电子荷质比的测量.pptx
物理实验电子荷质比演示课件
1、荷质比测试仪
Helmholtz 线圈
电子束发射管
电子束半径 的测量工具
8
2、电子束发射管（威尔尼氏管） 电子枪
r
9
电子发射枪 加速聚焦电源
-30v200v
磁场线圈 玻璃球炮
电子发光圈 直流稳压稳流电源
0.00A
﹣ ﹢
﹝万用表﹞直 流电压300V档
u:电子管加速电压 r:电子圈半径 K：磁场线圈的磁转换系数 I：线圈中的通电电流 N：线圈匝数 R：线圈半径
2、确定电子圆环的大小是做好本实验的关键， 因此要仔细调节调制电压与加速电压，使电子束 明亮与清晰是十分重要的；
3、放电管需要较高的加速电压，实验时要注 意安全。
4 、实验数据最好采用最小二乘法，进行直 线拟合，这样实验的结果会更好。拟合工作可以 用计算机来完成。
22
﹣ ﹢
﹝万用表﹞直 流电流3A档
3仪器连接示意图
e m
2u r2K2I
2
3
K
0
4 5
2
N R
04107NA2
10
当电子枪在加速电压的激发下，发射出电子 束，在磁场的作用下将发生三种情况：
1、无磁场时，电子束将成直线轨迹射出；
11
2、电子束与磁场完全垂直时，电子束形成一个完 全封闭的圆；
12
3、当电子束与磁场不完全垂直时，电子束将作螺 旋状态运动。
13
三、实 验 操 作
14
荷质比测试仪操作介绍
15
1、正确完成仪器的连接，使电子束出射方向
垂直于磁场。
2、按照左图 的方法将仪器测
量装置定成 8 cm。
3、开启电源，首先使加速电压
电子荷质比的测量.
一、实验目的
1、理解电子在磁场中的运动规律 2、掌握用电子比荷仪测电子比荷的原理及方法 重点：电子在磁场中的运动规律 难点：电子圆运动轨道半径的测量
二、实验原理
19世纪80年代英国物理学家J.J汤姆孙做了一个 著名的实验：
将阴极射线受强磁场的作用发生偏转，结果发 现了“电子”，并解出它的电荷量与质量之比e/m。
本实验采取固定加速电压u，通过改变不
同的偏转电流，产生出不同的磁场，进而测量出电
子束的圆轨迹半径r,就能采用下述公式测量。
e m
125 32
R2u
02N 2I 2r2
2.474 1012
R2u N 2I 2r2
C
/ kg
四、实验内容
数据记录表格 （ U=100V, e/m=1.759×1011C·Kg-1）
1.5V
三、实验仪器
4、测量标尺及反射镜 反射镜 ： 用与电子束光圈半截测量的辅助工具。
四、实验内容
1、按图正确连接仪器
四、实验内容
2、观察电子的运动情况 当电子枪在加速电压的激发下，射出电子束，
进入威尔尼氏管：
(1)、无磁场时，电子束将成直线轨迹射出。
四、实验内容
(2)、电子束与磁场完全垂直时，电子束形成圆形轨迹。
三、实验仪器
主要技术参数
气
压
10-1Pa
灯丝电压 6.3V
调制电压
0—18V
加速电压 max 250V
三、实验仪器
2、亥姆兹线圈 作用：产生磁场 磁场B的大小为：
B=K×I
k
0
(
4 5
)
电子荷质比的测定
双电容法测电子荷质比的实验步骤
在真空管中由阴极K发出的电子，其初速度为零此电子被 真空管中由阴极K 阴极K 阳极A间电场加速后穿过屏障D1上的小孔，然后 阴极K和阳极A间电场加速后穿过屏障D1上的小孔，然后 按顺序穿过电容器C1、屏障D2上小孔和第二个电容器C2 按顺序穿过电容器C1、屏障D2上小孔和第二个电容器C2 而射到荧光屏F上，阳极和阴极间的电压为U 而射到荧光屏F上，阳极和阴极间的电压为U。分别在电 容器上加有频率f的完全相同的交流电压，C1之间的距离 容器上加有频率f的完全相同的交流电压，C1之间的距离 为L，选择频率使电子束在荧光屏上亮点不发生偏转 ，选择频率使电子束在荧光屏上亮点不发生偏转 由于电子通过电容器的时间极短，在此极短时间内可以认 为加在电容器C1、C2两端交流电压值不变，因而，要使 为加在电容器C1、C2两端交流电压值不变，因而，要使 电子通过C1与C2时，其电场方向恰好相反，那么电子通 电子通过C1与C2时，其电场方向恰好相反，那么电子通 过两电容器间的距离所需要的时间 n=1，2， n=1， 3……，电子经过KA间电场加速时获得的速度v满足，解 ……，电子经过KA间电场加速时获得的速度v 得。
电子荷质比的测 定
测 定 的 方 法
比
荷
带电体的电荷量和质量的比值，叫做比荷，又称荷质比。 电子电量e和电子静质量m的比值（e 电子电量e和电子静质量m的比值（e／m）是电子的基 本常数之一，又称电子比荷。1897年J.J.汤姆孙通过电磁 本常数之一，又称电子比荷。1897年J.J.汤姆孙通过电磁 偏转的方法测量了阴极射线粒子的荷质比，它比电解中的 单价氢离子的荷质比约大2000倍，从而发现了比氢原子 单价氢离子的荷质比约大2000倍，从而发现了比氢原子 更小的组成原子的物质单元，定名为电子。精确测量电子 更小的组成原子的物质单元，定名为电子。精确测量电子 荷质比的值为－1.75881962×10^11库仑／千克，根 荷质比的值为－1.75881962×10^11库仑／千克，根 据测定电子的电荷，可确定电子的质量。 20世纪初W.考夫曼用电磁偏转法测量β射线（快速运动 20世纪初W.考夫曼用电磁偏转法测量β 的电子束）的荷质比，发现e 的电子束）的荷质比，发现e／m随速度增大而减小。这 是电荷不变质量随速度增加而增大的表现，与狭义相对论 质速关系一致，是狭义相对论实验基础之一。
