Fizika_Laboratornye_raboty / 45

КАЗАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

____________________________________________________________

Кафедра физики

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ФИЗИКЕ

для студентов специальностей

2903, 2906, 2907, 2908, 2910

Лабораторная работа № 45

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА

Казань - 1997

1

Составитель: В. В. Алексеев

УДК 539.15

Методические указания к лабораторным работам по физике для студентов дневного и заочного отделений специальностей 2903, 2906, 2907, 2908, 2910/ Казанская государственная архитектурно-строительная академия; Составитель В. В. Алексеев. Под редакцией Л. И. Маклакова. Казань, 1997 г. 10 с.

В работе рассмотрены вопросы движения заряженных частиц в электри- ческом и магнитном полях. Приведена экспериментальная установка.

Илл. 6.

Рецензент профессор кафедры общей физики Казанского госуниверситета Фишман А.И.

ã Казанская государственная архитектурно-строительная академия, 1997 г.

2

нии индукции магнитного поля (α = 0 или α = π, тогда sin α = 0). Формулу (2) можно за-

вой. Рассмотрим движение заряженной частицы в однородном магнитном поле ( B = const). Пусть положительно заряженная частица массой m и зарядом q влетает в такое поле со скоростью υ , направленной перпендикулярно к вектору B индук- ции магнитного поля, т.е. α = 90° (рис. 2). В этом случае на частицу действует только магнитная сила Fm , которая сообщает ей нормальное ускорение an , так как сила перпендикулярна к скорости. Согласно второму закону Ньютона, учиты-

Так как сила Fm перпендикулярна к υ , то модуль скорости остаётся постоян-

ным, а изменяется только её направление. К тому же модуль вектора B также постоянен. Поэтому из (6) следует, что радиус кривизны является постоянной величиной (R = const), поскольку все величины постоянные. Следовательно, 4

ной горизонтальной шкалой, которая может перемещаться во взаимно перпендику- лярных направлениях. Перед экраном на подставке укреплены потенциометр П и вольтметр, измеряющий напряжение U между катодом К и анодом Ан электронной пушки (рис. 5). Изменение анодного напряжения U осуществляется перемещением ручки потенциометра П.

Напряжение на катушки, создающих однородное магнитное поле, подаётся от источника постоянного тока. Газоразрядная трубка наполнена водородом под низким давлением. Пучок электронов, вылетающих из электронной пушки, на своём пути вызывает свечение атомов водорода, вследствие чего он стано- вится видимым.

Выясним, от чего зависит скорость электронов, вылетающих из электронной пушки. Электроны ускоряются в электрическом поле до определённой скорости, определяемой напряжением U между катодом К и анодом Ан. Работа А, совер-

шаемая электрическим полем при перемещении электрона между указанными электродами, равна:

где q — заряд электрона. За счёт этой работы происходит увеличение кинетиче- ской энергии электрона от начального значения Wk1, которую можно считать равной нулю, до конечного Wk2. Согласно теореме о кинетической энергии, за-

1

2

3

4

К

Ан

Рис. 5

1 — газоразрядная трубка, 2 — катушки, 3 — пучок электронов, 4 —

электронная пушка

6

пишем:

Обозначим конечную скорость электрона через υ. Тогда Wk2 = mυ2/2, где m — мас- са электрона. С учётом этого из (8) и (9) следует, что mυ2/2 = qU. Отсюда

УДЕЛЬНЫЙ ЗАРЯД ЭЛЕКТРОНА

Из уравнения (5) можно сделать вывод, что характер движения и траектория частицы зависит не от её заряда q или массы m в отдельности, а от отношения q/m. Отношение заряда частицы к её массе называется удельным зарядом. Чем меньше удельный заряд, тем меньше ускорение и тем меньше изменяется ско-

рость.

Измеряя скорости и траектории частиц, движущихся в электрических и маг- нитных полях, определяют величину и знак удельного заряда. Таким образом можно определить удельный заряд электрона, движущегося в однородном маг- нитном поле. Из уравнений (6) и (10) находим:

Измеряя напряжение U на аноде, индукцию магнитного поля В и радиус R окружности, по которой движется электронный пучок, находим удельный заряд электрона.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Включите источники питания в сеть переменного тока напряжением 220 В. Для этого вилки сетевых шнуров вставьте в электрические розетки, и по- ставьте тумблер “СЕТЬ” на передних панелях источника тока в положение “ВКЛ” (в верхнее положение).

2.Дайте прогреться прибору в течение 5 — 10 минут.

Задание 1.

Наблюдение движения электронного пучка в однородном магнитном поле.

Поставьте рычаг поворотного устройства газоразрядной трубки в положение 90є (рычаг расположен слева от защитного экрана в прорези в нём). В этом случае

вектор магнитной индукции составляет с направлением электронного пучка угол 90є. Установите на аноде электронной пушки любое напряжение в интервале от 90 до 150 В (цена одного деления 6 В). Изменяя напряжение на аноде, наблюдайте изменение радиуса окружности, по которой движется пучок электронов. Повора- чивая газоразрядную трубку за рычаг поворотного, убедитесь в движении элек- тронного пучка по винтовой линии.

Задание 2.

7

Задание 3.

Определение погрешности измерения удельного заряда электрона

Относительная погрешность e = D(q/m)/(q/m)изм находится по формуле

e = (DU /U )2 + 2(DR / R)2 ,

где DU и DR — абсолютные погрешности при измерении анодного напряжения и

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Как вычисляется магнитная сила? Каково правило нахождения направ- ления этой силы?

2.Запишите выражение силы Лоренца.

3.Выведите формулу радиуса окружности при движении электронов в од- нородном магнитном поле, перпендикулярном к скорости.

4.Какова траектория движения электрона, влетающего в однородное маг- нитное поле под углом к полю, отличным от 90є? Почему?

5.В каких единицах в системе СИ измеряется удельный заряд частицы?

8