电子比荷的测定.
实验三：电子比荷的测定
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，加深对此的理解。
3、测定电子的比荷
二、实验仪器
DH4520型电子比荷测定仪包括：洛仑兹力管、亥姆霍兹线圈、供电电源和读数标尺等部分。仪器采用一体化设计，整个安装在木制暗箱内，便于观察、测量、携带和贮存，如图一所示。
1、洛仑兹力管洛仑兹力管又称威尔尼管，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
二所示。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。具有一定能力的电子束
与惰性气体分子碰撞后，使惰性气体发光，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。如图三所示。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。如两线圈间的距离a不等于r时，则轴线上的磁场就不均匀。
同学们可根据两个单个线圈轴线
上P点磁感应强度B的叠加，求出当
a=r时，亥姆霍兹线圈轴线上总的磁
感应强度B=9×104 I
3、供电电源供电电源的前面板如图四所示：
偏转电压偏转电压开关分“上正”、“断开”、“下正”三档。置“上正”时上偏转板接正电压，下偏转板接地。置“下正”时则相反。置“断开”时，上下偏转板均无电压接入。观察与测量电子束在洛仑兹力作用下的运动轨迹
时，应置“断开”位置。偏转电压的大小，由偏转电压开关下面的电位器调节。电压值从50~250V，连续可调，无显示。
阳极电压阳极电压接洛仑兹力管内的加速电极，用于加速电子的运动速度。电压值由数字电压表显示，值的大小由电压表下的电位器调节。实验时的电压范围约100~200V。
线圈电流线圈电流（励磁电流）方向开关分“顺时”、“断开”、“逆时”三档。置“顺时”时线圈中的电流方向为顺时针方向，线圈上的顺时批示灯亮，产生的磁场方向指向机内。置“逆时”时则相反。置“断开”时，线圈上的电流方向指示灯全熄灭，线圈中没有电流。电流值由数字电流表指示，值的大小，由电流表下面的电位器调节。
请注意：在转换线圈电流的方向前，应先将线圈电流值调到最小，以免转换电流方向时产生强电弧烧坏开关的接触点。
在观察电子束在电场力的作用下发生偏转时，应将此开关置“断开”位置。
在仪器后盖上设有外接电流表和外接电压表接线柱，以备在作课堂演示时外接大型电压表和电流表。
读数装置在亥姆霍兹线圈的前后线圈上，分别装有单爪数显游标尺和镜子，以便在测量电子束圆周的直径D时，使游标尺上的爪子、电子束轨迹、爪子在镜中的象三者重合，构成一线，以减小视差，提高读数的准确性。游标读数为inch和mm刻度两种，请选mm刻度。
实验原理
对于在均匀磁场B中的以速度v运动的电子，将受到洛仑兹力
f=evB
的作用。不v和B同向时，力F等于零，电子的运动不受磁场的影响。当v和B垂直时，力F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，如图五所示。维持电子作圆周运动的力就是洛仑兹力，即
mv2
EvB=
r
式中R为电子运动轨道的半径。得电子比荷
由此可见实验中只要测定了电子运动的速度v，轨道的半径R和磁感应强度B，即可测定电子的比荷。
电子运动的速度v应该由加速电极，即阳极的电压U决定（电子离开阴极时的初速度相对来说很小，可以忽略）。即
将（3）式代入（2）式，得
将（1）式代入上式，得电子比
如果用电子束轨迹的直径D表示，则
式中U、D、I都是可以通过实验测量的量。由此即可求出电子比荷。
如果电子运动的速度v和磁感应强度B不完全垂直时，电子束将作螺旋线运动。
实验内容
在开始通电实验前，先检查仪器面板上各控制开关和旋钮应放在下述位置上：偏转电压开关量“断开”，电位器逆时针转到电压最小（50V，无显示）。调节阳极电压的电位器也逆时针调到零。线圈电流方向开关置“断开”，调节线圈电流的电位器也逆时针调到零。以上调节的目的，是为了保护仪器，不受大电流高压的冲击。延长洛仑兹力管的使用寿命。
打开电源，预热5分钟。逐渐增加阳极电压至100~200V左右，即可看到一束淡兰绿色的光束从电子枪中射出，这就是电子束。
1、观察电子束在电场作用下的偏转
转动洛仑兹力管，使角度指示为900，即电子束指向左边并与线圈轴线垂直。在转动洛仑兹力管时，务必用手抓住胶木管座，切勿手抓玻璃波转动，以免管座枪动。
将偏转电压开关拨到“上正”位置，这时上偏转板为正，下偏转板接地，观察电子束的偏转方向。加大偏转板上的偏转电压，观察偏转角度的变化情况。在偏转电压不变的情况下，加大阳极电压，观察偏转角度的变化情况。再将偏转电压调至最小，偏转开关拨到“下正”位置，作与上相同的观察。
记录观察到的现象，并作出理论解释
2、观察电子束在磁场中的运动轨迹
将偏转电压开关拨至“断开”位置。线圈电流方向开关拨到“顺时”位置，线圈上的电流顺时方向指示灯亮，加大线圈电流和阳极电压，观察电子束在磁场中运动轨迹的变化情况。转动洛仑兹力管，作进一步的观察。
记录观察到的现象，并作出理论解释。
3、测量电子的比荷
根据以上所述，将电子束轨迹调整成一个闭合的圆。利用读数装置，在不同的阳极电压U和不同的线圈电流I情况下，仔细测量电子速轨迹的直迹。
根据公式（4）计算电子比荷。
具体内容建议：
（1）固定阳极电压，改变线圈电流，作多次测量。
（2）固定线圈电流，改变阳极电压，作多次测量。
欲使实验结果比较准确，关键是测准电子束轨迹的直径D。圆的直径取在4cm到9cm之间时较为合适。
实验结束后，将阳极电压和线圈电流调到最小，偏转电压开关和线圈电流开关都拨到“断开”位置，然后关掉电源。
思考问题
1、为什么电子束在旋转过程中，轨迹变得愈来愈粗，愈来愈模糊，这是正常的吗？请作理论分析。
2、试从测量误差角度讨论，读数装置中采用的游标尺的分度值为0.01mm，是否合理？为什么？应采用多大的分度值更为合理？