电子荷质比实验报告

篇一：电子荷质比的测量

编号

学士学位论文

电子荷质比的测量

学生姓名：麦麦提江.吾吉麦

学 号：

系 部： 物理系

专 业： 物理学

年 级： 07-1班

指导教师： 依明江

完成日期： 年月日

中文摘要

电子荷质比的测量方法很多,主要用近代物理实验来测定,例如,有磁控管法、

汤姆逊法、 塞曼效应法、密立根油滴实验法及磁聚焦法等,各有特点准确度也不一样。

这文章中利用普通物理实验来进行测量，根据电荷在磁场中的运动特点，

利用电子束实验仪进行电子荷质比测定实验，分析了电子束的磁聚焦原理，通过对同一实验多组实验数据的分析处理，最后分析了产生实验误差的主要原因。

关键词：磁聚焦；电子荷质比；螺旋运动 ；亮线段； 误差；

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中文摘要 ................................................................................................................. 1

引言 ........................................................................................................................ 3

1. 电子荷质比测量的简要历程 ............................................................................... 3

2. 电子在磁场中的运动 ........................................................................................... 4

2.1电荷在磁场中的运动特点…………………………………………………….….4

2.2电子束的磁聚焦原理 ............................................................................................. 4

2.2.1电子荷质比的测量………………………………………………..…………. 6

2.2.2决定荧光屏上亮线段的因素 ............................................................................. 6

3.实验结果 ……………………………………… ................................................. 8

3.1.产生实验误差的主要原因分析……………… ……………………..…………. 10

3.1.1地磁分量对实验结果的影响 ................................... …………………………11

3.1.2光点判断不准对实验结果的影响 .................................................................... 11

3.1.3示波管真空度的影响 .............................. ……………………………………11

结论 .......................................................................................................................... 12

参考文献 .................................................................................................................. 13

致谢 .......................................................................................................................... 14

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引言

（e/m）电子的电量与质量之比 称为电子荷质比。它是描述电子性质的重

要物理量。测定电子荷质比有多种方法。如磁控管法、 汤姆逊法、 塞曼效应

法、密立根油滴实验法及磁聚焦法等。也可以用普通物理实验中的磁聚焦法。 为了更好地理解实验,下面进一步了解释实验中出现的现象。为此, 本研究运用经典电磁学和牛顿力学理论，加速电压不很高条件下，忽略其量子效应, 把电子当作经典粒子， 推导出电子荷质比的测量与计算公式,测量出了电子荷质比。

1．电子荷质比测量的简要历程

自从1897年通过测定电子的荷质比发现电子以来,物理学家们就一直在追

寻电子电量与荷质比的精确测量,因为它们是最重要的基本物理常数之一.物理常数可分为物质常数与基本物理常数两大类,物质常数是与物质性质有关的一类常数,如沸点T、比热C、电阻率?、折射率n等;而基本物理常数则与物质性质无关的、普适的一类常数,如真空中的光速c、基本电荷e、普朗克常数h、精细结构常数a等.基本物理常数在物理学中起着十分重要的作用,其中最具有重要意义和深刻含义的6个常数是万有引力常数G、真空中的光速c、普朗克常数h、电子荷质比e/me、基本电荷e和阿伏加德罗常数N0其中G、h、c是对物理基本理论起着十分重要作用的常数；e/me和e则标志着物质单元的基本特征.电子荷质比测量的主要方法与原理大致为3种,即偏转法、光谱分析法与核磁共振法,测量精度的提高集中反映了当代科学技术水平的进步.物理基本常数的测定在近代物理实验中是重要内容之一,它是培养提高学生综合运用基本物理知识和创新能力十分重要的教学内容.在近代物理实验的教学研究中,我们本着不追求测量的精度,只注重培养学生综合运用基本物理知识和创新能力的提高。 3

