自然科学实验指导——大学物理实验大全(15个)

FE eE e
V d
（3）
式中 E 为偏转电场强度，d 为偏转板两板之间距离。 结果是抛物线运动，这就象平抛物体运动一样，使电子的运动轨迹发生偏转。 假定偏转电场在偏转板 l 范围内是均匀的，电子将作抛物线运动。当电子离开偏转 板后，即在偏转板外，电场为零，电子不受力，作匀速直线运动。 当电子离开偏转板时，设它的运动方向和 x 轴成φ 角，则
5
2．电偏转灵敏度的测定 1）令“阳极电压”显示为 800V，在光斑聚焦的状态下，将 H1 对应的钮子开 关单独置于上方，此时荧光屏上会出现一条由光点出发的水平射线，方向向左；将 H2 对应的钮子开关单独置于上方，此时荧光屏上会出现一条由光点出发的水平射 线，方向向右。将 H1、H2 对应的钮子开关均置于上方，此时荧光屏上会出现一条 水平亮线，这是因为水平偏转极板上感应有 50Hz 交流电压之故。测量时在水平偏 转极板 H1 和 H2 之间接通 0～30V 直流偏转电压，H1 接正极，H2 接负极，由小到大 调节直流电压输出，应能看到光点向右偏转，分别记录电压为 0V、10V、20V 时 光点位置偏移量，然后改变偏转电压的极性，重复上述步骤，列表记录数据。 2）将 H1、H2 对应的钮子开关均置于下方。将 V1 对应的钮子开关单独置于上 方，此时荧光屏上会出现一条由光点出发的水平射线，方向向上；将 V2 对应的钮 子开关单独置于上方， 此时荧光屏上会出现一条由光点出发的水平射线， 方向向下。 将 V1、V2 对应的钮子开关均置于上方，此时荧光屏上会出现一条水平亮线，这是 因为垂直偏转极板上感应有 50Hz 交流电压之故。测量时在垂直偏转极板 V1 和 V2 之间依次接通 0V、10V、20V 直流偏转电压，分别记录光点位置偏移量，然后改 变偏转电压的极性，重复上述步骤，列表记录数据。 3）将“阳极电压”分别调至 1000V、1200V，按实验步骤 1 的方法使光斑重 新聚焦后，按实验步骤 2 中 1） 、2）的方法重复以上测量，列表记录数据。 4） 计算不同阳极电压下的水平电偏转灵敏度和垂直电偏转灵敏度。 3．磁偏转灵敏度的测定 1）准备工作与“电偏转灵敏度的测定”完全相同。为了计算亥姆霍兹线圈（磁 偏转线圈）中的电流，必须事先用数字万用表测量线圈的电阻值，并记录。 2）令“阳极电压”数显表显示为 800V，在光斑聚焦的状态下，接通亥姆霍兹 线圈（磁偏转线圈）的励磁电压 0～10V，分别记录电压为 0V、2V、4V、6V、8V 时荧光屏上光点位置偏移量，然后改变励磁电压的极性，重复以上步骤，列表记录 数据。 3）调节“阳极电压调节”电位器，使阳极电压分别为 1000V、1200V，重复 实验步骤 2） ，列表记录数据。 4) 计算不同阳极电压下的磁偏转灵敏度。 4． 截止栅偏压的测定 1) 准备工作与“电偏转灵敏度的测定”完全相同，但为了测量阴极和栅极之
D L tan L v l V A 2d
（12）
令 Ke
Ll ，则荧光屏上电子束的偏转距离 D 可以表示为 2d
D Ke v VA
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3
式中 V 为偏转电压，VA 为加速电压， K e 是一个与示波管结构有关的常数，称 为电偏转常数。为了反映电偏转的灵敏程度，定义 D K 电 e V VA (14)
6
间的电压 VGK，需将与阴极 K 和栅极 G 相对应的钮子开关均置于上方。 2) 令“阳极电压”数显表显示为 800V，在光斑聚焦的状态下，用数字万用表 直流电压档测量栅极与阴极之间的电压 VGK，为负值，调节“辉度调节”电位 器，记录荧光屏上光点刚消失时的 VGK 值。 3) 调节“阳极电压调节”电位器，使阳极电压分别为 1000V、1200V，重复实 验步骤 2） ，记录相应的 VGK 值。 五、安全注意事项 1．实验前必须仔细阅读电子束实验仪使用说明书。 2．本仪器内示波管电路和励磁电路均存在高压，在仪器插上电源线后，切勿 触及印刷板、示波器管座、励磁线圈的金属部分，以免电击危险。 3．本仪器的电源线应插在标准的三芯电源插座上。电源的火线，零线和地线 应按国家标准接法之规定接在规定的位置上。 4．