電子束的偏轉(zhuǎn)與聚焦實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)名稱：電子束的偏轉(zhuǎn)與聚焦現(xiàn)象班級(jí)： 黃昆班13 實(shí)驗(yàn)日期：2015年5月12日 姓名： 楊巧林 學(xué) 號(hào)： 41340072 二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、研究帶電粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)和聚焦的規(guī)律；2、了解電子束線管的結(jié)構(gòu)和工作原理。三、實(shí)驗(yàn)原理 1】電子束的產(chǎn)生和控制如圖，電子示波管的結(jié)構(gòu)示意圖： 2、電偏轉(zhuǎn)原理圖2在示波管中，電子從被加熱的陰極K逸出后，由于受到陽(yáng)極電場(chǎng)的加速作用，使電子獲得沿示波管軸向的動(dòng)能。電子經(jīng)過(guò)電勢(shì)差為U的空間后，電場(chǎng)力做的功eU應(yīng)等于電子獲得的動(dòng)能 若在電子運(yùn)動(dòng)的垂直方向加一橫向電場(chǎng)，電子在該電場(chǎng)作用下將發(fā)生橫向偏轉(zhuǎn)，如圖2所示。若偏轉(zhuǎn)板板長(zhǎng)為l、偏轉(zhuǎn)板末端

2、到屏的距離為L(zhǎng)、偏轉(zhuǎn)電極間距離為d、軸向加速電壓（即第二陽(yáng)極A2電壓）為U2，橫向偏轉(zhuǎn)電壓為Ud，則熒光屏上光點(diǎn)的橫向偏轉(zhuǎn)量D由下式給出： 在單位偏轉(zhuǎn)電壓的作用下，電子束在熒光屏上偏離軸向的距離DE/Ud稱為電偏轉(zhuǎn)靈敏度。圖3B3、磁偏轉(zhuǎn)原理電子通過(guò)A2后，若在垂直Z軸的X方向外加一個(gè)均勻磁場(chǎng)，那么以速度v飛越子電子在Y方向上也會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖所示。由于電子受洛倫茲力F=eBv作用，F(xiàn)的大小不變，方向與速度方向垂直，因此電子在F的作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力就是向心力，即有eBv=mv2/R，所以R=mv/eB電子離開磁場(chǎng)后將沿圓切線方向飛出，直射到達(dá)熒光屏。在偏轉(zhuǎn)角較小的情況下，偏轉(zhuǎn)量：

3、在單位偏轉(zhuǎn)線圈激勵(lì)電流的作用下，電子束在熒光屏上偏離軸向的距離Dm/I稱為磁偏轉(zhuǎn)靈敏度。4、電聚焦原理電子聚焦的基本思路在于利用非均勻的電場(chǎng)使電子束加速電場(chǎng)使電子束形成交叉點(diǎn)。電極的電壓比陰極電位高幾百伏至上千伏。前加速陽(yáng)極，聚焦陽(yáng)極和第二陽(yáng)極是由同軸的金屬圓筒組成。由于各電極上的電壓不同，在它們之間形成了彎曲的等勢(shì)面、電場(chǎng)線。這樣就使電子束的路徑發(fā)生彎曲，這類似光線通過(guò)透鏡那樣產(chǎn)生了會(huì)聚和發(fā)散，這種電器組合稱為電子透鏡。改變電極間的電壓分布，可以改變等勢(shì)面的彎曲程度，從而達(dá)到電子束的聚焦。5、磁聚焦原理在陽(yáng)極加速電壓UZ的作用下，電子束中各個(gè)電子獲得軸向的運(yùn)動(dòng)速度為 式中，e，m分別為電子電

4、荷量和質(zhì)量。若在一對(duì)偏轉(zhuǎn)極板Y上加一個(gè)幅值不大的交變電壓，則電子流通過(guò)Y后就獲得一個(gè)與管軸垂直分量，電子軸向速度分量v/不變，則電子在磁場(chǎng)的洛倫茲力F的作用下（該力與垂直），在垂直于軸線的平面上作圓周運(yùn)動(dòng)，即該力起著向心力的作用，F(xiàn)=eB=m/R，越大軌道半徑亦越大，電子運(yùn)動(dòng)一周所需要的時(shí)間（即周期）為 考慮v/的存在，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)為一螺旋線。在一個(gè)周期內(nèi)，電子前進(jìn)距離（稱螺距）為。 由于不同時(shí)刻電子速度的垂直分量度不同，故在磁場(chǎng)的作用下，各電子將沿不同半徑的螺線前進(jìn)。然而，由于他們速度的平行分量v/均相同，所以電子在做螺線運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們從同一點(diǎn)出發(fā)，盡管各個(gè)電子的各不相同，但經(jīng)過(guò)一個(gè)周期后

