3504

23 5. Ручкой П1 установите нужное напряжение на пластинах и измерьте

смещение у луча от центра экрана. Результат измерения в зависимости от направления смещения («вверх» или «вниз») запишите в табл.2.

катушках, чтобы пятно вернулось в центр экрана. Значение силы тока запишите в табл. 2.

7.Измерения, указанные в пункте 5 и 6, проведите при двух других значениях напряжения U .

8.Тумблером K1 измените полярность напряжения на пластинах и по-

вторите измерения, указанные в пунктах 5, 6 и 7.

вэлектронной пушке.

12.По формуле (9) рассчитайте значение удельного заряда электрона в

каждом опыте и среднее значение me по всем испытаниям.

13. По результатам одного из опытов рассчитайте абсолютную погрешность удельного заряда электрона

В качестве у используйте приборную погрешность шкалы на экране ос-

циллографа, в качестве U – приборную погрешность вольтметра. Погрешность В определяется по градуировочному графику по величине Iпр .

Запишите в отчет полученный доверительный интервал величины me .

24

15.В выводах

–укажите, что наблюдалось в работе;

–сравнить полученное и табличное значения me ; согласие считается хорошим, если табличное значение попадает в найденный доверительный интервал;

–указать, измерение какой величины внесло основной вклад в погрешность величины me .

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Сила Лоренца. Направление ее составляющих.

2.Зависит ли от знака заряда сила, действующая на него со стороны: а) электрического поля; б) магнитного поля?

3.Зависит ли от скорости и направления движения заряда сила, действующая на него: а) в электрическом поле; б) в магнитном поле?

4.Как движется электрон:

а) в поле между пластинами; б) слева от пластин; в) справа от пластин?

5. Отличается ли скорость электрона до и после пластин?

6.Как изменится смещение пятна на экране, если а) скорость электронов увеличить вдвое; б) анодное напряжение увеличить вдвое?

7.Изменяется ли при движении заряда в однородном магнитном поле: а) направление скорости; б) величина скорости?

8.Каким должно быть взаимное расположение однородных электрического и магнитного полей, чтобы электрон мог двигаться в них с постоянной скоростью? При каком условии возможно такое движение?

9.Какую роль в электронной пушке играют катод, модулятор, аноды?

10.Какую роль в электроннолучевой трубке играют:

а) электронная пушка; б) отклоняющие пластины; в) экран?

11.Как в установке создаются однородные поля: а) электрическое; б) магнитное?

12.Как изменяется смешение пятна на экране при изменении направления тока в катушках?

Библиографический список

1. Трофимова Т.И. Курс физики. 2000. §§ 114, 115.

25

Лабораторная работа № 4 (28)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА С ПОМОЩЬЮ ИНДИКАТОРНОЙ ЛАМПЫ

Цель работы: изучение закономерностей движения заряженных частиц в электрическом и магнитном полях; определение удельного заряда электрона.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МИНИМУМ

Магнитная индукция (смотрите с. 4) Сила Лоренца (смотрите с. 17)

Движение заряженных частиц в магнитном поле (смотрите с. 18) Удельный заряд электрона (смотрите с. 19)

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В работе удельный заряд me электрона определяется путем наблюдения

движения электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях. Электрическое поле создается в пространстве между анодом и катодом

вакуумной электронной лампы. Катод К расположен по оси цилиндрического анода А (рис.1), между ними приложено анодное напряжение Ua . На рис. 2 по-

казано сечение лампы плоскостью XOY . Как видим, напряженность электрического поля Er имеет радиальное направление. Лампа расположена в центре соленоида (катушки), создающего однородное магнитное поле, вектор индукции Br которого параллелен оси лампы.

На электроны, выходящие из катода благодаря термоэлектронной эмиссии, со стороны электрического поля действует электрическая составляющая силы Лоренца FЭ = eE , которая ускоряет электроны к аноду. Со стороны маг-

нитного поля действует магнитная составляющая силы Лоренца FM =e[vr×B] ,

которая направлена перпендикулярно скорости v электрона (рис. 2), поэтому его траектория искривляется.

26

На рис. 3 показаны траектории электронов в лампе при различных значениях индукции В магнитного поля. В отсутствии магнитного поля (В = 0) траектория электрона прямолинейна и направлена вдоль радиуса. При слабом поле траектория несколько искривляется. При некотором значении индукции B = B0 траектория искривляется настолько, что касается анода. При достаточно сильном поле ( B > B0 ) электрон вовсе не попадает на анод и возвращается к катоду.