在将实验仪面板上 H1、H2 对应的钮子开关均置于上方的情况下，水平偏转 板 H2 和地 G 之间存在阳极高压，在水平偏转极板 H1 和 H2 之间接通 0—30V 直流 偏转电压时，千万不要把两手接触到 H2 和地 GND 之间，以免电击危险。 5．在将实验仪面板上 V1、V2 对应的钮子开关均置于上方的情况下，水平偏转 板 V1 和地 G 之间存在阳极高压，在水平偏转极板 V1 和 V2 之间接通 0—30V 直流 偏转电压时，千万不要把两手接触到 V1 和地 GND 之间，以免电击危险。 六、思考题 1．电偏转、磁偏转的灵敏度是怎样定义的，它与哪些参数有关？ 2．在不同阳极电压下，为什么偏转灵敏度会不同？ 3．何谓截止栅偏压？ 七、实验报告要求 1．计算不同阳极电压下的水平电偏转灵敏度和垂直电偏转灵敏度。 2．试分析电偏转灵敏度与哪些实验参数有关。 3．试分析在同等偏置条件下，为什么垂直电偏转灵敏度会大于水平电偏转灵 敏度。 4．计算不同阳极电压下的磁偏转灵敏度。 5．试分析磁偏转灵敏度与哪些实验参数有关。 6．试分析栅压为什么必需是负电压，截止栅偏压与第二阳极电压 VA2 有何关 系。
y L
R
l
D
B
v e
图（2） 电子束磁偏转原理
O
x
4
最后打在荧光屏上。磁偏转的距离可以表示为：
D K m I / VA
关的常数称为磁偏常数。为了反映磁偏转的灵敏程度，定义
（16）
式中 I 是偏转线圈的励磁电流，单位为安培（A） ； K A 是一个与示波管结构有
电 D / I K m / V A
电 称为电偏转灵敏度，用 mm/V 为单位。 电 越大，电偏转的灵敏度越高。 从 （14） 式中可知， 因 ke 为常数， 则电偏转灵敏度 电 与加速电压 VA 成反比 （VA
大，电子动量大，速度快，经过偏转时间 t 短，偏转量小） 。则：
D 电V
（15）
从（15）式中可知，V 越大，偏转距离 D 越大，当 VA 为某定值时，D 与 V 的 关系是线性关系。 在本实验仪中，电子束在纵向电场（VA2 加速电压）的作用下，向荧光屏方向 （Z 方向）运动，在聚焦电压（VA1）的作用下，在荧光屏上聚成一亮点。在水平 方向（X 方向）的横向电场作用下，电子束向横向电场的反方向偏转。由上面的推 导可知，在荧光屏上，光点的移动距离与 H1、H2 之间的电压（横向电场）成正比， 与纵向电场成反比。H1、H2 之间单位电压产生的位移为水平电偏转灵敏度。同理， 在垂直方向（Y 方向）的横向电场的作用下，电子束向横向电场的反方向偏转。由 上面的推导可知，在荧光屏上，光点的移动距离与 V1、V2 之间的电压（横向电场） 成正比，与纵向电场成反比。V1、V2 之间单位电压产生的位移为垂直电偏转灵敏 度。 2． 磁偏转原理 电子束磁偏转原理如图（2）所示。通常在示波管瓶颈的两侧加上一均匀横向 磁场，假定在 l 范围内是均匀的，在其他范围都为零。当加速后的电子以速度 v 沿 x 方向垂直 射入磁场时，将受到洛仑兹力作用，在均匀磁场 B 内作匀速圆周运动， 电子穿出磁场后，则做匀速直线运动，
1
方向相反，如在加速电极上加正电压，那么电子将被加速。如果电子的运动方 向和电场方向垂直，如加上偏转电压，那么电子将被偏转。我们选取直角坐标 系来研究电子的运动。
y
l
e
++++++ Φ O E ------
D x L
图（1） 电子束电偏转原理 设电子刚从阴极逸出时速度很小，其动能可忽略不计。但在加速电场作用 下，动能不断增大，根据能量守恒定律，动能的增量应等于它在加速电场中位 能的减小，它应满足下列能量关系：
电子束实验
带电粒子在电场和磁场作用下的运动是电学组成的基础。 带电粒子通常包括质 子、离子、和自由电子等，其中电子具有极大的荷质比和极高的运动速度。因此， 在各种分支学科中得到了极其广泛的应用。众所周知，快速运动的电子会在阴极射 线管的荧光屏上留下运动的痕迹， 可以利用观察此光迹的方法来研究电子在电场和 磁场中的运动规律。本实验仪采用的阴极射线管为 8SJ31J 示波管。以此管中轴线 为基准线 （Z 轴方向） ， 所施加的电场可分为纵向电场 （可分加速电场和聚焦电场） ， 横向电场（可分水平和垂直偏转电场，即 X 轴方向电场和 Y 轴方向电场） ；所施加 的磁场可分为纵向磁场（聚焦磁场）和 横向磁场（水平偏转磁场） 。通过对上述各 电场与磁场的组合，实验仪可完成电聚焦特性的测定，水平电偏转灵敏度的测定， 垂直电偏转灵敏度的测定，磁偏转灵敏度的测定，截止栅偏压的测定等实验。