测定电子荷质比
设计性实验十 测定电子荷质比实验目的1．了解热电子发射(thermal emission)的概念。
2．理解磁控法测量电子荷质比(charge to mass ration)的原理。
3．加强学生作图法处理实验数据的训练。
4．训练学生用计算机软件采集和处理实验数据。
实验过程中重点学习内容1．热电子发射的概念。
2．磁控法测量电子荷质比的原理。
3．磁控法测量电子荷质比计算机软件原理。
实验原理若真空二极管的阴极（用被测金属钨丝做成）通以电流加热，并在阳极外加以正电压时，在连接这两个电极的外电路中将有电流通过。
如图1所示：这种电子从热金属丝发射的现象，称热电子发射。
图1 热电子发射 图2与成线性关系a U 2cI 如果将理想二极管置于磁场中，二极管中径向运动的电子将受到洛仑兹力的作用而作曲线运动。
当磁场强度达到一定值时，作曲线运动的径向电子流将不再能达到阳极而“断流”。
我们将利用这一现象来测定电子的荷质比。
此种方法称为磁控法。
在单电子中，从阴极发射出质量为m 的电子的动能应由阳极加速电场能eUa 和灯丝加热后电子“热激发”所具有能量E 两部分构成，根据能量守恒定律有：E eU m a +=221υ ---- (1) 电子在磁场的作用下做半径为R 的圆周运动，应满足 B e Rmυυ=2------ (2)而螺线管线圈的磁感强度B 与励磁电流(field current)I s 成正比 ------ (3)s I K B '=由(1)， (2)， (3)式可得：2'222K R m e I e E U sa ××=+ ------ (4)设：K 2'22K R m e ××= ----- (5) （K 为一—常量）并设阳极内半径为r ，阴极（灯丝）半径忽略不计，则处于临界状态下有：R=2r；，阳极电压与关系可写为：c s I I =a U c I eE KI U c a −=2----- (6)显然与成线性关系。
用电子和场实验仪测定电子的荷质比
15、用电子和场实验仪测定电子的荷质比电子荷质比是描述电子性质的重要物理量。
历史上就是首先测出了电子的荷质比，又测定了电子的电荷量，从而得出了电子的质量，证明原子是可以分割的。
一、实验原理电子在均匀磁场中运动时，受到洛伦兹力的大小为：(1)式中，是电子运动速度的大小，是均匀磁场中磁感应强度的大小。
当电子运动方向与磁场方向斜交时，电子做螺旋运动，见图1所示。
图1电子在磁场中的螺旋运动圆轨道的半径为：（2）周期为：（3）螺距为：（4）一定时，同一时刻电子流中沿螺旋轨道运动的电子，和相同。
这说明，从同一点出发的所有电子，经过相同的周期、、…后，都将会聚于距离出发点为、、…处。
这就是用纵向磁场使电子束聚焦的原理。
将示波管安装在长直螺线管内部，两管中心轴重合。
示波管灯丝通电加热后，阴极发射的电子经加在阴阳极之间直流高压的作用，从阳极小孔射出时可获得一个与管轴平行的速度，依功能原理：则电子的轴向速度为：（5）在偏转板上加一交变电压，则电子束在通过该偏转板时获得一个垂直于轴向的速度。
所以，通过偏转板的电子，既具有与管轴平行的速度，又具有垂直于管轴的速度，这时若给螺线管通以励磁电流，使其内部产生磁场，则电子将在该磁场作用下作螺旋运动。
这里就相当于，相当于。
将式（5）代入式（4），可得：（6）螺线管中磁感应强度的计算公式以表示，代入（6）式，得：（7）式中为真空磁导率，、、、的数值由实验室给出。
因此测得和后，就可求得电子的荷质比的值。
二、实验仪器及原理简图长直螺线管，阴极射线示波管，电子荷质比测定仪电源，直流稳压电源，直流电流表0~3A）图2 实验装置及线路图三、实验内容1．调整螺线管方位与当地地磁倾角相同，管内轴向磁场和地球磁场方向一致。
2．高压调至600V，调节辉度和聚焦旋钮，使荧光屏上出现一明亮的细点。
3．偏转扳接交流电源，荧光屏上出现一直线。
4．接通直流稳压电源，从零逐渐增加电流强度，当磁场增强到某一强度时，又聚焦成一细点。
电子荷质比的测量
电子荷质比的测量（88）学生：张培PB07013024一、实验名称：电子荷质比二、实验目的：1、掌握电子的荷质比测量的原理；2、测定电子的荷质比。
三、实验原理电子质量的直接测出较难，相比之下，电子的荷质比的测量要容易的多，故测出荷质比后，根据电量，推算出电子的质量。
在实验中，细光束管中的电子通过一个电位差U而得到速度v，由于亥姆霍兹线圈产生的磁场B垂直于电子的运动方向，故洛伦兹力成为向心力使电子做半径为r的圆周运动。
可推算出计算公式为：ε=e/m e=2·U/(B2·r2)。
亥姆霍兹线圈对中的磁场B与电流I成线性关系，即B=kI，实验中已给出该亥姆霍兹线圈B与I的对应数值四、实验仪器①细光束管；②亥姆霍兹线圈及测量设备；③两块万用表；④管电压源；⑤直流电源。
