Thí nghiệm vật lý BÀI KHẢO SÁT CHUYỂN ĐỘNG CỦA ELECTRON TRONG ĐIỆN TRƯỜNG XÁC ĐỊNH ĐIỆN TÍCH RIÊNG e/m CỦA ELECTRON I MỤC ĐÍCH – YÊU CẦU Mục đích: - Xác định điện tích riêng e/m electron theo phương pháp manhêtrôn Yêu cầu: - Hiểu sở lý thuyết phương pháp đo - Xác định điện tích riêng e/m II CƠ SỞ LÝ THUYẾT Theo thuyết lượng tử, nguyên tử gồm electron chuyển động quanh hạt nhân Một electron có khối lượng m chuyển động quanh hạt nhân, có mơmen động lượng L Mặt khác electron mang điện tích âm -e chuyển động quanh hạt nhân tạo thành dòng điện có mơmen từ ngược chiều tỷ lệ với L: e = - 2m L e gọi tỷ số từ- electron , số quan trọng vật lý nguyên 2m tử, tỷ số e/m gọi điện tích riêng electron, đơn vị đo C/kg Có thể xác định điện tích riêng electron nhờ thiết bị thí nghiệm bố trí theo sơ đồ hình1, gồm : đèn manhêtrơn M đặt bên ống dây dẫn D , nguồn điện cung cấp cho đèn cuộn dây hoạt động Đèn manhêtrơn M bóng thuỷ tinh bên có độ chân khơng cao (10 -7 10-8 mmHg) có ba điện cực : catơt K , lưới G anôt A Cả ba điện cực có dạng ống trụ, có đường kính khác nhau, đặt đồng trục với Trong Catốt có bán kính chừng 1mm Bên Catốt có sợi đốt, để đưa dòng điện lấy từ nguồn U2 đốt nóng catốt làm cho ca tốt phát xạ electron Lưới G gồm vòng dây dẫn nối với thành ống trụ thưa bao quanh catốt Ngoài anốt A , trụ kim loại kín , có khoảng cách đến lưới d Đại lượng Nguồn điện U đặt G K tạo điện trường làm tăng tốc electron nhiệt phát từ catôt K Do lưới thưa, nên electron chuyển động lọt qua lưới G đến gặp bám vào anơt A, tạo dòng anơt I , đo miliampekế A2 Động electron bay tới lưới G công lực điện trường catôt K lưới G : + A2 - A G A1 U1 V D U3 U2 Hình 39 Thí nghiệm vật lý mv2 = (1) e U với U hiệu điện catơt K lưới G đo vơnkế V, e m độ lớn điện tích khối lượng electron, v vận tốc electron bay tới lưới G Vì anơt A nối với lưới G dây dẫn có điện trở nhỏ, nên hiệu điện chúng coi không Electron xem chuyển động thẳng lưới G anốt, với vận tốc không đổi v để tạo dòng điện cường độ I chạy qua miliampekế A2 Từ (1), ta suy : v = eU m (2) Nối ống dây sôlênôit D với nguồn điện U1 Dòng điện chạy qua ống dây có cường độ I1 tạo ống từ trường có cảm ứng từ B hướng dọc theo trục đèn manhêtrôn M vng góc với vận tốc v electron Từ trường B tác dụng lên electron lực - gọi lực Loren FL , có giá trị : FL e.v B Vì B hướng vng góc với v , nên lực FL có độ lớn : FL e.v.B (3) Lực Loren FL , hướng vng góc với vận tốc v , đóng vai trò lực hướng tâm có tác dụng làm cho electron bay qua lưới G phải chuyển động theo quỹ đạo tròn bán kính R xác định điêu kiện : mv2 (4) R Cảm ứng từ B lòng ống dây tỷ lệ với cường độ dòng điện I1 chạy qua ống tính cơng thức : B 0 n.I1 ( 5) FL e.v.B với = 10-7 H/m số từ , n số vòng dây đơn vị dài ống