利用 纵向磁场聚焦法可测定电子荷质比 e/m，同时还可观察在纵向磁场的作用下，电子 束旋转式前进并聚焦的特性。 内容一 实验目的 1．了解阴极射线管内灯丝 F、阴极 K、栅极 G、第一阳极（聚焦极）A1 和第 二阳极（加速极）A2、水平偏转板 H1、H2、垂直偏转板 V1、V2 的结构与作用。 2．掌握电子束在外加电场和磁场作用下偏转的原理和方式。 3．观察电子束的电偏转和磁偏转现象，测定电偏转灵敏度、磁偏转灵敏度、 截止栅偏压。 实验仪器 1． TH-EB 型电子束实验仪。 2． 示波管组件。 3． 0~30V 可调直流电源（带输出显示） 。 4． 数字万用表。 实验原理 1． 电偏转原理（电子的加速和偏转） 电子束电偏转原理如图（1）所示。我们把电子看成带有单位负电荷的经典粒 子，在电场中要受到电场力（服从库仑定律）的作用，好比物体在重力场中要 受到重力（服从牛顿万有引力定律）的作用一样。如果电子的运动方向和电场 电子束的电偏转与磁偏转
tan
vE v
2
式中 vE 为电子离开偏转板时在 y 轴方向的速度。 电子在偏转板之间穿过时，假定所用时间为 t，在 t 时间内电子在电场 E 的作 用下，动量增加 mvE，根据动量定理，应等于 FE 的冲量，则： V mv E FE t e t d 即 （5）
vE
e V t m d
当电子从偏转板出来后沿直线运动， 直线的倾角φ 就是电子离开偏转区后的运 动方向。当偏转电压 V=0 时，电子束受偏转电场力作用应打在屏的中心，当 V ≠0 时，电子打在屏上的距离为 D，则
tan D L
（11）
式中 L 为偏转板中心与屏的距离（忽略荧光屏的微小弯曲） 。 将（10）式代入（11）式，解得：
高。
（17）
电 称为磁偏转灵敏度，用 mm/A 为单位。 电 越大，表示磁偏转系统灵敏度越
为实现磁偏转，示波管的两侧安装一对亥姆霍兹线圈。这一对亥姆霍兹线圈 具有相同的参数，因此顺向串接后施加直流电流， 具有顺向且大小相等的水平磁场 （横向磁场） 。电子束在纵向电场（VA2 加速电压）的作用下，在荧光屏方向运动， 在聚焦电压（VA1）的作用下，在荧光屏上聚成一亮点，在水平方向（X 方向）的 横向磁场作用下，按照右手螺旋法则和右手定则，电子束将向垂直方向（Y 方向） 移动，单位磁偏转电流所产生的为磁偏转灵敏度。 3． 截止栅偏压原理 示波管的电子束流通常是通过调节负栅压 UGK 来控制的， 调节 UGK 即调节 “辉 度调节” 电位器， 可调节荧光屏上光点的辉度。 UGK 是一个负电压， 通常在-35V~-45V 之间，负栅压越大，电子束电流越小，光点的辉度越暗。使电子束流截止的负栅压 UGK0 称为截止栅偏压。 四、实验步骤 1．准备工作 1） 用专用电缆线连接电子束实验仪和示波管支架上的两个插座。 2） 将实验箱面板上的“电聚焦/磁聚焦”选择开关置于“电聚焦” 。 3） 将与第一阳极对应的钮子开关置于上方，其余的钮子开关均置于下方。 4） 将实验仪后面的励磁电流开关置于“关” 。 5）将“磁聚焦调节”旋钮旋至最小位置。 6） 为减小地磁场对实验的影响，实验时尽量将示波管组件东西方向放置，即 螺线管线圈在东西方向上。 7）开启电源开关，调节“阳极电压调节”电位器，使“阳极电压”数显表显 示为 800V，适当调节“辉度调节”电位器，此时示波器上出现光斑，使光斑 亮度适中，然后调节“电聚焦调节”电位器，使光斑聚焦，成一小圆点状光 点。
eVA 1 / 2mv 2
则
（1）
v
2eV A m
（2）
式中 e 为电子电量， VA 为加速电压， m 为电子质量， v 为电子从加速极射出的速度。 通常在示波管的偏转板上加偏转电压 V，当加速后的电子以速度 v 沿 x 方向进 入偏转板后，受偏电场 E（y 轴方向）的作用，电场方向和运动方向垂直，电子一 方面仍然以 v 速度继续向前作匀速运动，另一方面受电场力 FE 的作用
（6）
由于 t 是电子以速度 v 穿过偏转板所用的时间，则
v
将（6） 、 （7）式代入（4）式，得
l t
（7）
tan
将（2）式代入（6）式，解得：
t
vE e V t2 v m dl
l 2eV A m
（8）
（9）
将（9）式代入（8）式，得
tan
v l V A 2d
（10）