電子束的偏轉(zhuǎn)與聚焦實驗報告

1、物理實驗報告一、實驗名稱：電子束的偏轉(zhuǎn)與聚焦現(xiàn)象班級： 黃昆班13 實驗日期：2015年5月12日 姓名： 楊巧林 學(xué) 號： 41340072 二、實驗?zāi)康?、研究帶電粒子在電場和磁場中偏轉(zhuǎn)和聚焦的規(guī)律；2、了解電子束線管的結(jié)構(gòu)和工作原理。三、實驗原理 1】電子束的產(chǎn)生和控制如圖，電子示波管的結(jié)構(gòu)示意圖： 2、電偏轉(zhuǎn)原理圖2在示波管中，電子從被加熱的陰極K逸出后，由于受到陽極電場的加速作用，使電子獲得沿示波管軸向的動能。電子經(jīng)過電勢差為U的空間后，電場力做的功eU應(yīng)等于電子獲得的動能 若在電子運動的垂直方向加一橫向電場，電子在該電場作用下將發(fā)生橫向偏轉(zhuǎn)，如圖2所示。若偏轉(zhuǎn)板板長為l、偏轉(zhuǎn)板末端

2、到屏的距離為L、偏轉(zhuǎn)電極間距離為d、軸向加速電壓（即第二陽極A2電壓）為U2，橫向偏轉(zhuǎn)電壓為Ud，則熒光屏上光點的橫向偏轉(zhuǎn)量D由下式給出： 在單位偏轉(zhuǎn)電壓的作用下，電子束在熒光屏上偏離軸向的距離DE/Ud稱為電偏轉(zhuǎn)靈敏度。圖3B3、磁偏轉(zhuǎn)原理電子通過A2后，若在垂直Z軸的X方向外加一個均勻磁場，那么以速度v飛越子電子在Y方向上也會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖所示。由于電子受洛倫茲力F=eBv作用，F(xiàn)的大小不變，方向與速度方向垂直，因此電子在F的作用下做勻速圓周運動，洛倫茲力就是向心力，即有eBv=mv2/R，所以R=mv/eB電子離開磁場后將沿圓切線方向飛出，直射到達(dá)熒光屏。在偏轉(zhuǎn)角較小的情況下，偏轉(zhuǎn)量：

3、在單位偏轉(zhuǎn)線圈激勵電流的作用下，電子束在熒光屏上偏離軸向的距離Dm/I稱為磁偏轉(zhuǎn)靈敏度。4、電聚焦原理電子聚焦的基本思路在于利用非均勻的電場使電子束加速電場使電子束形成交叉點。電極的電壓比陰極電位高幾百伏至上千伏。前加速陽極，聚焦陽極和第二陽極是由同軸的金屬圓筒組成。由于各電極上的電壓不同，在它們之間形成了彎曲的等勢面、電場線。這樣就使電子束的路徑發(fā)生彎曲，這類似光線通過透鏡那樣產(chǎn)生了會聚和發(fā)散，這種電器組合稱為電子透鏡。改變電極間的電壓分布，可以改變等勢面的彎曲程度，從而達(dá)到電子束的聚焦。5、磁聚焦原理在陽極加速電壓UZ的作用下，電子束中各個電子獲得軸向的運動速度為 式中，e，m分別為電子電

4、荷量和質(zhì)量。若在一對偏轉(zhuǎn)極板Y上加一個幅值不大的交變電壓，則電子流通過Y后就獲得一個與管軸垂直分量，電子軸向速度分量v/不變，則電子在磁場的洛倫茲力F的作用下（該力與垂直），在垂直于軸線的平面上作圓周運動，即該力起著向心力的作用，F(xiàn)=eB=m/R，越大軌道半徑亦越大，電子運動一周所需要的時間（即周期）為 考慮v/的存在，電子的運動軌跡應(yīng)為一螺旋線。在一個周期內(nèi)，電子前進(jìn)距離（稱螺距）為。 由于不同時刻電子速度的垂直分量度不同，故在磁場的作用下，各電子將沿不同半徑的螺線前進(jìn)。然而，由于他們速度的平行分量v/均相同，所以電子在做螺線運動時，它們從同一點出發(fā)，盡管各個電子的各不相同，但經(jīng)過一個周期后