dây, hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào cấu tạo ống dây dẫn D A Theo (4) (5) , cảm ứng từ B lòng ống dây D tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện I1 chạy qua ống, B B1 B=B1 bán kính R quĩ đạo tròn electron tỷ lệ nghịch với cảm ứng từ B Vì vậy, ta tăng dần BB1 B=0 cường độ dòng điện I1 để tăng dần cảm ứng từ B, G 40 Thí nghiệm vật lý cho bán kính R quĩ đạo tròn electron giảm dần, đến I1 = I đạt giá trị R = d/2, ( d : khoảng cách anôt A lưới G (Hình 2) ) Lúc đó, electron khơng tới anơt A, cường độ dòng anơt I2 chạy qua miliampekế A2 giảm đến giá trị I2 =0 Thay (2) (5) vào (4) , ta tìm : 2U 8U e 2 2 2 (6) B1 R n I1 d m Trong thí nghiệm : -Ống dây có mật độ vòng dây n= 6000 v/m, hệ số a = 0.5 -Đèn Manhêtron có d = 2,75mm , Điện áp gia tốc lưới catốt thiết lập U= 6V, đo Von kế V Bằng cách xác định cường độ dòng điện từ hố cuộn dây I1 = I dòng anơt I2 triệt tiêu, ta tính điện tích riêng e/m electron theo công thức (6) Cách xác định I sau : Theo trên, cảm ứng từ B ứng với cường độ dòng điện I electron khơng tới anơt A dòng anơt I 0 Như vậy, ta cần theo dõi trình giảm dần dòng điện I miliampekế A2 tăng dần dòng điện I1 ampekế A1, Ia = Nhưng electron nhiệt phát từ catơt K có vận tốc khác nhau, nên số electron có vận tốc lớn bay tới anôt A I1 = I : dòng điện I khơng hồn tồn triệt tiêu Đồ thị biểu diễn phụ thuộc dòng điện I vào dòng điện I có dạng đường cong hình 3, đoạn dốc ab ứng với trường hợp đa số electron khơng tới anôt A : Tiếp tuyến đường cong đoạn ab cắt trục hoành điểm có cường độ dòng điện I1 =I III DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM : Nguồn điện chiều U1 = 0-6V/5A, để cấp điện cho cuộn dây Sôlênôid Nguồn điện chiều U2 = 0-6V 0.3A, để cấp điện cho sợi đốt đèn Magnetron Nguồn điện chiều U3 = 0-12V / 0.1A, để cấp điện cho lưới đèn Magnetron Ampe kế A1 có hai thang đo 0-2.5 0-5 A Ampe kế A2 có hai thang đo 0-1 mA 0-5 mA dùng đo dòng anot 41 Thí nghiệm vật lý Vôn kế V thang đo 0-10V Đèn manhêtrôn (magnetron) Ống dây dẫn dùng tạo từ trường Bộ dây dẫn dùng nối mạch điện (9 dây) IV TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM Chuẩn bị thí nghiệm MC - 95.11 a) Chưa cắm phích lấy điện MC-95.11 vào nguồn ~ 220V Quan sát mặt máy hình b) Dùng dây dẫn nối mạch điện mặt máy MC-95.11 theo sơ đồ hình : - Nối sợi nung FF vào nguồn chiều U2 ( 0-6V/ 0,5A) - Nối miliampekế A2 cực lưới G anôt A đèn manhêtrôn M , nối vônkế V lưới G catôt K đèn manhêtrôn M với nguồn chiều U3 ( -12V /100mA ) - Mắc nối tiếp ống dây dẫn D ampekế A1 với nguồn chiều U1 ( 0-6V / 5A ) - Gạt núm chuyển mạch để đặt : vônkế V thang đo 10V, ampekế A thang đo 2.5A , miliampekế A2 thang đo 1mA - Vặn núm xoay nguồn điện chiều U1 , U2 , U3 vị trí - Đặt cơngtắc K1 , K2 , K3 