- •Правила офорления лабораторных работ 1. Допуск к лабораторной работе
- •2. Оформление конспекта для допуска к лабораторной работе
- •3. Оформление лабораторной работы к зачету
- •Г р а ф и к (требования):
- •Вывод по графику (шаблон):
- •Вывод по ответу (шаблон):
- •Лабораторная работа № 1 изучение явления термоэлектронной эмиссии
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №2 определение удельного заряда частицы
- •Вопросы и задания для самоконтроля
Лабораторная работа №2 определение удельного заряда частицы
Ознакомьтесь с теорией в конспекте лекций, учебнике и в описании к лабораторным работам. Запустите программу. Выберите I. «Электричество и магнетизм» и «Движение заряда в электрическом поле» и II. «Электричество и магнетизм». и «Масс-спектрометр». Нажмите вверху внутреннего окна кнопку с изображением страницы. Прочитайте краткие теоретические сведения. Необходимое запишите в свой конспект. Обратите внимание на то, что работа состоит из двух частей.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
-
Знакомство с моделью процесса движения заряда в однородном электрическом и магнитном полях.
-
Экспериментальное исследование закономерностей движения точечного заряда в однородном электрическом поле.
-
Ознакомление с принципом работы масс-спектрометра.
-
Экспериментальное определение величины удельного заряда частицы.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:
I. Движение заряженных частиц в электрическом поле широко используется в современных электронных приборах, в частности, в электронно-лучевых трубках с электростатической системой отклонения электронного пучка.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД есть величина, характеризующая способность объекта создавать электрическое поле и взаимодействовать с электрическим полем.
ТОЧЕЧНЫЙ ЗАРЯД это абстрактный объект (модель), имеющий вид материальной точки, несущей электрический заряд (заряженная МТ).
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ это то, что существует в области пространства, в которой на заряженный объект действует сила, называемая электрической.
ОСНОВНЫМИ СВОЙСТВАМИ заряда являются
-
аддитивность (суммируемость);
-
инвариантность (одинаковость во всех инерциальных системах отсчета);
-
дискретность (наличие элементарного заряда, обозначаемого е, и кратность любого заряда этому элементарному: q = Ne, где N - любое целое положительное и отрицательное число);
-
подчинение закону сохранения заряда (суммарный заряд электрически изолированной системы, через границы которой не могут проникать заряженные частицы, сохраняется);
-
наличие положительных и отрицательных зарядов (заряд величина алгебраическая).
ЗАКОН КУЛОНА определяет силу взаимодействия двух точечных зарядов , где - единичный вектор, направленный от первого заряда q1 ко второму q2.
НАПРЯЖЕННОСТЬЮ называется векторная характеристика поля, численно равная отношению силы , действующей на точечный заряд, к величине q этого заряда: . Если задана напряженность электрического поля, тогда сила, действующая на заряд, будет определяться формулой .
ОДНОРОДНЫМ называется поле, напряженность которого во всех точках одинакова как по величине, так и по направлению. Сила, действующая на заряженную частицу в однородном поле, везде одинакова, поэтому неизменным будет и ускорение частицы, определяемое вторым законом Ньютона (при малых скоростях движения V<<c, где с - скорость света в вакууме): = const. Тогда Y = , и
VY = , где Y - смещение частицы по вертикали и VY - вертикальная компонента скорости в момент времени, когда частица вылетает из конденсатора.
II. СИЛА ЛОРЕНЦА- сила, действующая на движущуюся со скоростью v в однородном магнитном поле с индукцией В частицу с зарядом q:
(1)
Модуль этой силы равен
, (2)
где - угол между векторами и . Сила Лоренца направлена перпендикулярно скорости частицы, сообщает ей только нормальное ускорение и вызывает искривление траектории частицы.
Если частица влетает в однородное магнитное поле в направлении, перпендикулярном линиям магнитной индукции, то частица будет двигаться по дуге окружности, плоскость которой перпендикулярна линиям индукции. Радиус окружности можно найти из второго закона динамики:
. (3)
УДЕЛЬНЫМ ЗАРЯДОМ ЧАСТИЦЫ называется отношение заряда частицы к её массе. Тогда из формулы (3) удельный заряд будет равен:
. (4)
Период обращения частицы равен
, (5)
и не зависит от скорости.
МАСС-СПЕКТРОМЕТРОМ называется прибор, для разделения ионизованных молекул и атомов (изотопов) по их массам, основанный на воздействии электрических и магнитных полей на пучки ионов, летящих в вакууме.
МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ
Закройте окно теории. Внимательно рассмотрите рисунок, найдите все регуляторы и другие основные элементы. Зарисуйте поле эксперимента и траекторию движения частицы. Нажав кнопку «Старт», наблюдайте на экране движение частицы.