五、原始数据（一）r=4cm (二)U=300VU-I图表r-I图表U（V)I(A) Array 300 1.77290 1.74280 1.7270 1.68260 1.64250 1.61240 1.54230 1.49220 1.44210 1.39200 1.34190 1.28180 1.23170 1.18160 1.12150 1.06（三）I=2.00A附录：该亥姆霍兹线圈的B 与I 的关系，六．数据处理1. r=4cm改变加速电压U ，记录I ，由式222e um B rε==-计算电子荷质比ε。
（1）由附录所给数据计算B kI =斜率k 。
.B /m TI/A[2008-10-15 22:36 "/Graph4" (2454754)] Linear Regression for Data1_B: Y = A + B * Xr(cm) U(V) 4.5 458 4 356 3.5 261 3 192 2.5150B-I 曲线Parameter Value Error------------------------------------------------------------ A -0.012 0.03455 B 0.67257 0.01774------------------------------------------------------------R SD N P------------------------------------------------------------ 0.99861 0.03711 6 <0.0001由B kI =和此式对应得，k ≈0.672310-⨯/T V（2）由实验所测数据结合公式2U=I α，计算α值。
my演示实验-电子hezhibi
Pb07007134 程雅苹 实验题目：电子的荷质比 实验目的：1、掌握电子的荷质比测量的原理；2、测定电子的荷质比。
实验原理：细光束管中的电子通过一个电位差U 而得到速度V ，由亥姆霍兹线圈产生的磁场B 垂直于电子的运动方向，故电子做圆周运动。
因为Bqmv =r 所以ε=Brv m =e 。
222221221R B um e m euB r m e meu v m eu v =====ε已知亥姆霍兹B 与I 呈线性关系，有附录中的数据，经拟合得K=6.7257*104-实验过程：1、实验用电源均应处于关闭状态，其上所有电位器都左旋至锁住位置；2、开启向光束管供电的管电压源，将加速电压调到300V ，预热一段时间后，电子束开始射出。
在0-10V 间调整调焦电压，对电子束进行调焦，最终使电子束狭窄﹑清晰﹑边界清楚；3、打开亥姆霍兹线圈的直流电源，调整输出电流，使电子束偏转形成一个封闭的轨迹；4、移动测量设备上的左边滑块，使其内侧﹑镜中的像和电子束的出射口在一条直线上；5、调整右滑块的位置，使两滑块内侧间距离为8cm ，且该滑块内侧与镜子中的像对齐；6、调整亥姆霍兹线圈中的电流使电子束轨迹与两滑块内侧相切；7、将加速电压以10V 为间隔逐步减到140V ，其间调整线圈电流，使电子束轨迹始终保持在8cm 。
记下对应的加速电压和线圈电流值；8、由加速电压值U 、线圈电流I 绘出U=f （I 2）图，求出斜率α； 9、根据给定的亥姆霍兹线圈的B 与I 的关系，得到比例系数k ； 10、算出电子荷质比 数据处理: 原始数据以I 为横坐标，以U 为纵坐标，经直线拟合后得出α=71.0405.由B=kI ，得2222222222r k I r k u r B u αε===r=0.04m 将数据带入后，得=与标准值175881962000-或+53000 c\Kg 相比，误差在11.6%附近。
误差相对较大。
分析原因如下:1最重要的原因是调焦没调好。
电子荷质比测量
实验6. 电子荷质比测量带电粒子的电量与质量的比值--荷质比(又称：比荷)，是带电微观粒子的基本参量之一。
荷质比的测定在近代物理学的发展中具有重大的意义，是研究物质结构的基础。
1897年，J.J.汤姆逊正是在对“阴极射线”粒子荷质比的测定中，首先发现电子的。
测定荷质比的方法很多，汤姆逊所用的是磁偏转法，而本实验采用磁聚焦法。
一．实验目的1.了解示波管的基本构造和工作原理。
2.理解示波管中电子束电聚焦的基本原理。
3.掌握利用作图法求电磁偏转灵敏度的数据处理方法。
二．实验原理1.示波管的基本结构示波管又叫阴极射线管，以8SJ31J为例，它的构造如图6.1所示，主要包括三个部分：前端为荧光屏，中间为偏转系统，后端为电子枪。
图6.1 示波管结构示意图（1）电子枪电子枪的作用是发射电子，并把它们加速到一定速度聚成一细束。
电子枪由灯丝、阴极K、控制栅极G、第一阳极A l、第二阳极A2等同轴金属圆筒和膜片组成。
灯丝通电后加热阴极K，使阴极K 发射电子。
控制栅极G的电位比阴极低，对阴极发出的电子起排斥作用，只有初速度较大的电子才能穿过栅极的小孔并射向荧光屏，而初速度较小的电子则被电场排斥回阴极。
通过调节栅极电位可以控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变荧光屏上的光斑亮度。
阳极电位比阴极电位高很多，对电子起加速作用，使电子获得足够的能量射向荧光屏，从而激发荧光屏上的荧光物质发光。