trạng thái ngắt mạch A + A2 - A G A1 B U1 V D U3 U2 Hình 1 Khảo sát phụ thuộc dòng điện anơt I2 vào dòng điện I1 chạy qua ống dây sêlênôit a) Bấm côngtắc K , K1 , K2 : đèn LED phát sáng, báo hiệu nguồn U , U2 , U3 sẵn sàng hoạt động b) Vặn núm xoay nguồn U3 để thiết lập hiệu gia tốc electron lưới G katôt K (đo vônkế V) đạt giá trị U3 = 6V, giữ không đổi giá trị suốt trình đo c) Vặn núm xoay nguồn U2 đến vị trí 2-3 vạch số, để cung cấp điện áp đốt tóc nung nóng catốt đèn manhêtrơn Sau 35 phút, dòng anốt I2 xuất hiện, miliampekế A2 Khi U3 có giá trị khơng đổi 6V, dòng anốt I2 phụ thuộc nhiệt độ catốt Khéo điều chỉnh núm xoay nguồn đốt tóc U2 thật tinh tế cho I2 đạt giá trị khoảng 0,8 - 1mA, đèn Manhêtrôn đạt trạng thái cân nhiệt Đọc ghi giá trị I vào bảng (chú ý I đạt giá trị khoảng 0,4mA – 0,6mA tăng dần U2 thật chậm khơng dòng I2 tăng nhanh vượt thang đo) 42 Thí nghiệm vật lý d) Khởi động chương trình máy tính: Trong “Start” chọn “Program” chọn “Cassy Lab”, nhấp đúp chuột vào UA1, chọn -1V Trong cửa sổ “input setting” chọn “Averagd Valuse”, “left” Trong cửa sổ Measing parametes chọn “Manual” Nhấp đúp chuột vào UB1, chọn -10V Trong cửa sổ “input setting” chọn “Averagd Valuse”, “left” Trong cửa sổ Measing parametes chọn “Manual” Cài đặt trục tọa độ, hoành độ biểu thị I1 ống dây, tung độ biểu thị I2 dòng AG Muốn cài đặt trục tọa độ sổ “setting” chọn “parameter Formula FFT” * Khai báo cường độ dòng điện I1: Chọn “new quantity” Trong hộp “select quantity” điền vào tên đại lượng “I1” Chọn “formula” điền công thức mối liên hệ đại lượng với đại lượng cũ: 2*UB1/3.6 Trong “symbol” I1: Unit: A From: To: Decimal places: *Khai báo cường độ dòng điện I2 Chọn “new quantity” Trong hộp “select quantity” điền vào tên đại lượng “I2” Chọn “formula” điền công thức mối liên hệ đại lượng với đại lượng cũ: UA1/0.45*1 Trong “symbol” I2: Unit: mA From: To: 1.5 Decimal places: *Chọn hiển thị đồ thị I1 – I2 Trong “setting” chọn ‘display” Chọn “new display” Trong hộp “select display” ghi tên đồ thị I1 – I2 Trong X – Axis chọn I1 Y – Axis chọn I2 e) Bấm F9 để ghi giá trị ứng với I1 = 0, sau vặn từ từ núm xoay nguồn U1 để tăng dần cường độ dòng điện I (đo ampekế A1) chạy qua ống dây tạo từ trường D, với lần dịch chuyển cường độ dòng I 0,1A bấm F9 Sau vẽ xong đồ thị dùng phần mềm máy tính để Fit đồ thị sau: nhấp phải chuột, hình menu động cho ta cơng cụ có sẵn, chọn “Fit function”, chọn “ best – fit straight line”, giữ di chuột vào vị trí mà dòng I2 bắt đầu giảm đột ngột di điểm hết giảm đột ngột, tìm điểm cắt trục hoành I1 Ghi giá trị điểm cắt trục hồnh đồ thị, thay vào cơng thức để tính e/m Ghi giá trị tương ứng cường độ dòng điện I I vào bảng cường độ dòng điện I = 2,5A kết thúc phép đo, vặn núm xoay nguồn