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物理实验活动手册

作者:高考题库网
来源:https://www.bjmy2z.cn/gaokao
2020-10-06 04:52
tags:高中数学手册

高中数学函数在必修几-高中数学必修五本书目录

2020年10月6日发(作者:戴为然)


高中选修物理(下)实验活动手册 1
欧姆定律与惠司同电桥
一 实验目的
1. 练习电路的连接﹐并熟悉安培计﹑伏特计﹑可变电阻及电源供应器的使用方法。
2. 利用“安培计-伏特计法”﹐测量待测金属的电阻﹐并验证欧姆定律。
3. 利用“惠司同电桥”测量电阻。

二 实验原理
一﹑欧姆定律
德国科学家欧姆(Georg Simon Ohm﹐1787 ~ 1854)于 1826 年实验发现﹐在 温度一定的
情况下﹐金属两端的电位差(V)与通过的电流(I)成正比﹐后人称此关系为欧姆定律。而 V与
I之比例常数称为金属导体的电阻(R)﹐欧姆定律的数学式可表示为
V
R=
I
=定值
根据欧姆定律﹐改变金属导体两端的电压﹐并 测量其电流﹐将所得的数据作图﹐可得一条通过
原点的直线﹐如图 7-1。

图7-1 线性导体的
I
-
V


高中选修物理(下)实验活动手册 2

我们利用伏特计测量电 位差(V)﹐利用安培计测量电流(I)。伏特计须与待测电路并联﹐
安培计须与待测电路串联。而在测 量电阻时﹐可以利用伏特计与安培计同时测量流经电阻之电
位差与电流﹐其电路的接法有以下两种﹐分别 适用于高电阻和低电阻的测量。
(1) 高电阻法(如图 7-2)
安培计量得的电流I为实际流经电阻 R 的电流﹐伏特计量得的电位差 V 为电阻 R 与安培
计内电阻 r
A
的电位差之和﹐即
V=IR+Ir
A

V
所以经测量所推算的电阻 R′=
I
=R+r
A
﹐表示量得的电阻值 R′ 为待测电阻 R 与 r
A

联之后的等效电阻。但若 R> > r
A
﹐则 R′=R+r
A


R﹐表示所测量之电阻值 R′ 可代表待测

?
电阻R 之值﹐此种接法适用于待测电阻远大于安培计的电阻时(学校 实验室安培计的电阻
约为10

2
Ω)。

图7-2 测量高电阻的电路图

(2) 低电阻法(如图 7-3)
伏特计量得的电位差 V 为电阻两端的电位差;但安培计量得的电流 I﹐为包含流经电阻的
电流 I
R
与流经伏特计之电流 I
V
的总和﹐即
VV
I=I
R
+ I
V

R

r

V


高中选修物理(下)实验活动手册 3
V1R
所以经测量所推算的电阻 R′= ==﹐表示量得的电阻值 R′为待测电阻 R 与
I11R
R

r
V
1+
r
V
r
V
并联之后的等效电阻。但若 r
V
> > R﹐则 R′


R﹐表示所测量之电阻值 R′ 可代表待测电
阻R 之值﹐此种接法适用于待测电阻远小于伏特计电阻时(学校实验室伏特计的电阻约为
10

5
Ω)。

图7-3 测量低电阻的电路图

二﹑惠司同电桥
G
为测量电路中是否有本实验利用惠司同电桥的比较方法﹐用以测定电阻﹐如图 7-4﹐检流计 ○
电流通过﹐R 为待测电阻﹐R
1
﹑R
2
为已知电阻﹐R
3
为可变电阻。调整 R
3
的电阻值使检流计中没有
电流通过﹐此时 B﹑D 的电位相同﹐则
V
AB
=V
AD
? I
1
R
1
=I
2
R
2
V
BC
=V
DC
? I
4
R=I
3
R
3

两式相除
I
1
R
1
I
2
R
2
I
4
R

I
3
R
3

又 I
1
=I
4
﹐I
2
=I
3
﹐所以
R
1
R
3
R=
R

2
由上式可知﹐若 R
1
﹑R
3
﹑R
2
已知﹐则 R 便可求得。


高中选修物理(下)实验活动手册 4


图7-4 惠司同电桥电路图
实验线路图如图 7-5﹐M﹑P﹑N 为一均匀金属线﹐金属的电阻与其长度成正比。因此﹐电阻 R
2

??

