【摘 要】將演示實驗電子荷質(zhì)比只能手動測量荷值比改造為基礎(chǔ)物理實驗，不僅能手動測量電子荷值比、還能自動測量電子荷值比、測量電子束在電場中的偏轉(zhuǎn)、展示示波器功能等內(nèi)容，擴展了實驗內(nèi)容，增加實驗測量的手段，改進實驗教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生多種分析問題和處理問題的能力。
【關(guān)鍵詞】電偏轉(zhuǎn);電子荷質(zhì)比;自動測量;湯姆遜管
中圖分類號： O441;O4-33 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457(2019)27-0085-003
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.27.036
《湖南電力》(雙月刊)創(chuàng)刊于1981年，由湖南省電力公司試驗研究院、湖南省電機工程學(xué)會辦。是國內(nèi)電力科技期刊中內(nèi)容豐富、傳播面廣、權(quán)威可靠的學(xué)術(shù)性與技術(shù)性相結(jié)合的行業(yè)主導(dǎo)性刊物，讀、作者遍及全國，包括發(fā)、供電企業(yè)、輸變電企業(yè)、科研院所、大專院校、生產(chǎn)廠家等。
1 原理概述
當(dāng)一個電荷以速度v垂直進入均勻磁場時，電子要受到洛倫茲力的作用，它的大小可由公式1： 力F等于電荷e乘以速度v乘以磁場B(F=e·v×B)所決定，由于力的方向是垂直于速度的方向，如圖1所示，則電子的運動的軌跡是一個圓，力的方向指向圓心，完全符合圓周運動的規(guī)律，所以作用力與速度又有公式2：力F等于電子質(zhì)量m乘以速度v的平方除以半徑r(F=m·v·v/r)。
圖1 電子在磁場中運動情況圖
其中r是電子運動軌跡圓周的半徑，由于洛倫茲力就是使電子作圓周運動的向心力，因此由公式1力F等于公式2的力F，由公式轉(zhuǎn)換可得：電荷除以質(zhì)量等于速度除以半徑r與磁場B乘積，即e/m=v/(r·B)。
實驗裝置的湯姆遜管是由一個電子槍，在加速電壓U的驅(qū)使下，射出電子流，因此eU全部轉(zhuǎn)變成電子的輸出動能，因此又有：e·u= m·v·v/r通過上面兩個公式可得：e/m=2uv/[(r·B)·(r·B)]實驗中可采取固定加速電壓U，通過改變不同的偏轉(zhuǎn)電流，產(chǎn)生出不同的磁場，進而測量出電子束的運動軌跡圓半徑r， 就能測試出電子的荷質(zhì)比e/m。調(diào)整管子的電子槍，使電子流與磁場嚴格保持垂直，產(chǎn)生完全封閉的圓形電子軌跡。按照亥姆茲線圈產(chǎn)生磁場的原理：B=K·I 其中K為磁電變換系數(shù)，可表達為：
其中μ0是真空導(dǎo)磁率，等于4π×10-7，R為亥姆霍茲線圈的平均半徑，N為單個線圈的匝數(shù)，由廠家提供的參數(shù)可知R=158mm，N=130匝，因此求e/m公式可以改寫成：
2 實驗設(shè)計
原電子荷質(zhì)比實驗儀只是一個演示實驗，是由杭州博源光電公司生產(chǎn)的設(shè)備，如下圖2所示，學(xué)生只能通過人眼看標(biāo)尺刻度值讀取湯姆遜管中電子束園直徑大小，然后根據(jù)所加勵磁電流、加速電壓計算出電子荷值比，測量誤差較大，實驗一個多小時就完成了，學(xué)校要求的教學(xué)實驗為4個學(xué)時即3個多小時。為此我們利用其原理將圖2的實驗設(shè)計為圖3實驗并且用于基礎(chǔ)物理實驗的教學(xué)，增加了一臺電壓源、一個850數(shù)據(jù)采集器、一個攝像頭、一臺微型計算機和安裝了Pasco Capstone軟件，用Pasco Capstone軟件、850數(shù)據(jù)采集器、攝像頭和計算機輔助自動測量電子束園半徑大小，只要代入電子束園半徑大小、所加勵磁電流和加速電壓就可以得到電子荷值比及誤差百分比，同時增加了電子束在電場中的偏轉(zhuǎn)、通過實驗完成模擬示波器的功能等內(nèi)容，實驗的趣味性增強了，學(xué)生興趣濃，收到了很好的實驗效果，如圖3所示。具體做法如下：