第一阳极A l称为聚焦阳极；第二阳极A2称为加速阳极，增加加速电极的电压，电子可获得更大的轰击动能，荧光屏的亮度可以提高，但加速电压一经确定，就不宜随时改变它来调节亮度。
（2）偏转系统偏转系统由两对互相垂直的偏转板(平板电容器)构成，其中一对是上下放置的Y轴偏转板(或称垂直偏转板)，另一对是左右放置的x轴偏转板(或称水平偏转板)。
若在偏转板的极板间加上电压，则板间电场会使电子束偏转，使相应荧光屏上光点的位置发生偏移，偏移量的大小与所加电压成正比。
电子荷质比的测定
实验6—2 电子荷质比的测定电子电荷e 和电子质量m 之比e m 称为电子荷质比，它是描述电子性质的重要物理量。
历史上就是首先测出了电子的荷质比，又测定了电子的电荷量，从而得出了电子的质量，证明原子是可以分割的。
测定电子荷质比有多种不同的方法，如磁聚焦法、磁控管法、汤姆逊法及双电容法等，该实验是利用纵向磁场聚焦法测定电子荷质比。
【实验目的】1. 研究带电粒子在磁场中聚焦的规律。
2. 掌握测量电子荷质比的一种方法。
【实验原理】1. 电子射线的磁聚焦原理将示波管（其结构如图6-2-1所示）的第一阳极A 1、第二阳极A 2及水平和垂直偏转板全连在一起，相对于阴极板加一电压2U ，由于该电压和栅极电压构成一定的空间电位分布，使得由阴极发射的电子束在栅极附近形成一交叉点，随后电子束又散射开来。
这样电子一进入A 1后，就在零电场中作匀速运动，发散的电子束将不再会聚，而在荧光屏上形成一个面积很大的光斑。
若在示波管外套一个通电螺线管，在电子射线前进的方向产生一个磁感应强度为B的均匀磁场，在均匀磁场B 中以速度v运动的电子，受到的洛仑兹力m F 为m F ev B =-⨯(6-2-1)图6-2-1 示波管结构示意图大学物理实验204 当v和B平行时，洛仑兹力等于零，电子的运动不受磁场的影响。
当v和B垂直时，mF 垂直于速度v和磁感应强度B ，电子在垂直于B 的平面内作匀速圆周运动，如图6-2-2(a)所示。
根据牛顿定律2m v F evB m R== (6-2-2)电子运动的轨道半径为mvR eB= (6-2-3) 电子绕圆一周所需时间（周期）T 为：22R mT v eBππ==(6-2-4) 可见，周期T 和电子速度v 无关，即在均匀磁场中不同速度的电子绕圆一周所需的时间是相同的，但速度大的电子轨道半径R 也大。
因此，已经聚焦的电子射线，绕圆一周后又将会聚到一点。
在一般情况下，电子的速度v 与磁感应强度B 之间成一角度θ，这时可将v分解成与B 平行的轴向速度//(cos )v v θ=和与B垂直的径向速度v ⊥)sin (θv =两部分，如图6-2-2(b)所示。
电子荷质比的测定
实验 磁聚焦法测定电子荷质比19世纪80年代英国物理学家J.J 汤姆逊在剑桥卡文迪许实验室做了一个著名的实验：将阴极射线受强磁场的作用发生偏转，显示射线运行轨迹的曲率半径；并采用静电偏转力与磁场偏转力平衡的方法求得粒子的速度，结果发现了“电子”，并测定出电子的电荷量与质量之比为: 1.7×1011C/Kg 对人类科学做出了重大的贡献。
1911年密立根又测定了电子的电量，这样就可以间接地计算出电子的质量，这进一步对电子的存在提供了实验证据，从而宣告原子是可以分割的。
所以电子荷质比的测定实验，在近代物理学的发展史中占有极其重要的地位。
当然测量电子荷质比的方法有磁聚焦法、磁控管法、汤姆逊法等，经现代科学技术的测定电子荷质比的标准值是：Kg C /10759.111 。
本实验采用磁聚焦法。
【实验目的】1.学习测定电子荷质比的一种方法。
2.了解电子束发生电偏转、磁偏转、电聚焦、磁聚焦的原理。
3.了解示波管的构造和各电极的作用。
【实验原理】1.示波管的简单介绍本实验所用的8SJ31J 型示波管的构造如图1所示。
灯丝F 通电以后发热，用于加热阴极K 。
阴极是个表面涂有氧化物的金属圆筒，经灯丝加热后温度上升，一部分电子脱离金属表面，成为自由电子发射，自由电子在外电场作用下形成电子流。
栅极G 为顶端开有小孔的圆筒，套装于阴极之外，其点位比阴极为低。
这样，阴极发射出来的具有一定初速度的电子，通过栅极和阴极间形成的电场时电子减速。
初速度大的电子可以穿过栅极顶端小孔射向荧光屏，初速度小的电子则被电场排斥返回阴极。
如果栅极所加电压足够低，可使全部电子返回阴极，而不能穿过栅极的小孔。
这样，调节栅极电位就能控制射向荧光屏的电子流密度。
打在荧光屏上的电子流密度大，电子轰击荧光屏的总能量大，荧光屏上激发的荧光就亮一些，反之，荧光屏就不发光。
所以调节栅极和阴极之间的电位差，可以控制荧光屏上光点的亮度，这就是亮度调节或称为辉度调节。
电子荷质比的测定
23. 電子荷質比的測定【目 的】觀察電子在電場與磁場中的三維運動，並測定電子的荷質比(e/m)。
【方 法】一個填充低壓氦氣的球形電子束管，內有燈絲、一對加速電板和一對偏轉電板；外有亥姆霍茲雙線圈。
燈絲與加速電板可以產生電子束，調控偏轉電板的電壓可以改變電子束所受電力的大小與方向，調控亥姆霍茲雙線圈的電流可以改變電子束所受羅倫茲力的大小與方向。