??
之比。
G
之另一点 P 可在 MN 金属R
3
之比为金属线长度 MP PN A 为固定点﹐检流计 ○??
R
1
R
3
PN
在线滑动﹐若找到某一点使检流计读 数为 0﹐则 R=
R
=R
1

?

?
MP
2

图7-5 惠司同电桥之接线图

三 实验器材
1
惠司同电桥·

···················· ·················································· ·············· 1具 /组
2
检流计(或微安培计) ·
○< br>··············································· ····················· 1具 /组
3
安培计(0~5 A)

········································· ··································· 1具 /组


高中选修物理(下)实验活动手册 5
4
伏特计(0~30V)

········································· ····································· 1具 /组
5
可变电阻箱(1~1000Ω)

················ ·················································· ··· 1具 /组
6
电池(1.5 V)或直流电源供应器

··· ············································· 数个(1具) /组
7
连接的导线·

··············· ·················································· ····················· 数条 /组
8
开关

·················································· ··············································· 1具 /组
9
待测电阻箱(规格如下表) ·

·············· ·················································· · 1具 /组

图7-6 待测电阻箱

电阻代号
A B C D E


高中选修物理(下)实验活动手册 6
材料
直径(mm)
长度(m)
镍铬
0.14
10

0.14
20

0.28
20
1.72×10

8


0.14
10

0.28
10
电阻率(Ω?m) 1.50×10

6

四 实验步骤
一﹑欧姆定律
1.高电阻法
(1) 将电池﹑安培计﹑伏特计﹑可变电阻及待测电阻箱(选择电阻 A)连接如图7-7﹐测量电流(I)
与电压(V)。


高中选修物理(下)实验活动手册 7
图7-7 高电阻法的接线图

(2) 调整可变电阻值﹐以改变电阻箱两端的电压大小﹐重复步骤(1)。
(3) 依所得的数据记录﹐作 I-V 图﹐以验证欧姆定律﹐并计算电阻值。
2. 低电阻法
(1) 将电池﹑安培计﹑伏特计﹑可变电阻及待测电阻箱(选择电阻 B)连接如图7-8﹐测量电流
(I)与电压(V)。

图7-8 低电阻法的接线图

(2) 调整可变电阻值﹐以改变电阻箱两端的电压大小﹐重复步骤(1)。


高中选修物理(下)实验活动手册 8
(3) 依所得的数据记录﹐作I- V图﹐以验证欧姆定律﹐并计算电阻值。
(4) 分别重新选择待测电阻箱中的电阻 C﹑D﹑E﹐重复步骤(1)~(3)。
二﹑惠司同电桥
1. 将滑线﹑惠司同电桥线路连 接好(R
1
为可变电阻箱﹐R为待测电阻箱)﹐如图7-9﹐选择待测电阻
A。

图7-9 惠司同电桥接线图

2. 将检流计的接点P置于滑线中央﹐并接上电池开关。
3. 调整可变电阻箱的电阻﹐使检流计的指针尽量接近零点。再移动检流计的接点
的读数正对零点。
4. 记录R
?
PN
?
1
的电阻大小与MP
??< br>﹑
?
PN
?
的长度﹐利用R=R
1
MP
??
﹐计算待测电阻的大小。
5. 选择不同的待测电阻B﹑C﹑D﹑E﹐重复步骤1.~4.。
6. 计算待测电阻A﹑B﹑C﹑D﹑E的电阻率。

欧姆定律与惠司同电桥记录
三年 班 座号︰
P﹐使检流计


高中选修物理(下)实验活动手册 9
姓名︰ 组别︰
一 实验记录
一﹑欧姆定律
1. 高电阻法
■ 电阻 A
1
电阻材料名称:

电阻率:
长度:
直径:
电阻编号 实验次数
电压(V)
电阻 A 电流(A)
电阻(Ω)
1



2



3



4



5



电阻A平均值与误差= ± Ω
2
作I-V图


高中选修物理(下)实验活动手册 10

2. 低电阻法
(1) 电阻 B
1
电阻材料名称:

电阻率:
长度:
直径:
电阻编号 实验次数
电压(V)
电阻 B 电流(A)
电阻(Ω)
1



2



3



4



5



电阻B平均值与误差= ± Ω
2
作I-V图


高中选修物理(下)实验活动手册 11

(2) 电阻 C
1
电阻材料名称:

