5) Лабораторная работа №5 Изучение движения электронов в электро. Лабораторная работа 5 (в сети 2) Изучение движения электронов в электростатических полях Цель работы
 Скачать 133.14 Kb.
|
|
Группа________________ФИО студента________________ Лабораторная работа №5 (в сети №2) Изучение движения электронов в электростатических полях Цель работы: 1) Наблюдение траектории движения электронов в электростатических полях 2) Определение скорости движения электронов в ускоряющем электростатическом поле. 3) Определение напряженности электростатического поля плоского конденсатора и расстояния между его обкладками. Теоретическое введение Электростатическое поле создается неподвижными электрическими зарядами. Элементарным отрицательным электрическим зарядом обладает электрон, а положительным протон. Величины зарядов тел дискретны: q = e·N где N – число избыточных или недостающих электронов всех атомов тела, е = 1,6·10 -19 Кл – элементарный электрический заряд (mе = 9,1·10-31 кг – масса электрона, mp = 1,673·10-27 кг масса протона). Характеристиками электронов и их поведением в электрических и магнитных полях объясняются многие явления и законы природы, принципы действия технических устройств и др. Рассмотрим движение электронов в электростатических полях. На электрон в электростатическом поле напряженностью  действует сила, равная  (1.1)По второму закону Ньютона  Т.о. модуль ускорения электрона  (1.2)Траектория движения электрона и характер изменения его скорости зависят от угла между вектором скорости  электрона и вектором напряженности  электростатического поля. Выделим два частных случая:1) если электрон влетает в продольное электростатическое поле и движется в поле прямолинейно вдоль линий вектора напряженности , то движение равнозамедленное ( ) или равноускоренное ( ). 2) если электрон влетает в поперечное электростатическое поле (  ), то далее движется криволинейно (по параболе). Н  ачальная скорость электрона, вылетающего из катода K, обычно очень мала и её принимают равной нулю. Электрон движется с ускорением прямолинейно к аноду A. Напряжение Uа между катодом K и анодом A заставляет электрон развить большую скорость .Эту скорость можно рассчитать, используя закон сохранения энергии:  или  Т. о.  (1.3)Е  сли электрон влетает в однородное поперечное электростатическое поле, создаваемое плоским конденсатором, то вдоль оси x он движется равномерно, при этом ускоряясь в сторону противоположную вектору .Траектория движения электрона определяется уравнениями:  и  где t – время движения электрона в поперечном электростатическом поле. Т.к.  , где L – длина пластин конденсатора, то с учетом формулы (1.2) и получаем:  (1.5)Подставив (1.3) в уравнение (1.5), получаем величину смещения электрона:  (1.6)Т.о. зная напряжение между анодом и катодом, длину пластин конденсатора и измерив смещение Δy электрона за время пролета в конденсаторе, можно определить напряженность электростатического поля внутри конденсатора  (1.7)Напряженность электростатического поля плоского конденсатора связана с напряжением U и расстоянием d между обкладками конденсатора соотношением:  (1.8)Описание установки П  ринципиальная схема экспериментальной установки для наблюдения движения электрона в продольном и поперечном электростатических полях показана на рисунке. В электронно-лучевой трубке впаяны катод K и анод A между которыми создается ускоряющее напряжение Ua. Напряжение может изменяться с помощью реостата Ra и измеряется вольтметром Va. Электроны, вылетающие из катода K, ускоряются электрическим полем и через малое отверстие в аноде A влетают по центральной линии в электростатическое поле плоского конденсатора. М  ежду пластинами конденсатора создается напряжение U, величина которого может изменяться с помощью реостата R и измеряется вольтметром V. Пластины конденсатора расположены так, что вектор напряженности поля конденсатора перпендикулярен вектору скорости, влетающего электрона. На выходе из конденсатора электрон отклоняется от первоначального направления движения (от центральной линии) на величину Δy, что фиксируется на экране H.Модель установки по изучению движения электронов в электростатических полях, позволяющая проводить виртуальные лабораторные исследования, показана на рисунке. Порядок выполнения работы С помощью мыши установите свой вариант. Занесите значение длины пластин конденсатора L в таблицу 1.1 Задание 1 1) Включите установку, замкнув ключи К1 и К2. 2) С помощью реостата R выставите напряжение между обкладками конденсатора U = 1 В. 3) С помощью реостата Ra изменяйте напряжение Ua между катодом К и анодом А от 2 В до 10 В через 1 В при этом измеряйте величину смещения Δy электронного луча, соответствующую каждому значению напряжения Ua. Все измеряемые величины занести в таблицу 1.1.
Задание 2 1) С помощью реостата Ra поставьте напряжение между катодом К и анодом А Ua = 3 В. 2) С помощью реостата R изменяйте напряжение U между обкладками конденсатора от 0,1 В до 1 В через 0,15 В, фиксируя при этом величину смещения Δy, соответствующую каждому значению напряжения U. Все измеряемые величины занести в таблицу 1.2.
Обработка результатов измерений По формуле (1.3) рассчитать величины скорости электронов, получаемые ими при прохождении ускоряющего напряжения Ua между катодом К и анодом А. Полученные значения записать в таблицы 1.1 и 1.2. По формуле (1.7), используя данные таблиц, рассчитать значение напряженности электростатического поля конденсатора по результатам заданий 1 и 2. По формуле (1.8) рассчитать расстояние d между обкладками конденсатора. Найти его среднее значение dcp. Сделать соответствующие выводы. Объяснить результаты заданий 1 и 2. Контрольные вопросы: 1) Какой заряд называется элементарным? Опишите свойства электрических зарядов? 2) Дать определение электростатического поля и его основных характеристик. 3) Как движется электрон в продольном электростатическом поле (ответ обоснуйте)? 4) Как движется электрон в поперечном электростатическом поле (ответ обоснуйте)? Тесты (правильным может быть не только один ответ): 1) Заряд объекта может иметь значение… а) любое б) 3,2∙10-19 Кл в) 2∙10-19 Кл г) – 4,8∙10-19 Кл 2) Частица несущая положительный элементарный заряд – … а) электрон б) позитрон в) протон г) нейтрон 3) С точки зрения электродинамики, оказавшись на сравнительно небольшом расстоянии друг от друга будут интенсивно отталкиваться… а) электрон и отрицательный ион гелия б) протон и электрон в) позитрон и протон г) электрон и нейтрон д) протон и нейтрон 4) Напряженность электрического поля используется для расчета… а) силы, действующей на заряд со стороны поля б) потенциальной энергии заряда в поле в) ускорения, которое мог бы получить заряд под действием поля 5) При влёте электрона в электрическое поле по направлению вектора в первые мгновения он движется…а) прямолинейно равноускоренно б) прямолинейно равнозамедленно в) прямолинейно равномерно г) по параболе, стремясь повернуть перпендикулярно вектору 6) Позитрон, двигавшийся со скоростью  м/с влетел в электрическое поле в противоположном направлении вектору (значение напряженности  В/м). До полной остановки он пролетита) 284 пс и 1400 мкм б) 28,4 мкс и 5,6 м в) 5,6 нс и 2,84 см г) 0,284 нс и 1,4 мм д) 5600 нс и 2844 см 7) Напряженность электрического поля внутри конденсатора, рассматриваемого в данной работе, зависит от… а) напряжения между анодом и катодом б) смещения электронного пучка внутри конденсатора в) напряжения между пластинами конденсатора г) расстояния между пластинами конденсатора д) длины пластин конденсатора е) заряда, скопившегося на обкладках ж) скорости влета заряженной частицы в конденсатор Вывод: | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||