5、，它們又會(huì)在距離出發(fā)點(diǎn)相距一個(gè)螺距的地方重新相遇，這就是磁聚焦的基本原理。三、實(shí)驗(yàn)儀器DZS-B電子束實(shí)驗(yàn)儀、WYT-2B直流穩(wěn)壓電源、萬(wàn)用表四、實(shí)驗(yàn)步驟1】電偏轉(zhuǎn)的觀測(cè) 1.1開啟電子束實(shí)驗(yàn)儀電源開關(guān)，將“電子束荷質(zhì)比”選擇開關(guān)打向“電子束”位置，面板上一切可調(diào)旋鈕都旋至中部，此時(shí)在熒光屏上能看到一亮斑。適當(dāng)調(diào)節(jié)輝度，并調(diào)節(jié)聚焦，使屏上光點(diǎn)聚成一圓點(diǎn)。（主：光點(diǎn)不能太亮，以免燒壞熒光屏） 1.2光點(diǎn)調(diào)零X軸調(diào)節(jié) 調(diào)節(jié)“X軸調(diào)節(jié)”和“X軸調(diào)零”旋鈕，使光點(diǎn)位于X軸的中心圓點(diǎn)，且左、右偏轉(zhuǎn)的最大距離都接近于滿格。Y軸調(diào)節(jié) 用數(shù)字萬(wàn)能表電壓檔接近于“Y偏電壓表”+、兩端，緩慢調(diào)節(jié)“Y軸調(diào)節(jié)”旋鈕使

6、數(shù)字萬(wàn)能表讀數(shù)為0，然后調(diào)節(jié)“Y軸調(diào)零”旋鈕使光點(diǎn)位于Y軸的中心原點(diǎn)。 1.3測(cè)量D隨Ud的變化調(diào)節(jié)陽(yáng)極電壓旋鈕，取定陽(yáng)極電壓UZ，用數(shù)字萬(wàn)能表測(cè)出垂直偏轉(zhuǎn)電壓Ud，令Ud取不同值時(shí)，測(cè)量相應(yīng)的DE。改變UZ，重復(fù)上述操作。2】磁偏轉(zhuǎn)觀測(cè)2.1按1.1，1.2步驟調(diào)節(jié)電子束的初始狀態(tài)。2.2測(cè)量Dm隨磁偏電流I的變化調(diào)節(jié)陽(yáng)極電壓旋鈕，取定陽(yáng)極電壓UZ，用萬(wàn)能表磁偏電流I，令I(lǐng)取不同值時(shí)，測(cè)量相應(yīng)的Dm。改變UZ，重復(fù)上述操作。3】電聚焦觀測(cè)3.1按1.1，1.2步驟調(diào)節(jié)電子束的初始狀態(tài)。3.2調(diào)節(jié)陽(yáng)極電壓取不同的值，調(diào)節(jié)聚焦旋鈕使光點(diǎn)打到最佳的聚焦效果，測(cè)量出對(duì)應(yīng)的聚焦電壓U1。4】磁聚焦觀測(cè)

7、4.1將直流穩(wěn)壓源的勵(lì)磁電流輸出端接到電子束實(shí)驗(yàn)儀的勵(lì)磁電源接線柱上4.2開啟相應(yīng)開關(guān)，適當(dāng)調(diào)節(jié)儀器使得熒光屏上出現(xiàn)一個(gè)大光斑。4.3開啟直流穩(wěn)壓源，逐漸加大勵(lì)磁電流使熒光屏上的光斑逐漸變小，直到變成一個(gè)小亮點(diǎn)，記錄此時(shí)的電流值。（一次聚焦）4.4改變陽(yáng)極電壓，重復(fù)步驟4.4五、數(shù)據(jù)處理與分析1、電偏轉(zhuǎn)規(guī)律實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)讓如表（1）：1.1當(dāng)陽(yáng)極電壓700V時(shí)的DVd圖像如圖 如圖可知斜率為-0.23921cm/v=電偏轉(zhuǎn)靈敏度擬合曲線關(guān)系為：D= -0.23921Vd - 0.100491.2當(dāng)陽(yáng)極電壓750V時(shí)的DVd圖像如圖:如圖可知斜率為-0.22338cm/v=電偏轉(zhuǎn)靈敏度擬合曲線關(guān)系為：

8、D= -0.22338Vd - 0.0527391.3當(dāng)陽(yáng)極電壓800V時(shí)的DVd圖像如圖:如圖可知斜率為-0.21111cm/v=電偏轉(zhuǎn)靈敏度擬合曲線關(guān)系為：D= -0.21111Vd - 0.865541.4當(dāng)陽(yáng)極電壓900V時(shí)的DVd圖像如圖:如圖可知斜率為-0.18671cm/v=電偏轉(zhuǎn)靈敏度擬合曲線關(guān)系為：D= -0.18671Vd - 0.0126451.5當(dāng)陽(yáng)極電壓1000V時(shí)的DVd圖像如圖:如圖可知斜率為-0.16825cm/v=電偏轉(zhuǎn)靈敏度擬合曲線關(guān)系D= -0.16825Vd+0.0360371.6得出結(jié)論陽(yáng)極電壓越高，曲線的斜率絕對(duì)值越小即電偏轉(zhuǎn)靈敏度減小。規(guī)律：分析表

