Лабораторная работа № 3.7 изучение движения заряженных частиц в электрическом поле
Цель и содержание работы
Изучение движения заряженных частиц в электрическом поле, определение скорости движения электрона.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
Электрическое и поля действуют на заряженные частицы. Заряженная частица, влетающая в электрическое поле, отклоняется от своего первоначального направления движения (изменяет траекторию), если направление движения не совпадает с направлением действия силы. При совпадении направления движения с направлением силы электрическое поле лишь ускоряет (или замедляет) движущуюся частицу.
В осциллографической трубке электроны, вылетевшие в результате термоэлектронной эмиссии из катода ускоряются полем анода, которое совершает работу по сообщению заряду кинетической энергии
, (3.2.1)
где е – заряд электрона;
m – масса электрона;
UA – разность потенциалов на ускоряющем аноде.
Со скоростью 0 электрон (рис.3.2.1) влетает в электрическое поле отклоняющих пластин осциллографа, напряженностью
E
=
,
(3.2.2)
где U – напряжение, подаваемое на отклоняющие пластины;
b – расстояние между отклоняющими пластинами.
На отрицательно
заряженную частицу, движущуюся в
электрическом поле напряженностью
,
действует сила
,
направленная против линий напряженности
электрического поля.
= e
= m
, (3.2.3)
Смещаясь в электрическом поле, частица пролетит через отклоняющие пластины по криволинейной траектории и вылетит из них, отклонившись от первоначального направления на величину у1. Движение частицы в отклоняющих пластинах можно описать уравнениями:
у1
=
, (3.2.4)
t
1 =
, (3.2.5)
y = a t1, (3.2.6)
где а – ускорение движения заряженной частицы внутри отклоняющих пластин,
y – вертикальная составляющая скорости движения частицы при вылете из пластин;
t1 – время движения частицы при движении в отклоняющих пластинах;
l1 – длина отклоняющих пластин.
Вылетев из пластин, частица движется равномерно и прямолинейно, сместившись на у2 за время t2 движения до экрана. Движение заряженной частицы после вылета из отклоняющих пластин можно описать уравнениями:
у2 = у t2, (3.2.7)
у = a t1, (3.2.8)
t2
=
, (3.2.9)
где t2 – время движения заряженной частицы от пластин до экрана,
l2 – расстояние от пластин до экрана.
Очевидно, полное отклонение у частицы от первоначальной траектории
у = у1 + у2. (3.2.10)
Решая совместно уравнения (3.2.1) – (3.2.10), получим
у
=
(
l1
+ l2
). (3.2.11)
Ускоряющая разность потенциалов UA, геометрические размеры отклоняющих пластин (l1, b) и расстояние l2 от отклоняющих пластин до экрана указаны на установке.
УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ
При выполнении лабораторных работ необходимо выполнять основные правила внутреннего распорядка и техники безопасности при работе в лабораториях [5].
К работе на приборах допускаются студенты только после изучения настоящих методических указаний и получения допуска у преподавателя.
Аппаратура, оборудование и материалы
Для изучения движения электрона в электрическом поле используется установка, состоящая из осциллографической трубки, источника питания, вольтметра.
Внешний вид экспериментальной установки приведен на рис. 3.2.2.
Методика и порядок выполнения работы
Изучение движения электронов в электрическом поле проводится на осциллографической трубке 1.
Электрон, приобретя некоторую начальную скорость 0, пролетает через отклоняющие пластины (конденсатор), напряжение на которых, при «правом» положении переключателя 7, устанавливается потенциометром 8 и регистрируется по вольтметру 5.
Катушки 3, потенциометр 6 амперметр 4 при выполнении данного задания не используются.
Отклонение электронного луча от прямолинейной траектории фиксируется по экрану осциллографической трубки.
Содержание отчета и его форма
Отчет по лабораторной работе оформляется в соответствии c формой, приведенной в приложении 1.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
По какой траектории движется заряд в магнитном поле при произвольном направлении начальной скорости?
При каком условии заряженная частица, влетев в скрещенные электрическое и магнитное поля, будет двигаться равномерно и прямолинейно?
Как будет двигаться заряженная частица, влетев параллельно силовым линиям электрического поля?
Список рекомендуемой литературы
[1] – [5]