电子荷质比
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电子的荷质比测定
测量某些基本物理学常量是物理实验的重要任务之一。
一些物理学的微观量(例如电子的质量)非常小，很难用直接测量的方法测出它的质量。
我们已有了一些方法测量电子的电量，例如密立根油滴实验所采用的方法。
如果能测出电子的电量与电子的质量的比值e／m(称为电子的荷质比)，就可间接测出电子的质量。
我们常用的电子的“静止质量”就是这样测出来的。
测量电子荷质比的方法很多，例如汤姆逊法、滤速器法、磁控管法等。
本实验介绍的是用纵向磁聚焦法测定电子荷质比。
一、实验目的
1 了解电子在电场和磁场中的运动规律；
2 学习用纵向磁聚焦法测量电子的荷质比；
3 通过本实验加深对洛伦兹力的认识。
二、实验仪器
1 电子荷质比测定仪DHB-2（主要由直流稳压电源、一台荷质比测定仪和一个长直螺线管及在螺线管内放置的一个示波管组成）、双刀开关。
示波管简介：
三、实验原理
电子的电荷与质量之比称为电子荷质比。
本实验利用磁场聚焦法测定电子荷质比，这是利用长直螺线管内安装一支示波管，螺线管的线圈通有直流电时，螺线管内产生沿轴向的匀强磁场，示波器内的电子枪发射的电子基本上是沿着螺线管的轴向飞行。
为了让电子有一个垂直于轴向的分量，在靠近阴极的地方安装一个偏转极板。
加上偏转电压，从而使电子的运行轨迹成螺旋聚焦型。
图1 示波管
磁聚焦法测定电子荷质比的基本实验电路图如图2所示。
当螺线管通有直流电时，管内磁感应强度B的方向沿螺线管的轴线方向，电子枪发射的电于也基本上沿着螺线管的轴线方向飞行。
图2 电路连接
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3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m /H 1047
0-⨯=πμ，
、 、 、 的数值由实验室给出。
其中，N 是螺线管的总匝数，L 是螺线管的长度，D 为螺线管的直径，h 为一次磁聚焦螺距。
因此测得 和 后，就可求得电子的荷质比 的值。
四、实验内容和步骤
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．按图2接好线路；
3．接通荷质比电源，预热三分钟，调节电压至700伏；
4．将偏转信号单刀双掷开关拨向聚焦端，使X,Y 两对偏转板均接地，此时荧光屏上出现一个亮点；
5．调节聚焦和亮度，使光点聚焦到最佳状态，亮度不宜过亮； 6．调节电压细调，使电压表指至700V ；
7．将偏转讯号单刀双掷开关拨向～48V ，使讯号电压进入Y 轴偏转板，荧光屏上出现一条直线；
8.接通螺线管电源，调节磁化电流至1A ，预热3分钟，然后再正式测量； 9.将螺线管直流换向，由小到大调节磁化电流，并观察荧光屏上的直线随着电流的增大一面旋转一面缩短，直至会聚成一个光点，稳定半分钟后再正式读数；
10.读取电压表和电流表的读数，计入数据表中。
因为电源I 的限制，我们只做一次聚焦的实验；
11.将螺线管磁化电流调回到零，再换向。
由小到大调节磁化电流。
屏上直线反向旋转，再次汇聚成一点，读取电压表，电流表，计入数据表中，依次测出700V 、750V 、800V 、850V 、900V 时，电压表，电流表，计入数据表中，计算 的值。
电子荷质比实验记录
阴极电压（V ） 700 750 800 850 900 磁化电流方向 正 反 正 反 正 反 正 反 正 反 磁化电流（A ） 电子荷质比
平均值
五、注意事项
1．线路中有高压，小心操作；
2．聚焦光点尽量细，但不要太亮；
3．改变电流方向前，先调节励磁电源输出为“零”，然后再使电流反向；
4．调节亮度后高压有变化，因此再次调节高压细调，使高压指到需要的大小；
5.试验完成后，关掉电源，不要立即拆除线路，要等到电容放电后（约5分钟）再拆除线路。
六、思考题
1．当偏转扳上加交流信号时．荧光屏上出现一条直线，这表明什么?。