5、，它們又會在距離出發(fā)點相距一個螺距的地方重新相遇，這就是磁聚焦的基本原理。三、實驗儀器DZS-B電子束實驗儀、WYT-2B直流穩(wěn)壓電源、萬用表四、實驗步驟1】電偏轉(zhuǎn)的觀測 1.1開啟電子束實驗儀電源開關(guān)，將“電子束荷質(zhì)比”選擇開關(guān)打向“電子束”位置，面板上一切可調(diào)旋鈕都旋至中部，此時在熒光屏上能看到一亮斑。適當(dāng)調(diào)節(jié)輝度，并調(diào)節(jié)聚焦，使屏上光點聚成一圓點。（主：光點不能太亮，以免燒壞熒光屏） 1.2光點調(diào)零X軸調(diào)節(jié) 調(diào)節(jié)“X軸調(diào)節(jié)”和“X軸調(diào)零”旋鈕，使光點位于X軸的中心圓點，且左、右偏轉(zhuǎn)的最大距離都接近于滿格。Y軸調(diào)節(jié) 用數(shù)字萬能表電壓檔接近于“Y偏電壓表”+、兩端，緩慢調(diào)節(jié)“Y軸調(diào)節(jié)”旋鈕使

6、數(shù)字萬能表讀數(shù)為0，然后調(diào)節(jié)“Y軸調(diào)零”旋鈕使光點位于Y軸的中心原點。 1.3測量D隨Ud的變化調(diào)節(jié)陽極電壓旋鈕，取定陽極電壓UZ，用數(shù)字萬能表測出垂直偏轉(zhuǎn)電壓Ud，令Ud取不同值時，測量相應(yīng)的DE。改變UZ，重復(fù)上述操作。2】磁偏轉(zhuǎn)觀測2.1按1.1，1.2步驟調(diào)節(jié)電子束的初始狀態(tài)。2.2測量Dm隨磁偏電流I的變化調(diào)節(jié)陽極電壓旋鈕，取定陽極電壓UZ，用萬能表磁偏電流I，令I(lǐng)取不同值時，測量相應(yīng)的Dm。改變UZ，重復(fù)上述操作。3】電聚焦觀測3.1按1.1，1.2步驟調(diào)節(jié)電子束的初始狀態(tài)。3.2調(diào)節(jié)陽極電壓取不同的值，調(diào)節(jié)聚焦旋鈕使光點打到最佳的聚焦效果，測量出對應(yīng)的聚焦電壓U1。4】磁聚焦觀測

7、4.1將直流穩(wěn)壓源的勵磁電流輸出端接到電子束實驗儀的勵磁電源接線柱上4.2開啟相應(yīng)開關(guān)，適當(dāng)調(diào)節(jié)儀器使得熒光屏上出現(xiàn)一個大光斑。4.3開啟直流穩(wěn)壓源，逐漸加大勵磁電流使熒光屏上的光斑逐漸變小，直到變成一個小亮點，記錄此時的電流值。（一次聚焦）4.4改變陽極電壓，重復(fù)步驟4.4五、數(shù)據(jù)處理與分析1、電偏轉(zhuǎn)規(guī)律實驗數(shù)據(jù)讓如表（1）：1.1當(dāng)陽極電壓700V時的DVd圖像如圖 如圖可知斜率為-0.23921cm/v=電偏轉(zhuǎn)靈敏度擬合曲線關(guān)系為：D= -0.23921Vd - 0.100491.2當(dāng)陽極電壓750V時的DVd圖像如圖:如圖可知斜率為-0.22338cm/v=電偏轉(zhuǎn)靈敏度擬合曲線關(guān)系為：

8、D= -0.22338Vd - 0.0527391.3當(dāng)陽極電壓800V時的DVd圖像如圖:如圖可知斜率為-0.21111cm/v=電偏轉(zhuǎn)靈敏度擬合曲線關(guān)系為：D= -0.21111Vd - 0.865541.4當(dāng)陽極電壓900V時的DVd圖像如圖:如圖可知斜率為-0.18671cm/v=電偏轉(zhuǎn)靈敏度擬合曲線關(guān)系為：D= -0.18671Vd - 0.0126451.5當(dāng)陽極電壓1000V時的DVd圖像如圖:如圖可知斜率為-0.16825cm/v=電偏轉(zhuǎn)靈敏度擬合曲線關(guān)系D= -0.16825Vd+0.0360371.6得出結(jié)論陽極電壓越高，曲線的斜率絕對值越小即電偏轉(zhuǎn)靈敏度減小。規(guī)律：分析表

