專利名稱：電子荷質比實驗儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是一種能讓高中學生接觸一些近代物理內容的實驗教學儀器，既可用于學生分組實驗測量物理學中的一個重要常數(shù)－－電子荷質比；又可用組織學生輪流觀察的方法演示洛侖茲力對運動電子的影響。該儀器也可用于高等院校普通物理實驗。儀器的物理現(xiàn)象明顯，造價低廉。
由美國PSSC編寫出版的《COLLEGE PHYSICS LAOORATORY GUIOE》以及1980年文化教育出版社出版的由汪思謙等人翻譯的《PSSC物理實驗》中，介紹了用電子調諧指示管來做測量電子質量的實驗。但該實驗方法在實施過程中有幾處困難，一是學生在實驗中有可能觸及非安全電壓，二是螺線管需要一定長度才能在通電后獲得均勻磁場，體積過大，三是電子調諧指示管放入較長的螺線管中，對電子作圓運動的曲率半徑測量不便。本發(fā)明針對上述困難，作了一系列改進，設計成一臺適合學生實驗的儀器。
本發(fā)明的電原理圖如


圖1所示，圖中所有元器件均可安裝于一300×200×200mm3左右的木箱中。安裝板為兩層，上層為非鐵磁性板(如鋁、有機玻璃等)，元件布局如圖2，圖中1為電子調諧指示管，2為亥姆霍茲線圈，3為直流電壓表，4為電位器，5為指示燈，6為電源開關，7為勵磁電流接線柱，8為保險絲，9為220V電源接插件，10為曲率比較尺。在電子調諧指示管1處應打一孔，以便能讓安裝在下層板上的電子調諧指示管1能伸出上層板。下層板為絕緣板，用于安裝電源變壓器11，電子調諧指示管1、整流二極管12、濾波電容13、限流電阻14，調壓電位器4等與較高電壓相聯(lián)接的元件，以避免在實驗中觸及高壓。上下板間距離與亥姆霍茲線圈2的半徑、電子調諧指示管1熒光板極距離上層板的高度以及亥姆霍茲線圈的骨架厚度有關，設計時應根據(jù)讓熒光板極位于亥姆霍茲線圈2的中心這一原則來確定。亥姆霍茲線圈上方還放置一個放大鏡(圖中未畫出)。以提高測量精度。
根據(jù)
圖1、圖2、儀器所用主要元器件參數(shù)如下電子調諧指示管用國產(chǎn)6E5C電子管，亥姆霍茲線圈2的半徑取值在50－100mm之間，為配合目前中學的通用儀器，線圈用φ0.5－1mm漆包線繞制，每組300－600匝，變壓器11的要求不高，初級為220V繞組，設計時大于10W即可，次級兩個繞組分別為110V，電流大于20mA；6.3V，電流大于0.8A。直流電壓表3取值在100－250V之間。曲率比較尺10為非鐵磁性板制成，板上打出一系列半徑不同的圓孔，孔上標有半徑值，半徑取值在3－20mm之間，厚度在0.5－1.5mm之間。其余均為普通元件，只要耐壓與電流超過使用值即可。
儀器的使用方法如下見圖2，先將電源接插件9接上220V交流電源，接通開關6，調節(jié)加速電壓調節(jié)電位器4使電壓表3上指示的加速電壓U在100V以上，預熱片刻即可見到電子調諧指示管1呈現(xiàn)圖3的現(xiàn)象，圖中A為暗區(qū)。B為亮區(qū)，這是由于處于中心的陰極發(fā)出的電子經(jīng)環(huán)形陽極加速，電子沿徑向運動，電子到達涂有熒光物質的陽極形成亮區(qū)，部分電子被控制極吸收無法到達陽極，形成暗區(qū)，就象光線被物體擋住形成影子一樣，所以亮區(qū)與暗區(qū)的交界線可認為是電子運動的方向。將直流電源，滑線變阻器，電流表通過勵磁電流接線柱7與亥姆霍茲線圈2串聯(lián)，通上勵磁電流后，即可見到亮區(qū)與暗區(qū)的交界線發(fā)生彎曲，如圖4。