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电子束的偏转与聚焦1课案
南昌大学物理实验报告
课程名称:
大学物理实验
实验名称:
电子束的偏转与聚焦现象
学院:
信息工程学院专业班级:
电子152班
学生姓名:
学号:
实验地点:
213座位号:
18号
实验时间:
第6周星期六下午8、9节课
一、实验目的:
1.了解示波管的构造和工作原理。
2.学会规范使用数字万用表。
3.学会磁聚焦法测量电子荷质比的方法。
二、实验原理:
1.示波管的结构
示波管,被密封在高真空的玻璃壳之中,主要包括三部分:
荧光屏,偏转系统,电子枪。
如图所示。
2.电聚焦原理
在示波管中,阴极经灯丝加热发射电子,第一阳极加速电子,使电子束通过栅极的空隙,由于栅极电位与第一阳极电位不等,在它们之间的空间便产生电场,这个电场使由阴极表面不同点发出的电子在栅极前方汇聚,形成电聚焦。
3.电偏转原理
在示波管中,电子从被加热的阴极K逸出后,由于受到阳极电场的加速作用,使电子获得沿示波管轴向的动能。
假定电子从阴极逸出时初速度忽略不计,则电子经过电势差为U的空间后,电场力做的功eU应等于电子获得的动能。
则
荧光屏上光的横向偏转量D为
由上可知当U2不变时,偏转量D随Ud的增加而线性增加。
因此,可将示波管做成测量电压的工具。
可以测定D-Ud直线斜率随U2改变的变化情况。
4.磁偏转原理
电子在通过均匀磁场时,由于受到洛仑兹力的作用做匀速圆周运动而发生偏转,即
,所以
当偏转角较小时,
可得
5.磁聚焦和电子比荷的测量原理
电子运动方向与磁场平行,故磁场对电子运动不产生影响。
电子的轴向速率为
洛仑兹力起着向心力的作用,
电子运动一周所需时间为
则螺距为
由于不同时刻电子速度的处置分量v⊥不同,,故在磁场的作用下,各电子将沿半径不同的螺旋线前进。
然而,由于它们速度的平行分量v∥均相同,所以电子在做螺旋运动时,它们从同一点出发,尽管各个电子的v⊥各不相同,但经过一个周期后,它们又会在距离出发点相距一个螺距的地方重新相遇,这就是磁聚焦的基本原理。
由上可得
代入得电子比荷大小为
其中
3、实验仪器:
电子束实验仪、直流稳压电源、数字多用表。
四、实验内容和步骤:
1.开启电子束实验仪开关,将“电子束—比荷”选择开关打向“电子束”位置,适当调节辉度和聚焦,使屏上光点聚成一圆点。
2.光点调零
X轴调节调节“X轴调节”和“X轴调零”旋钮,使光点位于X轴的中心原点,且左右偏转的最大距离都接近于满格。
Y轴调节用万用表直流电压档接于“Y偏电压表”+、-两端,缓慢调节“Y轴调节”旋钮使万用表的读数为零,然后调节“Y轴调零”,使光点位于Y轴的中心原点。
3.测量偏转量D随偏转电压Ud的变化
调节阳极电压旋钮,取定阳极电压U2=700V,用万用表电压档分别测出D=
5,
10,
15,
20mm时的Ud值,并列表记录。
再取U2=900V,重复前面的测量。
4.测量偏转量D随磁偏电流I的变化
使光点回到Y轴的中心原点,取U2=700V,用万用表的mA档测量磁偏电流I。
列表记录D=5,10,15,20mm时的磁偏电流值,然后改变磁偏电流方向,再测D=-5,-10,-15,-20mm时的磁偏电流值。
再取U2=900V,重复前面的测量。
5.电子比荷大小e/m的测量
把直流稳压电源的输入端接到励磁电流的接线柱上,电流值调到零,将“电子束—比荷”开关置于“比荷”位置,此时荧光屏上出现一条直线,阳极电压调到700V。
调节辉度,使电压既能达到700V的位置,也能达到1000V的位置,开始测量。
(1)开始测量e/m,逐渐加大励磁电流使荧光屏上的直线变成一亮点。
读取电流值,然后将电流调到零。
再讲电流换向开关扳到另一方,重复前面的步骤。
(2)改变阳极电压,重复上述步骤。
6.注意事项:
(1)实验过程中,光点不能太亮,以免烧坏荧光屏。
