ОБЩИЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ
Определение удельного заряда электрона методом магнетрона
Методические указания к лабораторной работе
Пермь 2010
Составители:доценты А.С. Ажеганов, С.И. Гущин, И.В. Изместьев, асс. Г.П. Спелков
УДК 539.1
Общий физический практикум. Определение удельного заряда электрона методом магнетрона: метод. указ. к лаб. работе/ сост. А.С. Ажеганов, С.И. Гущин, И.В. Изместьев, Г.П. Спелков; Перм. гос. ун-т. – Пермь, 2010. – 15 с.
Дано теоретическое обоснование метода магнетрона, применяемого для определения удельного заряда электрона. Подробно описано устройство экспериментальной установки. Приведены методики выполнения измерений и обработки результатов опыта.
Предназначено для студентов физического факультета, выполняющих программу общего физического практикума по курсу «Физика атома и атомных явлений».
Печатается по решению методической комиссии физического факультета Пермского государственного университета.
Приборы и принадлежности: электронная лампа СО-118 с цилиндрическими анодом и катодом (магнетрон), соленоид, универсальный источник питания УИП-2, источник постоянного тока соленоида, два амперметра и микроамперметр.
Цель работы: ознакомиться с одним из методов измерения удельного заряда электрона. Провести измерения удельного заряда с помощью магнетрона, выполнить обработку данных эксперимента.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА
В основе эспериментальных методов определения e/m лежат результаты исследования движения электрона в электрических и магнитных полях. Первое определение удельного заряда было произведено в 1897 г. Дж. Томпсоном путем измерения траектории движения электрона в однородных электрическом и магнитном полях. Позднее был разработан ещё ряд методов определения отношения: метод двух конденсаторов, метод фокусировки продольным магнитным полем [1,2] и ряд других. Удельный заряд электрона можно определить не только из электрических измерений, но и из оптических. Настоящая работа посвящена определению удельного заряда электрона с помощью магнетрона [3].
Движение электрона в однородном электрическом поле
На электрон, находящийся в электрическом поле с напряжённостью E действует сила Кулона [1, 2]
F к = – е Е,
где е =1, 602 *10-19 Кл – величина элементарного заряда. Пролетев расстояние между двумя пластинами конденсатора (рис. 1), заряженного
до разности потенциалов
U 0 =j 2 – j 1,
Электрон приобретает кинетическую энергию
W = 
= (– ej 1) – (– ej 2)= eU 0
И скорость
v 0 = 
. (1)
Отношение заряда электрона e к его массе m называется удельным зарядом электрона.
Пусть электрон влетает со скоростью v 0 в область пространства, в кото-
 |
ром имеется однородное электрическое поле, вектор напряжённости которого E перпендикулярен направлению скорости (рис.1). Напишем уравнение второго закона Ньютона
т а = – е Е (2)
в проекциях на оси координат:
max = – eEx =0,
may = – eEy = – eE. (3)
В направлении оси х движение электрона равномерное (ах =0):
x=v 0 t. (4)
В направлении оси y – равноускоренное:
y = 
. (5)
Подставляя (3) и (4) в уравнение (5), получим, что траектория движения электрона имеет форму параболы:
y = 
E 
x2. (6)
Электрон получил скорость v 0, пройдя путь между обкладками конденсатора с разностью потенциалов U 0.
Подставив (1) в (6), получим
y = E 
x 2= 
x 2.
Траектория движения электрона не зависит от его заряда и массы. Частицы с любыми зарядами и массами будут двигаться по одним и тем же траекториям. Следовательно, воздействуя на частицу только постоянным электрическим полем, определить величины её заряда и массы не представляется возможным.
