其量子效應, 把電子當作經(jīng)典粒子， 推導出電子荷質比的測量與計算公式,測量出了電子荷質比。 1電子荷質比測量的簡要歷程 自從1897年通過測定電子的荷質比發(fā)現(xiàn)電子以來,物理學家們就一直在追 尋電子電量與荷質比的精確測量,因為它們是最重要的基本物理常數(shù)之一.物理常數(shù)可分為物質常數(shù)與基本物理常數(shù)兩大類,物質常數(shù)是與物質性質有關的一類常數(shù),如沸點T、比熱C、電阻率?、折射率n等;而基本物理常數(shù)則與物質性質無關的、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、精細結構常數(shù)a等.基本物理常數(shù)在物理學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個常數(shù)是萬有引力常數(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是對物理基本理論起著十分重要作用的常數(shù)；e/me和e則標志著物質單元的基本特征.電子荷質比測量的主要方法與原理大致為3種,即偏轉法、光譜分析法與核磁共振法,測量精度的提高集中反映了當代科學技術水平的進步.物理基本常數(shù)的測定在近代物理實驗中是重要內(nèi)容之一,它是培養(yǎng)提高學生綜合運用基本物理知識和創(chuàng)新能力十分重要的教學內(nèi)容.在近代物理實驗的教學研究中,我們本著不追求測量的精度,只注重培養(yǎng)學生綜合運用基本物理知識和創(chuàng)新能力的提高。 3 2.電子在磁場中的運動 2.1電子在磁場中的運動特點 電荷在磁場中運動時受到磁場力的作用 即洛侖茲力 ，其表達式為: ?F?qv?B（1） ?式中: q為運動電荷的電量; v 為電荷運動的速度; B為電荷所在處的磁感應 ?強度F 的大小由f?qvBsin?(?是 與 之間的夾角) 決定, 方向由v?B 來決 定由于洛侖茲力在電荷運動方向上的分量永遠為零, 因此不做功, 不能改變運動電荷速度的大小。如果運動電荷的速度方向與磁場方向垂直, 則運動電荷在磁場中做勻速圓周運動, 如果運動電荷的速度方向與磁場方向成一定夾角, 則運動電荷在磁場中將做螺旋運動 . 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B, 電子束進入示波管 ?中第一陽極后, 即在均勻磁場中運動設電子以速度v與B成角度? 進入均勻 ?磁場中, 可將速度v 分解為與磁場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動； 而平行分量為v?vcos?， 使電子產(chǎn)生z軸方向的勻速直線運動兩種運動的合成, 使電子產(chǎn)生（圖 2）沿軸方向的螺旋線運動, 其螺距為: 2?R2?mv?h?v?T?v?v?eB(2) 式中: T為勻速圓周運動的周期, R為勻速圓周運動的半徑, e為電子電量, m為電子質量 4 電 子 荷 質 比 的 測 定 班級：xx級物理學（國家基地）姓名： 葉君 學號：xx261025 日期：xx-12-21 地點： 理科樓四層機房 【實驗目的】： 1. 研究磁場幾乎平行于電子束情況下電子的運動。 2. 用磁聚焦法測定電子荷質比。 【實驗原理】 1帶電粒子在磁場中的運動。 電子速度垂直于磁場： 設電子e在均勻磁場中以勻速v運動，且速度方向垂直于B時，則在洛倫茲力 作用下，作圓周運動，這時可變成如下式所示，而有圓周半徑R： 及 （1.1） （1.2） 如果條件不變，電子將周而復始地圓周運動?？傻贸鲭娮拥膱A周運動周期T為 (1.3) 由上式可知，周期T只與磁場B有關而與速度V無關。這個結論說明：當若干個電子在均勻磁場中各以不同速度同時從某處出發(fā)時，只要這些速度（大小不等）都是垂直于磁場B，那么經(jīng)歷了不同圓周運動后，仍會同時在原出發(fā)地相聚。只是速度大的電子圓周運動半徑R大，速度小的電子圓周運動半徑小。 