(2)Y轴调节好后,在测量电偏转灵敏度时,“Y轴调零”不能再动。
(3)测量电子比荷时,要先把直流稳压电源的输入端接到励磁电流的接线柱上,再打开电源开关。
(4)正式开始测量e/m时,“辉度”旋钮应固定不动。
5、实验数据与处理:
1.电偏转
700V
Ud/v
-19.22
-14.49
-10.65
-5.67
0
4.02
9.21
13.49
18.21
D/mm
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
900V
Ud/v
-22.07
-17.01
-11.21
-6.11
0
5.96
11.21
17.13
21.58
D/mm
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
700V的D-Ud图的曲线斜率即电偏转灵敏度D/Ud为0.861mm/V,900V的D-Ud图的曲线斜率即电偏转灵敏度D/Ud为1.11mm/V。
由此可知,U2与电偏转灵敏度呈正相关关系,U2越大则曲线斜率即电偏转灵敏度越大,U2越小则曲线斜率即电偏转灵敏度越小。
2.磁偏转
700V
I/A
80.00
58.00
35.00
14.00
0
12.00
29.00
36.00
68.00
D/mm
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
900V
I/A
86.00
62.00
42.00
18.00
0
23.00
45.00
65.00
89.00
D/mm
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
老师,因为我实验时用的单位是A,所以精确
度比较低。
700V的D-I图的曲线斜率即磁偏转灵敏度D/I为3.85mm/A,900V的D-I图曲线斜率即磁偏转灵敏度D/I为4.30mm/A。
由此可知,U2与磁偏转灵敏度呈负相关关系,U2越大则曲线斜率即磁偏转灵敏度越大,U2越小则曲线斜率即磁偏转灵敏度越小。
由
,可得
,可知当U2不同时,I不同,即D/I也不同。
3.电子比荷
电压
电流
700V
800V
900V
1000V
I正/A
1.45
1.65
1.74
1.84
I反/A
1.49
1.67
1.70
1.85
/A
1.47
1.66
1.72
1.845
e/m
1.554548
C/kg
1.33486
C/kg
1.454685
C/kg
1.451248
C/kg
1.347907
C/kg
(%)
17.66
6、误差分析及其他:
1.误差分析:
(1)对光点的观测,由于视觉误差,观测的光点的位置有可能不准,引起较大误差。
(2)测量e/m时,荧光屏上的直线转换为小亮点时,因观测错误,测得的I都偏大。
(3)测量时,没有完全消除外界磁场对实验的影响,造成不小误差。
2..实验体会:
通过实验,我更加了解示波管的构造和工作原理,对万用表的使用也更加规范了。
通过这门实验也学会了测量电子比荷的方法。
而且实验过程中的调零是一项需要耐心的工作,通过这个使得我更加有耐心,尽管测得数据误差较大,但也锻炼了我的动手能力。
七、思考题:
1.为什么在接入万用表之前转动磁偏调节,光点不会转动,而转动Y轴调节,光点会上下移动?
答:
因为万用表的A档测量时相当于使产生磁场的电路接通,这时调节光点会动。
而不接入万用表时,没有磁场,所以调节光点不变。
2.测e/m时屏上为什么是一直线?
答:
因为在偏转极板Y上加的是交变电压,所以电子相当于上下扫动,所以看起来就是一条线。
八、附上原始数据:
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- 关 键 词:
- 电子束 偏转 聚焦 课案