2.电子在磁场中的运动

2.1电子在磁场中的运动特点

电荷在磁场中运动时受到磁场力的作用 即洛仑兹力 ，其表达式为:

?????F?qv?B（1）

???式中: q为运动电荷的电量; v 为电荷运动的速度; B为电荷所在处的磁感应

?????强度．F 的大小由f?qvBsin?(?是 与 之间的夹角) 决定, 方向由v?B 来决

定．由于洛仑兹力在电荷运动方向上的分量永远为零, 因此不做功, 不能改变运动电荷速度的大小。如果运动电荷的速度方向与磁场方向垂直, 则运动电荷在磁场中做匀速圆周运动, 如果运动电荷的速度方向与磁场方向成一定夹角, 则运动电荷在磁场中将做螺旋运动

.

2.2. 电子束的磁聚焦原理

在示波管外的磁聚焦螺线管线圈上加上电压, 通以励磁电流I, 则在螺线管线圈轴线方向( 图1中的Z轴方向) 产生均匀磁场B, 电子束进入示波管

???中第一阳极后, 即在均匀磁场中运动．设电子以速度v与B成角度? 进入均匀

?磁场中, 可将速度v 分解为与磁场方向垂直和平行的两部分， 垂直分量为

v??vsin?使电子产生垂直z轴方向的匀速圆周运动； 而平行分量为v???vcos?， 使电子产生z轴方向的匀速直线运动两种运动的合成, 使电子产生（图 2）沿Ｚ轴方向的螺旋线运动, 其螺距为:

2?R2?mv??h?v???T?v????v?eB(2)

式中: T为匀速圆周运动的周期, R为匀速圆周运动的半径, e为电子电量, m为电子质量．

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篇二：电子荷质比的测定

电 子 荷 质 比 的 测 定

班级：2010级物理学（国家基地）姓名： 叶君 学号：2010261025 日期：2011-12-21 地点： 理科楼四层机房

【实验目的】：

1. 研究磁场几乎平行于电子束情况下电子的运动。 2. 用磁聚焦法测定电子荷质比。

【实验原理】

1．带电粒子在磁场中的运动。 ⑴．电子速度垂直于磁场：

设电子e在均匀磁场中以匀速v运动，且速度方向垂直于B时，则在洛伦兹力

作用下，作圆周运动，这时可变成如下式所示，而有圆周半径R：

及

（1.1）

（1.2）

如果条件不变，电子将周而复始地圆周运动。可得出电子的圆周运动周期T为

(1.3)

由上式可知，周期T只与磁场B有关而与速度V无关。这个结论说明：当若干个电子在均匀磁场中各以不同速度同时从某处出发时，只要这些速度（大小不等）都是垂直于磁场B，那么经历了不同圆周运动后，仍会同时在原出发地相聚。只是速度大的电子圆周运动半径R大，速度小的电子圆周运动半径小。

⑵．当电子与速度v与磁场B成角度θ时，可将其分解为平行于磁场B的分量

和垂直分量,这时电子的实际运动是两种运动的合

成：电子以作垂直于磁场B的圆周运动的同时，以作沿磁场 方向的匀速直线运动。这时电子是在一条螺线上运动。

可以计算这条螺线的螺距并且由(1.3)可以得出

。 （1.4）

（1.5）

由此可见，只要电子速度分量

大小相等，则其运动的螺距就不相同。这个重要结论表明，如果在一个均匀磁场中有一个电子源源

不断地向外界提供电子，那么不论这些电子具有怎样的初始速度方向，他们都沿着磁场方向作不同的螺旋运动，而只要保持它们磁场方向的速度分量相等，它们就具有由式（1.5）决定的相同的螺距。这就是说，在沿磁场方向上与电子源相距处，电子要聚焦在一起，这就是电子在均匀磁场中的旋进聚焦现象。

