- •Самарская государственная академия путей сообщения
- •Определение отношения заряда электрона к его массе методом магнетрона
- •3. Приборы и принадлежности
- •4. Порядок выполнения работы
- •5. Контрольные вопросы
- •Снятие кривой намагничивания и петли гистерезиса с помощью осциллографа
- •3. Приборы и принадлежности
- •4. Порядок выполнения работы
- •5. Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 23 Определение работы выхода электронов из металла
- •Приборы и принадлежности
- •5. Контрольные вопросы
- •Изучение явления взаимной индукции
- •1. Теоретическое введение
- •Описание методики измерений
- •Приборы и принадлежности
- •Порядок выполнения работы
- •Приложение к лабораторной работе № 24
- •Порядок работы
- •Исследование затухающих колебаний в колебательном контуре
- •Подставив последние выражения в (1), получим
- •4. Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Изучение вынужденных колебаний в колебательном контуре
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
Министерство путей сообщения Российской Федерации
Департамент кадров и учебных заведений
Самарская государственная академия путей сообщения
Кафедра физики и экологической теплофизики
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к выполнению лабораторных работ по дисциплине
«ФИЗИКА. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО»
для студентов всех специальностей
дневной и заочной форм обучения
Составители: Жмур Л.Е.
Рящиков А.С.
Стрыгин Ю.Ф.
САМАРА 2004
УДК 537
Методические указанияк выполнению лабораторных работ по дисциплине «Физика. Электричество» для студентов всех специальностей дневной и заочной форм обучения / Составители: Л.Е. Жмур, А.С. Рящиков, Ю.Ф. Стрыгин. – Самара: СамГАПС, 2004- 31 c.
Утверждены на заседании кафедры «Физика и ЭТ» 26 июня 2003 г, протокол № 10.
Печатается по решению редакционно-издательского совета академии.
Приведены методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов по рассматриваемой дисциплине.
В методических указаниях приведены необходимые теоретические сведения по разделу «Электричество», даны схемы и описания лабораторных установок, порядок проведения исследований и контрольные вопросы для самостоятельной подготовки студентов.
Составители: Жмур Леонид Емельянович,
Рящиков Александр Сергеевич,
Стрыгин Юрий Федорович
Рецензенты: к.т.н., профессор Гуменников Валерий Борисович, СамГАПС;
д.ф.-м.н., профессор Кононенко Вадим Степанович СамГТУ.
Редактор: И.М. Егорова
Компьютерная верстка: А.А. Егоров
Подписано в печать 29.09.04.Формат 6090 1/16.
Бумага писчая. Печать оперативная. Усл. п. л. 2,0.
Тираж 700 экз. Заказ №135.
©Самарская государственная академия путей сообщения, 2004
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 20
Определение отношения заряда электрона к его массе методом магнетрона
Цель работы: изучение движения электронов в электрических и магнитных полях; ознакомление с методами измерения параметров элементарных частиц.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ
Масса и заряд микрочастиц являются основными величинами, определяющими их свойства. Эти величины можно определить, изучая движение таких частиц в электрических и магнитных полях.
Д
Рис.
1
Для создания внутри электронной лампы однородного магнитного поля ее помещают в достаточно длинный соленоид С (рис. 2). Электронная лампа вместе с соленоидом представляет собой прибор, который называется магнетроном.
Рис.
2
Значение индукции магнитного поля в соленоиде вычисляется по формуле
(1)
где п - число витков на единицу длины соленоида,
- магнитная проницаемость среды внутри соленоида (для воздуха считать = 1),
0 = 4·10-7 Гн/м - магнитная постоянная.
На электроны, движущиеся от катода к аноду, действуют электрическое и магнитное поля.
Действие электрического поля на электрон. Рассмотрим только те электроны, которые покидают катод со скоростями, близкими к нулю. Тогда можно считать, что скорость v, приобретенная электроном под действием сил электрического поля, направлена вдоль радиуса цилиндрического анода А. Скорость каждого электрона, движущегося от катода к аноду, под действием сил электрического поля увеличивается. Для описанной электронной лампы расчет показывает, что напряженность электрического поля имеет заметную величину только вблизи катода. Поэтому можно считать, что электроны почти всю свою скорость приобретают в области, близкой к катоду. Дальнейшее их движение к аноду происходит с почти постоянной по величине скоростью.