9、（1）中的實驗數(shù)據(jù)以及上述曲線圖可知，當(dāng)陽極電壓Uz保持不變時，偏轉(zhuǎn)距離De隨偏轉(zhuǎn)電壓Ud的增大而減??；當(dāng)偏轉(zhuǎn)電壓Ud保持不變時，偏轉(zhuǎn)距離De隨陽極電壓Uz的增大而增大。2、磁偏轉(zhuǎn)實驗數(shù)據(jù)讓如表（2）：2.1當(dāng)陽極電壓700V時的DI圖像如圖:如圖可知斜率為0.056677cm/mA=磁偏轉(zhuǎn)靈敏度擬合曲線關(guān)系D=0.056677*I-0.110912.2當(dāng)陽極電壓800V時的DI圖像如圖:如圖可知斜率為0.055987cm/mA=磁偏轉(zhuǎn)靈敏度擬合曲線關(guān)系D=0.055987*I-0.253522.3當(dāng)陽極電壓900V時的DI圖像如圖:如圖可知斜率為0.052039cm/mA=磁偏轉(zhuǎn)靈敏度擬合曲

10、線關(guān)系D=0.052039*I-0.016932.4當(dāng)陽極電壓1000V時的DI圖像如圖:如圖可知斜率為0.049377cm/mA=磁偏轉(zhuǎn)靈敏度擬合曲線關(guān)系D=2.5得出結(jié)論陽極電壓越高，曲線的斜率越小即磁偏轉(zhuǎn)靈敏度減小。規(guī)律：分析表（1）中的實驗數(shù)據(jù)以及上述曲線圖可知，當(dāng)陽極電壓Uz保持不變時，偏轉(zhuǎn)距離De隨磁偏轉(zhuǎn)電流I的增大而增大；當(dāng)磁偏轉(zhuǎn)電流I保持不變時，偏轉(zhuǎn)距離De隨陽極電壓Uz的增大而減小。3、電聚焦觀測實驗數(shù)據(jù)如下所示：Uz/V7008009001000U1/V102119131144繪制UzU1曲線圖如下：由圖形可知Uz與U1滿足線性關(guān)系。4、 磁聚焦觀測實驗數(shù)據(jù)如下：Uz/V6

11、007008009001000I/A-1.411.601.651.741.9+1.471.511.621.701.86平均值1.441.5551.6351.721.88六、分析討論與總結(jié)1】實驗結(jié)論：1.1當(dāng)陽極電壓Uz保持不變時，偏轉(zhuǎn)距離De隨偏轉(zhuǎn)電壓Ud的增大而減??；當(dāng)偏轉(zhuǎn)電壓Ud保持不變時，偏轉(zhuǎn)距離De隨陽極電壓Uz的增大而增大。1.2當(dāng)陽極電壓Uz保持不變時，偏轉(zhuǎn)距離De隨磁偏轉(zhuǎn)電流I的增大而增大；當(dāng)磁偏轉(zhuǎn)電流I保持不變時，偏轉(zhuǎn)距離De隨陽極電壓Uz的增大而減小。1.3Uz與U1滿足線性關(guān)系，且近視線性關(guān)系為Uz=7.2025*U1-43.11061.4由實驗分析知電子的荷質(zhì)比為1.3

12、78*1011C/kg，與理論值1.76*1011C/kg有較大的差距，相對誤差約為22%。2】誤差分析：2.1測量荷質(zhì)比的實驗中：（1）螺距的測量起點隨不同的加速電壓而變化；（2）儀器的精度（3）人為因素對聚焦?fàn)顟B(tài)的判斷；（4）示波管中不可能絕對的真空，會影響u的取值；（5）地磁場對測量結(jié)果有影響。2.2實驗沒有考慮螺線管磁場的邊緣效應(yīng)對實驗的影響。2.3實驗儀器誤差。3】思考題：3.1在測量荷質(zhì)比時，地磁場對測量結(jié)果有影響嗎？如果有，能否消除或?qū)⑵溆绊憸p至最??？答：由于地球也存在磁場，電子的質(zhì)量非常小，因此地磁場對測量結(jié)果有影響。本實驗是通過從兩個方向旋轉(zhuǎn)取平均值來消除地磁場的影響。3.2電子束偏轉(zhuǎn)與聚焦實驗中，偏轉(zhuǎn)量的大小與光點的亮度是否有關(guān)?為什么?答：有關(guān)，偏轉(zhuǎn)量會影響聚焦大小