9、（1）中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及上述曲線圖可知，當(dāng)陽(yáng)極電壓Uz保持不變時(shí)，偏轉(zhuǎn)距離De隨偏轉(zhuǎn)電壓Ud的增大而減小；當(dāng)偏轉(zhuǎn)電壓Ud保持不變時(shí)，偏轉(zhuǎn)距離De隨陽(yáng)極電壓Uz的增大而增大。2、磁偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)讓如表（2）：2.1當(dāng)陽(yáng)極電壓700V時(shí)的DI圖像如圖:如圖可知斜率為0.056677cm/mA=磁偏轉(zhuǎn)靈敏度擬合曲線關(guān)系D=0.056677*I-0.110912.2當(dāng)陽(yáng)極電壓800V時(shí)的DI圖像如圖:如圖可知斜率為0.055987cm/mA=磁偏轉(zhuǎn)靈敏度擬合曲線關(guān)系D=0.055987*I-0.253522.3當(dāng)陽(yáng)極電壓900V時(shí)的DI圖像如圖:如圖可知斜率為0.052039cm/mA=磁偏轉(zhuǎn)靈敏度擬合曲

10、線關(guān)系D=0.052039*I-0.016932.4當(dāng)陽(yáng)極電壓1000V時(shí)的DI圖像如圖:如圖可知斜率為0.049377cm/mA=磁偏轉(zhuǎn)靈敏度擬合曲線關(guān)系D=2.5得出結(jié)論陽(yáng)極電壓越高，曲線的斜率越小即磁偏轉(zhuǎn)靈敏度減小。規(guī)律：分析表（1）中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及上述曲線圖可知，當(dāng)陽(yáng)極電壓Uz保持不變時(shí)，偏轉(zhuǎn)距離De隨磁偏轉(zhuǎn)電流I的增大而增大；當(dāng)磁偏轉(zhuǎn)電流I保持不變時(shí)，偏轉(zhuǎn)距離De隨陽(yáng)極電壓Uz的增大而減小。3、電聚焦觀測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下所示：Uz/V7008009001000U1/V102119131144繪制UzU1曲線圖如下：由圖形可知Uz與U1滿足線性關(guān)系。4、 磁聚焦觀測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：Uz/V6

11、007008009001000I/A-1.411.601.651.741.9+1.471.511.621.701.86平均值1.441.5551.6351.721.88六、分析討論與總結(jié)1】實(shí)驗(yàn)結(jié)論：1.1當(dāng)陽(yáng)極電壓Uz保持不變時(shí)，偏轉(zhuǎn)距離De隨偏轉(zhuǎn)電壓Ud的增大而減??；當(dāng)偏轉(zhuǎn)電壓Ud保持不變時(shí)，偏轉(zhuǎn)距離De隨陽(yáng)極電壓Uz的增大而增大。1.2當(dāng)陽(yáng)極電壓Uz保持不變時(shí)，偏轉(zhuǎn)距離De隨磁偏轉(zhuǎn)電流I的增大而增大；當(dāng)磁偏轉(zhuǎn)電流I保持不變時(shí)，偏轉(zhuǎn)距離De隨陽(yáng)極電壓Uz的增大而減小。1.3Uz與U1滿足線性關(guān)系，且近視線性關(guān)系為Uz=7.2025*U1-43.11061.4由實(shí)驗(yàn)分析知電子的荷質(zhì)比為1.3

12、78*1011C/kg，與理論值1.76*1011C/kg有較大的差距，相對(duì)誤差約為22%。2】誤差分析：2.1測(cè)量荷質(zhì)比的實(shí)驗(yàn)中：（1）螺距的測(cè)量起點(diǎn)隨不同的加速電壓而變化；（2）儀器的精度（3）人為因素對(duì)聚焦?fàn)顟B(tài)的判斷；（4）示波管中不可能絕對(duì)的真空，會(huì)影響u的取值；（5）地磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量結(jié)果有影響。2.2實(shí)驗(yàn)沒有考慮螺線管磁場(chǎng)的邊緣效應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。2.3實(shí)驗(yàn)儀器誤差。3】思考題：3.1在測(cè)量荷質(zhì)比時(shí)，地磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量結(jié)果有影響嗎？如果有，能否消除或?qū)⑵溆绊憸p至最小？答：由于地球也存在磁場(chǎng)，電子的質(zhì)量非常小，因此地磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量結(jié)果有影響。本實(shí)驗(yàn)是通過(guò)從兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)取平均值來(lái)消除地磁場(chǎng)的影響。3.2電子束偏轉(zhuǎn)與聚焦實(shí)驗(yàn)中，偏轉(zhuǎn)量的大小與光點(diǎn)的亮度是否有關(guān)?為什么?答：有關(guān)，偏轉(zhuǎn)量會(huì)影響聚焦大小