這是由于洛侖茲力的作用使電子作圓周運動，改變勵磁電流或加速電壓的大小可見到交界線的彎曲程度發(fā)生明顯的變化，可用此來演示洛侖茲力。將曲率比較尺10置于電子調諧指示管1的頂部(由于采用亥姆霍茲線圈，這一點很容易做到)，選定某一半徑的圓，調節(jié)勵磁電流及加速電壓，使亮區(qū)與暗區(qū)的交界線與選定的圓孔邊緣重合，記錄下加速電壓U，勵磁電流I及曲率半徑r，先根據(jù)B＝KL算出磁感應強度B，其中K可由亥姆霍茲線圈的參數(shù)算出，然后根據(jù)下式即可求得電子荷質比e／m＝2U／B2r2(1)式中e為電子電量，m為電子質量。
(1)式的推導過程如下經(jīng)加速后的電子動能為mv2／2＝eU (2)式中v為電子速度，加上磁場后，則洛侖茲力為F＝Bev(3)
而洛侖茲力就是使電子作圓周運動的向心力，應有F＝mv2／r聯(lián)立(2)、(3)、(4)式消去F及V，即可得(1)式。由此可見，如給出電子電量及電子質量，還可研究其他幾個物理量間的關系。
實施例我們按前面所介紹的方法安裝了一臺電子荷質比實驗儀，接通220V電源開關后，電壓表3上立即有加速電壓指示，調節(jié)電位器4使加速電壓U達到100V，片刻后立即看到電子調諧指示管呈現(xiàn)圖3的現(xiàn)象。將直流電源、電流表、滑線變阻器通過勵磁電流接線柱7與亥姆霍茲線圈2串聯(lián)，通上勵磁電流后可看到電子調諧指示管1出現(xiàn)圖4的現(xiàn)象，調節(jié)滑線變阻器，隨著勵磁電流的變化，電子調諧指示管亮區(qū)與暗區(qū)交界線發(fā)生明顯變化。這就是洛侖茲力對運動電子產(chǎn)生的影響。將曲率比較尺10放在電子調諧指示管上方，選定半徑r＝0.003m的圓孔，通過調節(jié)滑線變阻器調節(jié)勵磁電流，并不斷動支曲率比較尺反復比較，當勵磁電流I＝1.71安培時，電子調諧指示管亮區(qū)與暗區(qū)交界線與曲率比較尺上選定的圓孔邊緣重合，這時加速電壓U＝100V。根據(jù)所用的亥姆霍茲線圈半徑R＝0.055米，每組線圈N＝400匝可得K＝6.54×10－3特斯拉／安培，(計算公式為K＝0.716N／R)因此磁感應強度B＝KI＝6.54×10－3×1.71＝1.118×10－2(特斯拉)，再將U＝100V，r＝0.003m代入(1)式得電子荷質比為e／m＝1.78×1011庫侖／千克，與公認值1.759×1011庫侖／千克只相差1％。
權利要求1.一種由電子調諧指示管、亥姆霍茲線圈、直流電壓表和曲率比較尺制成的電子荷質比實驗儀，其特征是亥姆霍茲線圈的半徑取值在50-100mm之間，線圈用φ0.5-1mm漆包線繞制，每組300-600匝。
2.由權利要求1所述的電子荷質比實驗儀，其特征是曲率比較尺用非鐵磁性板制成，厚度為0.5－1.5mm，板上有一系列半徑不同的圓孔，孔上標有半徑值，半徑取值在3－20mm。
專利摘要一種由電子調諧指示管、亥姆霍茲線圈、直流電壓表和曲率比較尺制成的電子荷質比實驗儀。其特征是亥姆霍茲線圈的半徑取值在50-100mm之間，線圈用φ0.5-1mm漆包線繞制，每組300-600匝。適用于高中物理教學，既可用于學生分組實驗測量物理學中的重要常數(shù)——電子荷質比，又可演示洛侖茲力對運動電子的影響。儀器構造簡單，造價低廉，操作方便，物理現(xiàn)象明顯?？蓮V泛用于中學和大學的物理教學。
文檔編號G09B23/18GK2058778SQ8920512
公開日1990年6月27日 申請日期1989年5月26日 優(yōu)先權日1989年5月26日
發(fā)明者何捷, 蘭鴻志 申請人:南京師范大學