2.1 增加電子束在電場中的偏轉(zhuǎn)(即電偏轉(zhuǎn))功能
在圖2的基礎(chǔ)上增加一個BEM-5002型直流電壓源，然后用量角器和刻度尺手動測量電偏轉(zhuǎn)高度，也可以再增加850數(shù)據(jù)采集器、攝像頭以及用Pasco Capstone軟件和計算機輔助測量電偏轉(zhuǎn)，兩種方法后一種更準確。步驟是按要求連接導(dǎo)線，在原手動測電子荷質(zhì)比的實驗設(shè)備基礎(chǔ)上加的6.3VAC燈絲電壓和0-120-150V加速電壓不變，0-3.5A勵磁電流不用連接到亥姆霍茲線圈或者勵磁電流調(diào)為0。打開電源，耐心地等待，直到湯姆孫管電子槍射出翠綠色的電子束。連接增加的直流電源上的直流加速電壓(量程為0-200VDC)到底座的“Deflection Plates(Upper and Lower)”上，如圖3所示。先不要調(diào)節(jié)電壓，直接觀察電子束的偏轉(zhuǎn)及其偏轉(zhuǎn)的方向，然后慢慢增加電壓值，觀察電子束的偏轉(zhuǎn)及其偏轉(zhuǎn)的方向，所加偏轉(zhuǎn)電壓Vd，電子束到設(shè)定的X軸距離Vd，如下表1和下圖4所示，可計算電子束偏轉(zhuǎn)的情況，作出擬合曲線。也可以在湯姆孫管中直接觀察電子束在電場中的偏轉(zhuǎn)(電偏轉(zhuǎn))。
2.2 模擬示波器功能實現(xiàn)
在圖2的基礎(chǔ)上，連接PASCO的850數(shù)據(jù)采集器和微型計算機，在計算機上安裝PASCO Capstore軟件，從850數(shù)據(jù)采集器信號輸出端輸出1～4HZ的正弦信號到湯姆遜管底座的“Deflection Plates (Upper and Lower)” 兩個輸入端口上，電子束加速電壓不小于80伏，可以看到電子束上下振動，振動頻率為850數(shù)據(jù)采集器所加正弦信號頻率。改變頻率和信號類型可以完成模擬示波器的另外的一些功能，利用Capstore軟件和攝像頭等還可以將電子束振動情況還原為正弦波。加深學(xué)生對模擬示波器原理的認識。
2.3 自動測量電子荷值比實現(xiàn)
調(diào)節(jié)加速電壓，使得電子束為聚焦和最明亮(100-120V左右)，繼續(xù)增加勵磁電流，直到電子束形成一個封閉的圓，(如果加速電壓太高或偏轉(zhuǎn)電流太大，都容易引起電子束散焦。)將較高倍數(shù)的攝像頭接入計算機USB口，攝像頭對準湯姆遜管電子束圓環(huán)和刻度尺，運行計算機上電子荷質(zhì)比模板Capstore軟件，攝像頭選取1920×1080分辨率。把標(biāo)準尺子豎著放在與電子束同一平面的位置旁邊。調(diào)整攝像頭畫面直至電子束圈和尺子都在畫面中間如圖5。從實驗視頻中選取刻度尺的長度作為電子束圓環(huán)的標(biāo)尺單位長度，采用三點為一個園，獲取電子束圓環(huán)半徑值r，讀取加速電壓U和勵磁電流I，設(shè)置e/m計算公式，將U、I和獲取的R代入表格中就自動計算e/m和誤差百分比，如圖5所示，自動測量電子荷值比值誤差不超過10%，精度大大高于手動測量的值，同時也拓展了學(xué)生實驗的思路，如表2所示。
3 總結(jié)
實驗將演示實驗改造為基礎(chǔ)物理實驗并且用于我?；A(chǔ)物理實驗的教學(xué)中，還將國外PASCO 850數(shù)據(jù)采集器與國產(chǎn)設(shè)備很好結(jié)合，拓展的實驗內(nèi)容，增加實驗測量的手段，改進實驗教學(xué)方法，提高了學(xué)生多種分析問題和解決處理問題的能力。受到了師生們的歡迎。既符合我校“德才兼?zhèn)?、領(lǐng)袖氣質(zhì)、家國情懷”人才培養(yǎng)的要求。又符合教育部提出的“以本為本、四個回歸”的辦學(xué)理念。
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文章名稱：電子荷質(zhì)比實驗設(shè)計與實現(xiàn)
