专利名称：电子荷质比实验仪的制作方法
技术领域：
本发明是一种能让高中学生接触一些近代物理内容的实验教学仪器，既可用于学生分组实验测量物理学中的一个重要常数－－电子荷质比；又可用组织学生轮流观察的方法演示洛仑兹力对运动电子的影响。该仪器也可用于高等院校普通物理实验。仪器的物理现象明显，造价低廉。
由美国PSSC编写出版的《COLLEGE PHYSICS LAOORATORY GUIOE》以及1980年文化教育出版社出版的由汪思谦等人翻译的《PSSC物理实验》中，介绍了用电子调谐指示管来做测量电子质量的实验。但该实验方法在实施过程中有几处困难，一是学生在实验中有可能触及非安全电压，二是螺线管需要一定长度才能在通电后获得均匀磁场，体积过大，三是电子调谐指示管放入较长的螺线管中，对电子作圆运动的曲率半径测量不便。本发明针对上述困难，作了一系列改进，设计成一台适合学生实验的仪器。
本发明的电原理图如
图1所示，图中所有元器件均可安装于一300×200×200mm3左右的木箱中。安装板为两层，上层为非铁磁性板(如铝、有机玻璃等)，元件布局如图2，图中1为电子调谐指示管，2为亥姆霍兹线圈，3为直流电压表，4为电位器，5为指示灯，6为电源开关，7为励磁电流接线柱，8为保险丝，9为220V电源接插件，10为曲率比较尺。在电子调谐指示管1处应打一孔，以便能让安装在下层板上的电子调谐指示管1能伸出上层板。下层板为绝缘板，用于安装电源变压器11，电子调谐指示管1、整流二极管12、滤波电容13、限流电阻14，调压电位器4等与较高电压相联接的元件，以避免在实验中触及高压。上下板间距离与亥姆霍兹线圈2的半径、电子调谐指示管1荧光板极距离上层板的高度以及亥姆霍兹线圈的骨架厚度有关，设计时应根据让荧光板极位于亥姆霍兹线圈2的中心这一原则来确定。亥姆霍兹线圈上方还放置一个放大镜(图中未画出)。以提高测量精度。
根据
图1、图2、仪器所用主要元器件参数如下电子调谐指示管用国产6E5C电子管，亥姆霍兹线圈2的半径取值在50－100mm之间，为配合目前中学的通用仪器，线圈用φ0.5－1mm漆包线绕制，每组300－600匝，变压器11的要求不高，初级为220V绕组，设计时大于10W即可，次级两个绕组分别为110V，电流大于20mA；6.3V，电流大于0.8A。直流电压表3取值在100－250V之间。曲率比较尺10为非铁磁性板制成，板上打出一系列半径不同的圆孔，孔上标有半径值，半径取值在3－20mm之间，厚度在0.5－1.5mm之间。其余均为普通元件，只要耐压与电流超过使用值即可。
仪器的使用方法如下见图2，先将电源接插件9接上220V交流电源，接通开关6，调节加速电压调节电位器4使电压表3上指示的加速电压U在100V以上，预热片刻即可见到电子调谐指示管1呈现图3的现象，图中A为暗区。B为亮区，这是由于处于中心的阴极发出的电子经环形阳极加速，电子沿径向运动，电子到达涂有荧光物质的阳极形成亮区，部分电子被控制极吸收无法到达阳极，形成暗区，就象光线被物体挡住形成影子一样，所以亮区与暗区的交界线可认为是电子运动的方向。将直流电源，滑线变阻器，电流表通过励磁电流接线柱7与亥姆霍兹线圈2串联，通上励磁电流后，即可见到亮区与暗区的交界线发生弯曲，如图4。这是由于洛仑兹力的作用使电子作圆周运动，改变励磁电流或加速电压的大小可见到交界线的弯曲程度发生明显的变化，可用此来演示洛仑兹力。将曲率比较尺10置于电子调谐指示管1的顶部(由于采用亥姆霍兹线圈，这一点很容易做到)，选定某一半径的圆，调节励磁电流及加速电压，使亮区与暗区的交界线与选定的圆孔边缘重合，记录下加速电压U，励磁电流I及曲率半径r，先根据B＝KL算出磁感应强度B，其中K可由亥姆霍兹线圈的参数算出，然后根据下式即可求得电子荷质比e／m＝2U／B2r2(1)式中e为电子电量，m为电子质量。
(1)式的推导过程如下经加速后的电子动能为mv2／2＝eU (2)式中v为电子速度，加上磁场后，则洛仑兹力为F＝Bev(3)
而洛仑兹力就是使电子作圆周运动的向心力，应有F＝mv2／r联立(2)、(3)、(4)式消去F及V，即可得(1)式。由此可见，如给出电子电量及电子质量，还可研究其他几个物理量间的关系。
实施例我们按前面所介绍的方法安装了一台电子荷质比实验仪，接通220V电源开关后，电压表3上立即有加速电压指示，调节电位器4使加速电压U达到100V，片刻后立即看到电子调谐指示管呈现图3的现象。将直流电源、电流表、滑线变阻器通过励磁电流接线柱7与亥姆霍兹线圈2串联，通上励磁电流后可看到电子调谐指示管1出现图4的现象，调节滑线变阻器，随着励磁电流的变化，电子调谐指示管亮区与暗区交界线发生明显变化。这就是洛仑兹力对运动电子产生的影响。将曲率比较尺10放在电子调谐指示管上方，选定半径r＝0.003m的圆孔，通过调节滑线变阻器调节励磁电流，并不断动支曲率比较尺反复比较，当励磁电流I＝1.71安培时，电子调谐指示管亮区与暗区交界线与曲率比较尺上选定的圆孔边缘重合，这时加速电压U＝100V。根据所用的亥姆霍兹线圈半径R＝0.055米，每组线圈N＝400匝可得K＝6.54×10－3特斯拉／安培，(计算公式为K＝0.716N／R)因此磁感应强度B＝KI＝6.54×10－3×1.71＝1.118×10－2(特斯拉)，再将U＝100V，r＝0.003m代入(1)式得电子荷质比为e／m＝1.78×1011库仑／千克，与公认值1.759×1011库仑／千克只相差1％。
权利要求1.一种由电子调谐指示管、亥姆霍兹线圈、直流电压表和曲率比较尺制成的电子荷质比实验仪，其特征是亥姆霍兹线圈的半径取值在50-100mm之间，线圈用φ0.5-1mm漆包线绕制，每组300-600匝。
2.由权利要求1所述的电子荷质比实验仪，其特征是曲率比较尺用非铁磁性板制成，厚度为0.5－1.5mm，板上有一系列半径不同的圆孔，孔上标有半径值，半径取值在3－20mm。
专利摘要一种由电子调谐指示管、亥姆霍兹线圈、直流电压表和曲率比较尺制成的电子荷质比实验仪。其特征是亥姆霍兹线圈的半径取值在50-100mm之间，线圈用φ0.5-1mm漆包线绕制，每组300-600匝。适用于高中物理教学，既可用于学生分组实验测量物理学中的重要常数——电子荷质比，又可演示洛仑兹力对运动电子的影响。仪器构造简单，造价低廉，操作方便，物理现象明显。可广泛用于中学和大学的物理教学。
文档编号G09B23/18GK2058778SQ8920512
公开日1990年6月27日 申请日期1989年5月26日 优先权日1989年5月26日
发明者何捷, 兰鸿志 申请人:南京师范大学