當電子束形成之後，與氦氣分子碰撞，會使氣體發出綠光，就能夠在電子所經過的路徑上看到清晰的光跡。
若是垂直射入均勻磁場中，因為受到磁力而彎成圓形軌跡。
量測圓形軌跡的半徑，即可計算出電子的荷質比。
【原 理】一、電子束的形成與觀察陰極的燈絲經過加熱，會因高溫使其表面原子的電子具有足夠的能量而脫離原子的束縛，離開燈絲之後並會加速奔向陽極，形成電子束。
產生電子束的器材稱為電子槍或電子束管，若想要觀察電子軌跡，則應在真空管的內壁塗上螢光物質或是填充低壓惰性氣體。
威爾尼特電子管內含有低壓氦氣，非常適合觀察電子在三維空間的運動。
當電子碰到稀薄的氣體分子而有能量的交換，氣體分子被激發至高能階後再回至低能階，同時釋出光子，部份為可見光，因此發光所在即為電子的位置。
如圖1所示，若無偏轉電場與外部磁場，電子束的軌跡應為直線。
圖1 威爾尼特電子管(Wehnelt tube) 圖2 電子荷質比的簡單實驗裝置二、電子在均勻電場中的運動電子在離開電子槍時的速度為υ，動能為a eV m =22υ，為加速電壓，隨後進入一個均勻的電場中。
該電場是由一對偏轉電板所產生，兩板的電壓為 (上正、下負)，偏轉電板的長度為a V d V L ，間距為。
如圖3所示。
因為電子只有在垂直方向受到電力的作用，做等加速度運動；而在水平方向並沒有受到電力的作用，保持等速運動。
因此，電子在偏轉電板中的軌跡為拋物線，向上偏轉。
離開偏轉電板之後，電子則做等速直線運動，偏轉角為d φ。
圖3 電子在偏轉電板中的運動軌跡電子在進入偏轉電板時的垂直初速為零及水平初速為v ；在離開平行電板時的垂直末速為但水平末速仍為v 。
电子荷质比的测量
2 、在作磁聚焦及电子荷质比e/m的测定实验时，时间不宜太 长，控制在3分钟内，应避免长时间施加励磁电流，当励磁电 流较大时，及时记录聚焦电流值，记录完一组数据后，及时将 励磁电流调到0，实验结束后及时关闭励磁电流开关，以免励 磁线圈过热而烧坏。 3．示波管辉度调节适中，以免影响荧光屏的使用寿命。
五、思考题
mv 2 qvB R
mv 电子回旋半径为： R eB 2 R T 电子回旋周期为： eB
电子的回旋周期和磁感应强度大小、荷质比有关，和速度无关
电子离开磁场区域后不再受力的作用作直线运动。由图可知： l leB tan 2 R mv
s L tan
2
L
leB mv
设电子进入磁场前加速电压为VA2， 电子从加速极射出的速度：
2 2 2
测量公式
（1） 0 4 107 N A2 （2）励磁线圈长度（不包括前后挡板厚度）L=215mm。 （3）h=d=180mm。 （4）励磁线圈骨架外直径：D =96mm。
(5)总匝数 标在线圈上
三、实验仪器
示波管各电极结构
灯丝F：加热阴极，加6.3V电压。 阴极K：被加热后能向外发射自由电子，也称发射极。 栅极G：施加适当电压（通常加负压）可控制电子束电流强度， 也称控制栅，栅负压通常在-70～-10V之间。 第二阳极A2：施加纵向高压电场，使加速电子向荧光屏运动，也 称加速极，加速电压通常为1000V以上。 第一阳极A1：为一圆盘结构，介于第二阳极的圆筒和圆盘之间， 施加适当电压能使电子束恰好在荧光屏上聚焦，因此也称聚焦极， 通常加数百伏正向电压。
2 m eB
电子荷质比测定
实验8 电子荷质比的测定电子比荷（荷质比，e/m ）首先由英国物理学家J.J.汤姆逊（J.J.Thomson. 1856-1940）于1897年在英国剑桥卡文迪许实验室测出的。
并因此于1906年获诺贝尔物理学奖。
在物理学中，测定电子比荷的实验方法有多种，但都是采用电场、或磁场、或电场和磁场来控制电子的运动，从而测定电子的荷质比。
本实验是采用由亥姆霍兹线圈产生的磁场，控制洛仑兹力管中电子的运动，测定电子荷质比的。
一、实验目的1、观察电子束在电场作用下的偏转。
2、观察运动电荷在磁场中受洛仑兹力作用后的运动规律。
3、 测定电子的比荷。
4、 加深对相对论的理解。
二、预习问题1、 电子在磁场中运动时所受洛仑兹力的方向及运动轨迹。
2、 相对论理论，物体的质量与运动速度的关系。
3、 亥姆霍兹线圈的结构。
4、 开始通电前，仪器面板上各控制开关和旋钮应放在什么位置上？5、 在转换线圈电流前，应先将线圈电流值调到多少？为什么？6、 实验结束后，将阳极电压和线圈电流调到多少？偏转电压开关和线圈电流开关都拨到什么位置上？三、实验仪器DH4520型电子荷质比测定仪包括：洛仑兹力管、亥姆霍兹线圈、供电电源和读数标尺等部分。
如图1所示。
1、洛仑兹力管：洛仑兹力管又称威尔尼管如图2所示，是本实验仪的核心器件。
它是一个直径为153mm 的大灯泡，泡内抽真空后，充入一定压强的混合惰性气体。
泡内装有一个特殊结构的电子枪，由热阴极、调制板、锥形加速阳极和一对偏转极板组成，如图3所示。
经阳极加速后的电子，经过锥形阳极前端的小孔射出，形成电子束。
具有一定能量的电子束与惰性气体分子碰撞后，使惰性气图1 DH4520型电子荷质比测定仪体发光，从而使电子束的运动轨迹成为可见。
2、亥姆霍兹线圈：亥姆霍兹线圈是由一对绕向一致，彼此平行且共轴的圆形线圈组成。
如图4所示。
