实验名称电子比荷的测量一、前言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，显示射线运行的曲率半径；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”，并得出了它的电荷量与质量之比em。电子荷质比是电子的电荷量与其质量的比值，是研究物质结构的基础，其测定在物理学发展史上占有重要的地位。经现代科学技术测定的电子荷质比的标准值是：111.75910C/kg。测定电子荷质比的方法有很多，如磁偏转法、磁聚焦法、磁控管法、滤速器法等。本实验仪沿用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电子的荷质比。二、教学目标1、了解电子在电场和磁场中的运动规律。2、测量电子的荷质比。3、掌握电子荷质比测试仪的测量原理及方法。4、通过实验加深对洛伦兹力的认识。三、教学重点1、电子在磁场中的运动规律。四、教学难点1、电子圆运动轨道半径的测量。五、实验原理当一个电子以速度v垂直进入均匀磁场时，电子就要受到洛仑兹力的作用(图1)：图1电子在磁场中受力图fevB（1）由于力的方向是垂直于速度的方向，则电子的运动轨迹就是一个圆，力的方向指向圆心，完全符合圆周运动的规律，所以作用力与速度又有：2fmvr（2）其中r是电子运动圆周的半径，由于洛仑兹力就是使电子做圆周运动的向心力，因此可将(1)、(2)式联立：2evBmvr（3）由(3)式可得：evmrB（4）实验装置是用一电子枪，在加速电压U的驱使下，射出电子流，因此加速电场所做功eU全部转变成电子的输出动能：22eUmv（5）将(4)与(5)式联立可得：22()eUmrB（6）实验中可采取固定加速电压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，就能测定电子的荷质比em。按本实验的要求，必须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。按照亥姆霍兹线圈产生磁场的原理:BKI（7）其中K为磁电变换系数，可表达为：3204()5NKR（8）式中0是真空导磁率，它的值720410NA，R为亥姆霍兹线圈的平均半径，N为单个线圈的匝数，由厂家提供的参数可知158Rmm，130N匝，将(7)和(8)代入公式(6)可得：2212222222201252.47410()32eRURUCkgmNIrNIr（9）六、实验仪器FB710型电子荷质比测试仪（亥姆兹线圈、威尔尼氏管、电源、标尺、反射镜等）。图2仪器整体外观及接线图第一部分主体结构有：发射电子束的威尔尼氏管；产生磁场的亥姆霍兹线圈；记量电子束半径的滑动标尺；反射镜（用于电子束光圈半径测量的辅助工具）第二部分是整个仪器的工作电源，加速电压0200V，聚焦电压015V都有各自的控制调节旋钮。电源还备有可以提供最大3A电流的恒流电源，通入亥姆霍兹线圈产生磁场。因为本实验要求在光线较暗的环境中，所以电源还提供一组照明电压，方便读取滑动标尺上的刻度。主要部件介绍：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。主要技术参数：气压：110Pa灯丝电压：6.3V调制电压：018V加速电压：max250UV2、亥姆兹线圈作用：产生均匀磁场磁场B的大小为：BKI磁电变换系数：3204()5NKR真空导磁率：720410NA主要技术参数：线圈内径：300mm线圈外径：332mm最大通电电流：3IA线圈的平均半径：158Rmm单个线圈的匝数：130N。3、工作电源主要技术参数：加速电压：0200V调制电压：020V低压照明电压：1.5V4、测量标尺及反射镜用于电子束光圈半截测量的辅助工具。七、实验内容与步骤1、按图2所示接好线路。2、开启电源，预热10-20分钟。将加速电压定于100-120V，直到电子枪射出翠绿色的电子束后，将加速电压调小到100V。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。3、调节偏转电流，使电子束的运行轨迹形成封闭的圆，细心调节聚焦电压，使电子束明亮，缓缓改变亥姆霍兹线圈中的电流，观察电子束的偏转的变化。4、测量步骤：(1)调节仪器后线圈上反射镜的位置，以方便观察；(2)测...