U 1, U2 ,U3 theo thứ tự vị trí Sau đó, bấm khoá K1, K2, K để tắt máy f) Ghi số liệu sau vào bảng : - Cấp xác V giá trị cực đại Um thang đo vơnkê V - Cấp xác 1A giá trị cực đại I1m thang đo ampekế A1 43 Thí nghiệm vật lý - Cấp xác 2A giá trị cực đại I2m thang đo miliampekế A2 - Hệ số , số vòng dây đơn vị dài n ống dây dẫn D - Khoảng cách d anôt A lưới G đèn manhêtrôn M IV CÂU HỎI KIỂM TRA Nêu định nghĩa đơn vị đo điện tích riêng electron Trình bày phương pháp xác định điện tích riêng electron phương pháp manhêtrôn : a) Vẽ sơ đồ mạch điện mô tả cấu tạo đèn manhêtrơn b) Giải thích rõ chuyển động electron nhiệt phát từ catơt nung nóng đèn manhêtrơn tác dụng điện trường từ trường mạch điện Trong sơ đồ mạch điện thí nghiệm hình 1, phải mắc cực âm () miliampekế A2 vào anôt A cực dương (+) vào lưới G đèn manhetron ? Tại phải giữ giá trị hiệu điện nguồn điện U2 U3 không thay đổi suốt thời gian tiến hành thí nghiệm ? Nói rõ cách xác định giá trị cường độ dòng điện I ống dây sêlênôit ứng với cường độ dòng anơt triệt tiêu ( I 0) theo phương pháp nội suy đồ thị hình Giải thích ? 44 Thí nghiệm vật lý BÁO CÁO THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐIỆN TÍCH RIÊNG CỦA ELECTRON BẰNG PHƯƠNG PHÁP MANHÊTRÔN ( MAGNETRON) Xác nhận thày giáo Trường Lớp Tổ Họ tên I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM ……………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… II KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM I ( A) Hiệu điện giưã lưới G katôt K : U 6V 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2,0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 I2(mA ) I ( A) I2(mA ) I ( A) I2(mA ) Xác định điện tích riêng electron X =e / m 45 Thí nghiệm vật lý Vẽ đồ thị I f ( I ) a Căn vào đồ thị I f ( I ) , xác định giá trị cường độ dòng điện I1 : I (A) b Tính giá trị điện tích riêng: 8U e = 2 2 = = ……………………… (C/kg) X= m n I1 d So sánh giá trị đo X Cho biết X lt e e với giá trị lý thuyết X lt m lt m 1,60 10 19 17 ,6 1010 C / kg , tính sai số tỉ đối theo cơng thức : 31 ,10 10 * X lt X X lt (%) 46 ... TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM Chuẩn bị thí nghiệm MC - 95 .11 a) Chưa cắm phích lấy điện MC-95 .11 vào nguồn ~ 220V Quan sát mặt máy hình b) Dùng dây dẫn nối mạch điện mặt máy MC-95 .11 theo sơ đồ hình : - Nối... 0 .1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1. 0 1. 1 1. 2 1. 3 1. 4 1. 5 1. 6 1. 7 1. 8 1. 9 2,0 2 .1 2.2 2.3 2.4 2.5 I2(mA ) I ( A) I2(mA ) I ( A) I2(mA ) Xác định điện tích riêng electron X =e / m 45 Thí nghiệm. .. cho lưới đèn Magnetron Ampe kế A1 có hai thang đo 0-2 .5 0-5 A Ampe kế A2 có hai thang đo 0 -1 mA 0-5 mA dùng đo dòng anot 41 Thí nghiệm vật lý Vôn kế V thang đo 0 -1 0 V Đèn manhêtrôn (magnetron) Ống