当两线圈正向串联并通以电流I ，且距离a 等于线圈的半径r 时，可以在线圈的轴线上获得不太强的均匀磁场。
大学物理实验PPT-电子荷质比的测量
h
2eVA 2 2 m m
8 VA2 m eB B 2e
h是B和VA2的函数，调节B和VA2，可以使电子束在磁场方向 上的任意位置聚焦。当螺距h刚好等于示波管的第二阳极到荧 光屏之间的距离d时，可以看到电子束在荧光屏上聚成一小亮 点(电子束已聚焦)，当B值增加到2~6倍时，会使h=1/2d、 h=1/3d、h=1/4d、h=1/5d或h=1/6d，相应地可在荧光屏上看到 第二次聚焦、第三次聚焦、第四次聚焦、第五次聚焦、第六次 聚焦。当h不等于这些值时, 只能看到圆圈的光斑，电子束不 会聚焦。可以得出： 2
mv 2 qvB R
mv 电子回旋半径为： R eB 2 R T 电子回旋周期为： eB
电子的回旋周期和磁感应强度大小、荷质比有关，和速度无关
电子离开磁场区域后不再受力的作用作直线运动。由图可知： l leB tan 2 R mv
s L tan
2
L
leB mv
设电子进入磁场前加速电压为VA2， 电子从加速极射出的速度：
水平偏转极板：X1和X2为处于示波管中一前一后的两块金属板， 在极板上施加适当电压后构成水平方向的横向电场。 垂直偏转极板：Y1和Y2为处于示波管中一上一下的两块金属板， 在极板上施加适当电压后构成垂直方向的横向电场。 示波管第二阳极（第二阳极圆筒的中点）到荧光屏的距离：典型 值为180mm
四、实验调节方法
e
m
8 VA 2 h B
2 2
L 8 VA 2 其中： B 0 n0 I 2 2 L2 D2 m h B
e
2
N nL
μ0：真空磁导率，n0：励磁线圈匝密度，N：励磁线圈总匝数，I 为励磁电流， D为励磁线圈平均直径，L为励磁线圈长度
电子荷质比的测量
mv 电子回旋半径为： R eB 2 R T 电子回旋周期为： eB
电子的回旋周期和磁感应强度大小、荷质比有关，和速度无关
电子离开磁场区域后不再受力的作用作直线运动。由图可知： l leB tan 2 R mv
s L tan
2
L
leB mv
设电子进入磁场前加速电压为VA2， 电子从加速极射出的速度：
1、实验过程中有时会出现找不到光点（光斑）的情况，分析 可能的原因和解决的办法。
一 实验目的
利用纵向磁场聚焦法测定电子荷质比e/m，了解和 掌握利用磁控条件测量电子磁场中的偏转
运动的电子在磁场中要受到洛仑兹力的作用，所受力为：
f qv B
洛仑兹力的方向始终与电子运动的方向垂直，对电子不作 功，但会改变电子的运动方向。为简单起见，设磁场是均 匀的，磁感应强度为B，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，洛仑兹力就是向心力：
2eVA2 1 2 mv eVA2 v 2 m B 0 nI
s 0 nIlL
e 2mVA2
位移s与励磁电流I成正比，而与加速电压的平方根成反比
二 实验原理/2.2荷质比的测量
当电子速度v与磁场B有一定夹角进入磁场后，将作螺旋运动 回旋半径为：
R mv eB
回旋周期：
T
深圳大学物理实验教学中心
历史回眸
荷质比（e/m）：带电体的电荷量和质量的比值，叫做荷质 比， 又称“比荷”，电子的基本常数之一。
1897年J.J.汤姆孙通过电磁偏转的方法测量了阴极射线粒 子的荷质比，它比电解中的单价氢离子的荷质比约大2000倍， 从而发现了比氢原子更小的组成原子的物质单元，定名为电子。 精确测量电子荷质比的值为1.75881962×1011库仑/千克， 约等于1.76×1011C/kg，根据测定电子的电荷，可确定电子 的质量。
电子荷质比的测量
三、实验仪器
4、测量标尺及反射镜 反射镜 ： 用与电子束光圈半截测量的辅助工具。
四、实验内容
1、按图正确连接仪器
四、实验内容
2、观察电子的运动情况 当电子枪在加速电压的激发下，射出电子束，
进入威尔尼氏管：
(1)、无磁场时，电子束将成直线轨迹射出。
四、实验内容
(2)、电子束与磁场完全垂直时，电子束形成圆形轨迹。
•
3、越是没有本领的就越加自命不凡。 22.3.22 17:14:0 317:14 Mar-22 22-Mar-22
•
4、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的 错儿。 17:14:0 317:14: 0317:1 4Tuesday, March 22, 2022
电子比荷e/m是一个重要的物理常数，其测定有 物理学发展史上占有很重要的地位。
电子比荷的测量方法有很多，如磁聚焦法、滤速 器法、磁控管法、汤姆逊法等。本实验仪以当年英国 物理学家汤姆孙思路，利用电子束在磁场中运动偏转 的方法来测量。
二、实验原理
当一个电子以速度ν垂直进入到均匀磁场中B时，电 子要受到洛伦兹力f的作用：
三、实验仪器
e m
125 R2u
32 02N 2 I 2r 2
2.474 1012
R2u N 2I 2r2
C
/ kg
主要技术参数
Φ内 径
300mm
Φ外 径
332mm
R有效半径
158mm
N单线匝圈
130匝
I最大通电电流
3A
三、实验仪器
3、工作电源