Скорость электронов можно определить из условия, что работа сил электрического поля по перемещению электрона от катода к аноду, равная eUa, идет на приращение кинетической энергии электрона. Для электронов, испускаемых нагретым катодом с начальной скоростью равной нулю, получаем:
. (2)
Здесь е - заряд электрона, а m – его масса.
Из выражения (2) следует, что скорость, с которой электрон подходит к аноду
. (3)
Опыт показывает, что магнитное поле действует на отдельные движущиеся электрические заряды. Сила, действующая на электрический заряд Q, движущийся в магнитном поле со скоростью v, называется силой Лоренца, которая определяется выражением:
Fл = QvB,
где В – вектор индукция магнитного поля, в котором движется
заряд.
Величина этой силы для электрона вычисляется по формуле
, (4)
где B – модуль индукции магнитного поля внутри соленоида,
Рис.
3
. (5).
Направление силы Лоренца для положительного заряда определяется с помощью правила левой руки (рис. 3).
Если ладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входил вектор В, а четыре вытянутых пальца направить вдоль вектора скорости v положительного заряда, то отогнутый большой палец покажет направление силы, действующей на заряд.
Сила Лоренца, действующая на отрицательный заряд, в частности на электрон, будет направлена в противоположную сторону.
Е
Рис.
4
F = QE+QvB.
Иногда эту силу также называют силой Лоренца, но мы этого делать не будем.
С
Рис.
5
Графически зависимость силы анодного тока Ia от силы тока в соленоиде Ic представлена на рис. 5. Пока Ic изменяется от нуля до I0, траектория электронов искривляется, но все они достигают анода (рис. 4). Поэтому анодный ток не изменяется. При силе тока в соленоиде равном I0, который соответствует индукции магнитного поля в соленоиде В0, анодный ток начинает уменьшаться за счет электронов, которые покидают катод со скоростью равной нулю и не доходят до анода. При дальнейшем увеличении силы тока в соленоиде до анода не доходят электроны, имеющие различную начальную скорость. Поэтому при увеличении магнитного поля анодный ток продолжает уменьшаться.
Под действием силы Лоренца электрон получает нормальное ускорение v2/r, где r- радиус кривизны траектории электрона. По второму закону Ньютона связь между массой электрона m, его ускорением и силой Fл для рассматриваемого случая выражается равенством:
. (6)
Из равенства (6) имеем:
. (7)
Из формул (2) и (7) получим выражение для отношения заряда электрона к его массе:
. (8)
При силе тока в соленоиде равном I0 индукция магнитного поля в соленоиде
B = В0, а r = R/2.
Подставляя в формулу (8) значения r = R/2 и В =B00nI0, получим
. (9)
Описание методики измерений
Основой лабораторной установки является модуль ФПЭ–03, в котором находится магнетрон (электронная лампа в соленоиде). На передней панели модуля изображена упрощенная принципиальная электрическая схема и установлены гнезда РА для подключения прибора, измеряющего анодный ток лампы. Там же установлен амперметр для измерения силы тока в соленоиде и вольтметр для измерения анодного напряжения. Источник питания подключается к модулю ФПЭ–03 кабелем с соответствующими разъемами. На задней панели установлены разъем для подвода питания и клемма заземления.
Принцип работы модуля ФПЭ–03 заключается в измерении анодного тока лампы, помещенной в магнитное поле соленоида. Ток в соленоиде изменяется ручкой с надписью 2,5…25 В. При этом переключатель, расположенный рядом, нужно направить в сторону этой ручки. Ток накала устанавливается ручкой с надписью 2,5 – 4,5 В.
Параметры лабораторной установки, необходимые для выполнения работы:
1) Средний радиус анода лампы магнетрона R, мм 3.
2)Длина соленоида l, мм 120.
3)Число витков соленоида N 2800.