Получите у преподавателя допуск для выполнения измерений.
МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ:
I
-
Нажмите мышью кнопку «Выбор». Подведите маркер мыши к движку регулятора напряженности Е. Нажмите левую кнопку мыши и, удерживая ее в нажатом состоянии, меняйте Е . Установите числовое значение Е, равное взятому из таблицы 1 для вашей бригады.
-
Аналогичным способом установите V0X = 2 106 м/с, V0Y = 0. Нажав кнопку «Старт», наблюдайте движение частицы. Увеличивая V0X , подберите минимальное значение, при котором частица вылетает из конденсатора. Запишите значение длины пластин конденсатора L.
-
Проведите измерения параметров движения частицы в момент вылета из конденсатора. Запишите числовые значения с экрана в таблицу 2.
-
Повторите измерения по п.3 еще 5 раз, каждый раз увеличивая V0X на 0.2 106 м/с. Результаты записывайте в таблицу 2.
ТАБЛИЦА 1. Напряженность электрического поля (не перерисовывать)
Бригада |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
Е [В/м] |
100 |
200 |
300 |
400 |
-100 |
-200 |
-300 |
-400 |
ТАБЛИЦА 2. Результаты измерений при Е = ____ В/м, L = _____ м.
V0X [Мм/с] |
|
|
|
|
|
|
|
Y[мм] |
|
|
|
|
|
|
|
X[мм] |
|
|
|
|
|
|
|
tДВ [нс] |
|
|
|
|
|
|
|
VX [Мм/с] |
|
|
|
|
|
|
|
VY [Мм/с] |
|
|
|
|
|
|
|
II
-
Подведите маркер мыши к движку регулятора величины магнитной индукции, нажмите левую кнопку мыши и, удерживая ее в нажатом состоянии, двигайте движок, установив числовое значение В, взятое из таблицы 3 для вашей бригады.
-
Аналогичным образом, зацепив мышью движок регулятора скорости, установите минимальное значение 103 м/с.
-
Нажмите мышью кнопку «Изотопы 12С-14С»
-
Нажмите мышью кнопку «Старт» и синхронно секундомер. Проследите за движением двух изотопов в магнитном поле модельного масс-спектрометра и по секундомеру определите время этого движения.
-
Запишите в таблицу 4 значения радиусов окружностей, по которым двигались эти изотопы (они показаны красным и синим цветом в правом углу окна) и время движения изотопов в вакуумной камере масс-спектрометра.
-
Последовательно увеличивая скорость частиц на 103м/с, проделайте п.п.8-9 ещё 9 раз и заполните таблицу 4.
-
Нажмите мышью кнопку «Изотопы 20Ne-22Ne », проведите измерения п.п/ 8-10 и заполните таблицу 5.
-
Проведите аналогичные измерения с изотопами урана и неизвестного химического элемента и заполните таблицы 6 и 7.
ТАБЛИЦА 3. Значения магнитной индукции В (не перерисовывать)
Номер Бригады |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
В, мТл (табл.4,5) |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
В, мТл (табл.6,7) |
9,0 |
9,1 |
9,2 |
9,3 |
9,4 |
9,5 |
9,6 |
9,7 |
ТАБЛИЦЫ 4-7. Результаты измерений и расчётов
В = _______
v103,м/с |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
R1, см |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R2, см |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т1/2, с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
q1/m1, Кл/кг q2/m2, Кл/кг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Табличные значения: q1/m1 = q2/m2= |
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА:
I
-
Постройте на отдельных листах графики экспериментальных зависимостей
-
вертикального смещения на вылете из конденсатора (Y) от квадрата обратной начальной скорости (1/V0X)2 ,
-
вертикальной составляющей скорости VY на вылете из конденсатора от обратной начальной скорости (1/V0X).
-
Для каждого графика определите по его наклону экспериментальное значение удельного заряда частицы, используя формулы для первого и для второго.
-
Рассчитайте среднее значение экспериментально полученного удельного заряда частицы.
-
Запишите ответ. Сформулируйте выводы по ответу и графикам.
II
5. Вычислите по формуле (4) удельные заряды изотопов углерода, неона, урана и неизвестного химического элемента и запишите полученные значения в соответствующие таблицы.
6. Используя справочные материалы по физике и химии, определите табличные значения удельных зарядов исследованных изотопов и сравните их с полученными в опыте.
7. Постройте график зависимости времени пролёта изотопов в камере масс-спектрометра от их скорости и сделайте выводы по результатам анализа этого графика.
ПОЛЕЗНЫЕ СВЕДЕНИЯ:
Атомная единица массы (а.е.м.) = 1,6601027 кг.
Элементарный заряд е = 1,6021019 Кл.
Табличное значение удельного заряда электрона qe/m = -1.76 1011 Кл/кг.