主要技术参数 加速电压： 0----200V 调制电压： 0 -----20v 低压照明电压：
四、实验内容
实验电子比荷的测定
实验电子比荷的测定电子的比荷又称荷质比，即电子电荷与其质量之比ｅ/ｍ，是Ｊ．Ｊ．汤姆孙于１８９７年在英国剑桥卡文迪许实验室测得的。
之后，于１９１１年密立根用油滴法测得了电子的电荷。
这样，由电子的荷质比可进而推算出电子的质量。
这两项杰出的成就，不仅证实了电子的客观存在，而且进一步说明原子是具有内在结构的。
因此电子比荷的测定，在近代物理学的发展史上占有重要地位。
此外，在实验方法上为人们探讨微观世界的奥秘提供了一条新的途径：即通过对大量粒子宏观行为的研究确定单个粒子的微观数量关系。
因此，汤姆孙的工作对实验物理学的发展，也具有开创性的意义。
【预习重点】（１）示波管的结构及其各个电极的作用（见实验２２附录）。
（２）带电粒子在电场和磁场中的运动规律。
（３）纵向磁聚焦测定ｅ/ｍ的实验方法。
参考书：《大学物理学》电磁学部分，杨仲耆等编，第五章；《电磁学》上册，赵凯华、陈熙谋著，第四章。
【原理】１）电子束的纵向磁场聚焦纵向磁场是指与示波管轴线平行的磁场。
将示波管插入一通电长直螺线管的中部，可以认为示波管近似处于均匀纵向磁场之中，如图２１—１（ａ）所示。
图２１—１电子束的纵向磁场聚焦设电子束中某电子在磁场Ｂ中运动时，其速度v与磁感应强度Ｂ成α角。
今将v分解为与Ｂ平行的速度ｖz 和与Ｂ垂直的径向速度ｖr。
其中ｖz保持不变，即电子沿ｚ轴作匀速运动。
ｖr使电子在洛仑兹力的作用下绕ｚ轴作圆周运动。
合成运动轨迹是螺旋线，如图２１—１（ｂ）、（ｃ）所示。
螺线的回转半径（２１—１）电子回转一周所需时间（周期）（２１—２）故螺线的螺距（２１—３）无关。
即对于示波管中从同一上两式表明，回转周期Ｔ和螺距ｈ与径向速度ｖr各不相同（因而回转半径各不相同），但绕圆一周所用点出发的电子，虽然ｖr的时间是相同的。
只要它们的ｖ相同，经过一个螺距ｈ后，又会会聚于一点。
z这就是纵向磁聚焦的理论依据。
２）电子比荷的测定方法由式（２１—３）可导出（２１－４）、螺距ｈ和磁感由式（２１—４）可知，要测定ｅ／ｍ，需要确定纵向速度ｖz应强度Ｂ。
电子荷质比测定
电子荷质比测定实验具体内容与要求1、理解电子束实验仪面板上各个旋钮的作用，并能够正确使用。
2、主要实验内容包括四部分：电聚焦、电偏转、磁聚焦和磁偏转。
要求正确使用电子束实验仪和数显直流稳压源、完整记录测量数据（包括有效数字和单位）。
3、通过用直角坐标纸作图及求直线的斜率，求得电偏转和磁偏转的灵敏度。
4、正确计算电子的荷质比。
预习基本要求1、了解示波管的结构和工作原理。
2、明白电聚焦、电偏转和磁聚焦、磁偏转的主要原理、需要测量和记录的物理量。
3、理解电偏转和磁偏转灵敏度的含义和测量、计算方法。
4、理解通过磁聚焦测量电子荷质比的原理。
通过查表计算出电子荷质比的理论值。
常见问题与解答1、实验过程中有时会出现找不到光点（光斑）的情况，可能的原因和解决的办法如下：（1）亮度不够。
解决的办法是适当增加亮度。
（2）已经加有较大的电偏电压（x方向或和y方向），使光点偏出示波器的屏幕。
此时应通过调节电偏转旋钮，使偏转电压降为零。
2、在进行负向电偏转实验时，外接电压表指针会反向偏转，造成无法读数。
这时要将电压表的两个接线端对调，同时电压的测量结果要加负号。
预习思考题1、示波管主要是由哪几部分组成的？各部分的功能是什么？2、用什么方法能使电子束偏转？3、用什么方法能使电子束聚焦？4、电偏转灵敏度与哪些因素有关？5、磁偏转灵敏度与哪些因素有关？6、如何发现和消除地磁场对测量电子荷质比的影响？实验注意事项1、接通电子束实验仪电源后，严禁用手触摸面板上的金属接线头，以防高压电击。
2、正确选择外接电压表的量程，测U1和U2时用1500V量程，测电偏转电压时用100V量程。
3、开启和关闭外接直流稳压电源前，必须将输出电压调为零，以免自感电动势损坏稳压电源。
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一、实验目的
1、理解电子在磁场中的运动规律 2、掌握用电子比荷仪测电子比荷的原理及方法 重点：电子在磁场中的运动规律 难点：电子圆运动轨道半径的测量
二、实验原理
19世纪80年代英国物理学家J.J汤姆孙做了一个 著名的实验：
将阴极射线受强磁场的作用发生偏转，结果发 现了“电子”，并解出它的电荷量与质量之比e/m。
2、测量电子荷质比还有其它什么实验方法？ 3、分析洛仑兹力在不同角度下对电子运动的影响。
• 1、Genius only means hard-working all one's life. (Mendeleyer, Russian Chemist) 天才只意味着终身不懈的努力。20.8.58.5.202011:0311:03:10Aug-2011:03
四、实验内容
(3)、当电子束与磁场不完全垂直时，电子束将 作螺旋线状态运动。
四、实验内容
（❖本实验的过程是采用固定加速电压，改 变磁场偏转电流，测量偏转电子束的圆周 半径来进行。）