當電子與速度v與磁場B成角度時，可將其分解為平行于磁場B的分量 和垂直分量,這時電子的實際運動是兩種運動的合 成：電子以作垂直于磁場B的圓周運動的同時，以作沿磁場 方向的勻速直線運動。這時電子是在一條螺線上運動。 可以計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，只要電子速度分量 大小相等，則其運動的螺距就不相同。這個重要結論表明，如果在一個均勻磁場中有一個電子源源 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，他們都沿著磁場方向作不同的螺旋運動，而只要保持它們磁場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，在沿磁場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中的旋進聚焦現(xiàn)象。 至于V和B平行時，則磁場對電子的運動和聚焦均不產(chǎn)生影響。（FB=VB=0）。 2磁聚焦法測電子的核質比 當把示波管的軸線方向沿均勻磁場B的方向放置時，在陰極K和陽極 之間加以電壓 ，使陰極發(fā)射的電子加速。設陽極熱電子 之間的 脫離陰極K后沿磁場方向的初速度為零。設陰極K與陽極電場加速后，速度為，這時電子的動能增加為 ，由能量 守恒定律可知，電子動能的增加應等于電場力對它所作的功（第一陽極A1和第二陽極A2連接在一起）。則有 即： （1.6） 只要加速電壓確定，電子沿磁場方向的速度分量是確定的。而且電子經(jīng)過第一陽極后，由于第二陽極和兩對偏轉板（X軸和Y軸偏轉板）與用電位，因此電子在第二陽極至熒光屏之間將不再受電場力的作用，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)。調節(jié) 和B的大小，可以 使電子束在磁場的方向上任意位置聚焦。當正好等于示波管的陽極和熒光屏之間的距離d時，可以在熒光屏看到一個小亮點（電子已聚焦）。當B值增大到2倍或3 倍時，會使地在熒光屏上看到第二、第三次聚焦。當 或 ，相應 不等于這些值時，只能 看到較大的不等的光斑而不會聚焦。將式（1.7）變換成式（1.8）： （1.8） 將及B之值代入上式，可得電子的荷質比。對于SJ-SS-型電子束實驗儀來說，B是螺線管中磁場的平均值，與電流I的關系可表示為：B=KI(1.9) K為每臺儀器的常數(shù)，由儀器出廠時給定。對于SJ-SS-型電子束實驗儀來說，B可取螺線管中部的磁場值，如式（1.10） （1.10） 式中 。 N=線圈匝數(shù)，L=螺線管線圈長度。 n=NL為單位長度的匝數(shù)。 為螺線管的半徑。 為此，式（1.10）可改寫為式（1.11）： （1.11） 代入式（1.8），得 （1.12） 其中d是示波管的陽極到熒光屏之間的距離。對于不同的儀器，這些參數(shù)出廠時是略有差別的。 【實驗內(nèi)容】 1、實驗電路 （1）閱讀儀器的使用說明。 （2）按正向聚焦接線圖插入導聯(lián)線。 （3）將儀器面板“功能選擇”開關旋至“磁聚”處，此時儀器處于磁聚焦工作狀態(tài)。 2、測量 （1）接通總電源，預熱數(shù)分鐘，熒光屏上出現(xiàn)亮斑。亮斑輝度不夠可調節(jié)輝度旋鈕或增大V2。 （2）接通勵磁開關前，先將“勵磁電流”旋鈕（或調 壓器旋鈕）逆時針方向旋至最小。 （3）取V2為800V，調節(jié)勵磁電流，使光斑聚焦，記下此時儀器 三次聚焦時的勵磁電流讀數(shù)。 （4）取V2為1000V、1200V重復步驟（3）。 （5）關閉總電源約數(shù)分鐘，改為反向聚焦接線，重復步驟（3）、（4）。 3、記錄數(shù)據(jù)和處理結果。 【數(shù)據(jù)處理】 螺線管的長度L=296mm 螺線管直徑D=91.5mm 線圈匝數(shù)N=4141 示波管陽極到熒光屏的距離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 算出標準差為0.0131011Ckg 得出電子的荷質比 所以電子的荷質比為（1.765?0.01