至于V和B平行时，则磁场对电子的运动和聚焦均不产生影响。（FB=－V×B=0）。

2．磁聚焦法测电子的核质比

当把示波管的轴线方向沿均匀磁场B的方向放置时，在阴极K和阳极

之间加以电压

，使阴极发射的电子加速。设阳极热电子

之间的

脱离阴极K后沿磁场方向的初速度为零。设阴极K与阳极电场加速后，速度为，这时电子的动能增加为

，由能量

守恒定律可知，电子动能的增加应等于电场力对它所作的功（第一阳极A1和第二阳极A2连接在一起）。则有

即： （1.6）

只要加速电压确定，电子沿磁场方向的速度分量是确定的。而且电子经过第一阳极后，由于第二阳极和两对偏转板（X轴和Y轴偏转板）与用电位，因此电子在第二阳极至荧光屏之间将不再受电场力的作用，电子的将不再改变。把式（1.6）代入式（1.5），

则

由式（1.7

）可知，是B

和

（1.7） 的函数。调节

和B的大小，可以

使电子束在磁场的方向上任意位置聚焦。当正好等于示波管的阳极和荧光屏之间的距离d时，可以在荧光屏看到一个小亮点（电子已聚焦）。当B值增大到2倍或3

倍时，会使地在荧光屏上看到第二、第三次聚焦。当

或

，相应

不等于这些值时，只能

看到较大的不等的光斑而不会聚焦。将式（1.7）变换成式（1.8）：

（1.8）

将及B之值代入上式，可得电子的荷质比。对于SJ-SS-Ⅱ型电子束实验仪来说，B是螺线管中磁场的平均值，与电流I的关系可表示为：B=KI(1.9) K为每台仪器的常数，由仪器出厂时给定。对于SJ-SS-Ⅱ型电子束实验仪来说，B可取螺线管中部的磁场值，如式（1.10）

（1.10）

式中

。

N=线圈匝数，L=螺线管线圈长度。 n=N∕L为单位长度的匝数。

为螺线管的半径。

为此，式（1.10）可改写为式（1.11）：

（1.11）

代入式（1.8），得

（1.12）

其中d是示波管的阳极到荧光屏之间的距离。对于不同的仪器，这些参数出厂时是略有差别的。 【实验内容】

1、实验电路

（1）阅读仪器的使用说明。

（2）按正向聚焦接线图插入导联线。

（3）将仪器面板“功能选择”开关旋至“磁聚”处，此时仪器处于磁聚焦工作状态。 2、测量

（1）接通总电源，预热数分钟，荧光屏上出现亮斑。亮斑辉度不够可调节辉度旋钮或增大V2。

（2）接通励磁开关前，先将“励磁电流”旋钮（或调 压器旋钮）逆时针方向旋至最小。

（3）取V2为800V，调节励磁电流，使光斑聚焦，记下此时仪器 三次聚焦时的励磁电流读数。

（4）取V2为1000V、1200V重复步骤（3）。

（5）关闭总电源约数分钟，改为反向聚焦接线，重复步骤（3）、（4）。 3、记录数据和处理结果。 【数据处理】

螺线管的长度L=296mm

螺线管直径D=91.5mm 线圈匝数N=4141

示波管阳极到荧光屏的距离d=193.0mm

3.数据处理

将各数据代入公式

平均值为1.765×1011C／kg 算出标准差为0.013×1011C／kg

得出电子的荷质比

所以电子的荷质比为（1.765?0.013）×1011C／kg

?

【实验结论】

实验测得的电子的荷质比为：（1.765?0.013）×1011C／kg

?

【误差分析】

1. 电子束与磁场没有严格垂直导致误差；

2. 电子束具有一定宽度，导致测量误差；

3. 测量者利用点一线法测半径时没有完全对齐导致随机误差； 4. 实验仪器精确度不够导致测量误差；

5. 实验理论的不完善(如没有考虑电子的相对论效应)导致误差。

篇三：大学物理实验报告测定金属荷质比与逸出功

表20-2 数据记录表

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