如果加速电压太高或偏转电流太大， 都容易引起电子束散焦。
四、实验内容
应仔细地调整管子的电子枪，使电子流与磁场 严格保持垂直，产生完全封闭的圆形电子轨迹。
电子比荷e/m是一个重要的物理常数，其测定有 物理学发展史上占有很重要的地位。
电子比荷的测量方法有很多，如磁聚焦法、滤速 器法、磁控管法、汤姆逊法等。本实验仪以当年英国 物理学家汤姆孙思路，利用电子束在磁场中运动偏转 的方法来测量。
二、实验原理
当一个电子以速度ν垂直进入到均匀磁场中B时，电 子要受到洛伦兹力f的作用：
四、实验内容
（3）再次移动滑动标尺到电子圆的左端点，
采用同样的的方法读出刻度读数Sn 。
用
r
1 2
Sn
S0
求出电子圆的半径。
四、实验内容
（4）依次增加偏转电流约△I=0.05A，用前面（1）、
（2）同样的方法测出不同电流激发的磁场中电子运动圆
轨道的两端点S0、 Sn 。共测10次，并将测量结果记入数 据表格中。并由下面的公式计算出荷质比。
• 2、Our destiny offers not only the cup of despair, but the chalice of opportunity. (Richard Nixon, American President )命运给予我们的不是失望之酒，而是机会之杯。二〇二〇年八月五日2020年8月5 日星期三
三、实验仪器
e m
125 R2u
32 02N 2 I 2r 2
2.474 1012
R2u N 2I 2r2
C
/ kg
主要技术参数
Φ内 径
300mm
Φ外 径
332mm
R有效半径
158mm
N单线匝圈
130匝
I最大通电电流
3A
三、实验仪器
3、工作电源
主要技术参数 加速电压： 0----200V 调制电压： 0 -----20v 低压照明电压：
f ev B ……（1）
如右图所示，电子在磁场中 作圆周运动时，向心力由洛伦兹 力提供，则有:
f mv 2 ……（2） r
式中， r 是电子运动圆周的半径。
二、实验原理
f ev B ……（1）
f mv 2 ……（2） r
evB mv 2 r
e v
实验中，电子枪在加速电压 m
rB……（3）
1.5V
三、实验仪器
4、测量标尺及反射镜 反射镜 ： 用与电子束光圈半截测量的辅助工具。
四、实验内容
1、按图正确连接仪器
四、实验内容
2、观察电子的运动情况 当电子枪在加速电压的激发下，射出电子束，
进入威尔尼氏管：
(1)、无磁场时，电子束将成直线轨迹射出。
四、实验内容
(2)、电子束与磁场完全垂直时，电子束形成圆形轨迹。
三、实验仪器
主要技术参数
气
压
10-1Pa
灯丝电压 电压 max 250V
三、实验仪器
2、亥姆兹线圈 作用：产生磁场 磁场B的大小为：
B=K×I
k
0
(
4 5
)
3 2
N R
其中μ0 =4π×10-7N·A-2 R=158mm……亥姆兹线圈的平均半径， N=130匝……单个线圈的匝数。 （厂家提供的仪器参数已定）
本实验采取固定加速电压u，通过改变不
同的偏转电流，产生出不同的磁场，进而测量出电
子束的圆轨迹半径r,就能采用下述公式测量。
e m
125 32
R2u
02N 2I 2r2
2.474 1012
R2u N 2I 2r2
C
/ kg
四、实验内容
数据记录表格 （ U=100V, e/m=1.759×1011C·Kg-1）
2、电子束的加速电压不宜过高，上限120V，且一旦 激发后，就降至90-100V进行测量。
3、测量电子束圆轨道半径时，应仔细按 “三线合一”法 进行。
4、电流的变化一般取0.05A左右测一次。 5、测量结束后，将电流和电压均调至零后才关掉电源。
六、思考题
1、除本实验介绍的测量电子圆环半径大小的方法 外， 你还能提出其它更好更简捷的方法吗？
e m
2u (r B)2
I B r
四、实验内容
（1）调节仪器后线圈上反射镜的位置，以方便观察。 （2）移动测量机构上的滑动标尺，用黑白分界的中心 刻度线，对准电子枪口与反射镜中的象的分界线，采用
“三线合一”的方法测出电子圆的右端点，从游标上读
出刻度读数S0（一般此时按清零，作S0 =00.00mm） 。
u的作用下，射出电子流，
因此，加速电场所作功eu全
部转变成电子的输出动能，
eu
1 2
mv 2 ……（4）
由（3）和（4）得：
e m
2u (r B)2
……（5）
三、实验仪器
FB710型
电子荷质比测试仪
三、实验仪器
1、威尔尼氏管 电子荷质比测试仪的
中心器件是三维立体的威 尔尼氏管，通过它可以生 动形象地显示出电子束的 运行轨迹，当将威氏管放于由亥姆兹线圈产生的 磁场中时，用电压激发它的电子枪发射出电子束， 进行实验观察和测量。
n
S0 （mm）
Sn （mm）
rn （mm） I
（A）
e/m
1 00.00
1.00
2 00.00
1.05
3 00.00
1.10
4 00.00
1.15
5 00.00
1.20
6 00.00
1.25
7 00.00
1.30
8 00.00
1.35
1 8
e/m
五、实验注意事项
1、实验测量开始前应细心调节电子束与磁场方向 垂直，形成一个不带任何重影的圆环（调焦）。