В случае B = B0 можно считать, что электрон движется по окружности радиусом r =ra / 2 , где ra - радиус анода. Сила FM =evB создает нормальное (центростремительное) ускорение, поэтому согласно основному закону динамики поступательного движения

Скорость движения электрона можно найти из условия, что кинетическая энергия электрона равна работе сил электрического поля на пути электрона от като-

да к аноду mv2 2 = eU a , откуда

27

Подставив это значение для скорости v в уравнение (1) и учитывая, что r = ra / 2 , получим выражение для удельного заряда электрона

Формула (3) позволяет вычислить величину me , если при заданном значении анодного напряжения Ua найти такое значение магнитной индукции Bo , при котором траектория электрона касается поверхности анода.

Для наблюдения траектории электронов используется индикаторная лампа (рис. 4). Катод К расположен по оси цилиндрического анода А. Катод разогревается нитью накала. Между катодом и анодом находится экран Э, имеющий форму конической поверхности. Экран покрыт слоем люминофора, который

светится при попадании на него электронов. Параллельно оси лампы вблизи катода расположена тонкая проволочка – усик У, соединенный с анодом. Проходящие вблизи усика электроны захватываются им, поэтому на экране образуется тень (рис. 5). Граница тени соответствует траектории электронов в лампе.

Лампа помещена в центре соленоида, создающего магнитное поле, вектор индукции Br которого направлен вдоль оси лампы. Соленоид 1 и лампа 2 смонтированы на стенде (рис. 6). Расположенные на панели клеммы соединены с обмоткой соленоида, с нитью накала катода, с катодом и анодом лампы. Питание соленоида осуществляется от выпрямителя 3. Источником анодного напряжения и напряжения накала катода служит выпрямитель 4. Сила тока в соленоиде измеряется с помощью амперметра А, анодное напряжение Ua измеряется вольтметром V. Переключатель Р позволяет изменять направление тока в обмотке соленоида.

28

Магнитная индукция в центре соленоида, а следовательно, внутри индикаторной лампы определяется соотношением

где μ0 = 1,26·10 – 6 Гн/м - магнитная постоянная; I - сила тока в соленоиде; N - число витков, R - радиус, l - длина соленоида. Подставляя это значение В в выражение (3), получим формулу для определения удельного заряда электрона

где Io - значение силы тока в соленоиде, при котором траектория электронов касается внешнего края экрана.

Учитывая, что практически измеряются Ua и I0 , а величины N, R, l, ra являются параметрами установки, из формулы (5) получаем расчетную формулу для определения удельного заряда электрона

29

Приборы и принадлежности: лабораторный стенд с индикаторной лампой, соленоидом, амперметром и вольтметром; два выпрямителя.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Заполните табл. 1 характеристик амперметра и вольтметра.

2.Проверьте правильность подключения проводов согласно рис. 6. Регулировочные ручки выпрямителей выведите в крайнее левое положение.

3.Запишите в отчет параметры, указанные на установке: число витков N, длину l и радиус R соленоида. Радиус анода ra = 1,2 см.

4.Запишите в табл. 2 результаты измерений значения Ua , заданные преподавателем или вариантом индивидуального задания.

1

2

3

5.Включите выпрямители в сеть ~220 В. Через несколько минут, после прогрева катода лампы, установите с помощью регулировочной ручки выпрямителя 4 необходимое значение напряжения Ua . При этом экран лампы начинает светиться.

6.Постепенно увеличивайте силу тока I в соленоиде с помощью регулировочной ручки выпрямителя 3 и наблюдайте искривление траектории электронов. Подберите и запишите в табл. 2 такое значение силы тока Io1 , при котором траектория электронов касается внешнего края экрана.

30

7.Уменьшите ток в соленоиде до нуля. Переведите переключатель Р в другое положение, изменив тем самым направление тока в соленоиде на противоположное. Подберите и запишите в табл. 2 такое значение силы тока Io2 , при котором траектория электронов снова касается внешнего края экрана.

8.Измерения, указанные в пунктах 5-7, проведите еще при двух значениях анодного напряжения U a .

9.Для каждого значения анодного напряжения вычислите и запишите в табл. 2 средние значения силы тока Io =( Io1 + Io2 ) / 2 .

10.По формуле (7) вычислите постоянную А установки и результат запишите в отчет.

11.Используя значение А и среднее значение Io , рассчитайте по формуле (6)

удельный заряд те для каждого значения Ua . Результаты вычислений за-

пишите в табл. 2.

12.Рассчитайте и запишите в отчет среднее значение те .

13.По результатам одного из опытов рассчитайте абсолютную погрешность

Здесь U a – приборная погрешность вольтметра. В качестве погрешности силы тока Io выберете наибольшую из двух погрешностей: случайной погрешности I 0сл = Io1 −Io2 2 и приборной погрешность амперметра Iпр (см. таблицу характеристик приборов). Погрешности ra , l , R опреде-

ляются как погрешности величин, заданных численно.

14. Окончательный результат определения удельного заряда электрона запи-