电阻率:
长度:
直径:
电阻编号 实验次数
电压(V)
电阻 C 电流(A)
电阻(Ω)
1



2



3



4



5



电阻C平均值与误差= ± Ω
2
作I-V图


高中选修物理(下)实验活动手册 12

(3) 电阻 D
1
电阻材料名称:

电阻率:
长度:
直径:
电阻编号 实验次数
电压(V)
电阻 D 电流(A)
电阻(Ω)
1



2



3



4



5



电阻D平均值与误差= ± Ω
2
作I-V图


高中选修物理(下)实验活动手册 13

(3) 电阻 E
1
电阻材料名称:

电阻率:
长度:
直径:
电阻编号 实验次数
电压(V)
电阻 E 电流(A)
电阻(Ω)
1



2



3



4



5



电阻E平均值与误差= ± Ω
2
作I-V图


高中选修物理(下)实验活动手册 14

二﹑惠司同电桥
1. 数据记录及计算待测电阻 R 的大小
可变电阻箱的
待测电阻编号
电阻 R
1
(Ω)
A
B
C
D
E
2. 计算待测电阻的电阻率
长度 L
待测电阻编号
(m)
A
B
C
D
E





(mm)





半径 r 电阻大小
电阻率 ρ(Ω?m)





??
MP
(cm)





??
PN
(cm)





??
PN
待测电阻 R=R
1

?
(Ω)
?
MP





R
(Ω)










LRπr
2
参考公式:R=ρ
πr
2
? ρ=
L


高中选修物理(下)实验活动手册 15
二 问题与讨论
1. 要将待测电阻箱中的两个电阻串联或并联﹐应如何接线?
答:每个待测电阻都有左﹑右两孔﹐若要测量两个电阻的串联或并联﹐可用以下的方式联接。


2. 欧姆定律实验中﹐以 I 为纵坐标﹑V为横坐目标 I-V 曲线关系为何?曲线的斜率有何意
义?
答:是一条通过原点的斜直线。以 I 为纵坐标﹑V 为横坐标﹐则直线显示I 和 V 有正比的关
系。且直线上的斜率代表电阻的倒数。


3. 测量待测电阻箱的五个电阻中﹐材料相同时﹐电阻的大小和材料的长度﹑直径有什么关系?
答:实验结果为电阻的大小和材料的长度成正比﹐与直径的平方(截面积)成反比。


4. 利用惠司同电桥测量电阻﹐是否需考虑检流计的内电阻?
答:不需要﹐因为 惠司同电桥测量电阻的工作原理是调整可变电阻﹐使检流计的读数为零﹐亦即并
没有电流通过检流计﹐所 以不需要考虑其内电阻。


高中选修物理(下)实验活动手册 16
5. 在接好线路﹑接通开关后﹐发现不论检流计的接点 P 移至滑线的任一位置﹐检流计读数均为
零﹐其可能原因为何?
答:可能的原因有许多﹐如:(1)接点 P 与滑线接触不良﹐形成断路﹐此时可用砂纸或刀片将接头
处的氧化层磨除。(2)其他接点的接触不良或接错﹐形成断路。(3)此外也有可能电池没电了
或(4)检流计坏了。


三 实验心得



四 实验评量
G
的指示为零﹐则下列叙述何者有误? ((C))1. 如右图的电路中﹐检流计○
(A)C﹑D两点的电位相同
(B)AC间的电位差=AD间的电位差
(C)AC间的电位差=CB间的电位差
(D)CB间的电位差=DB间的电位差
(E)流入A点的电流=自B点流出的电流。

((C))2. 在“惠司同电桥”实验中﹐检流计一端经由接线接到一条均匀金属在线﹐接 触点可在金属
在线滑动。实验时必须移动接触点到适当位置﹐其目的是


高中选修物理(下)实验活动手册 17
(A)测量检流计之最大偏转电流值
(B)测量通过电池之最小电流值
(C)测量接触点两边金属线之长度及对应之电阻值
(D)测量此均匀金属线之总电阻值
(E)保护系统使仪器不会超载。
G
没有电流通过﹐则下列哪个改变仍然可以维持检流((C))3. 右图所示之电路中﹐已知检流计○
计中没有电流通过?
(A)只减少R
1
的值
(B)只减少R
2
的值
(C)只增加R
3
的值
(D)只增加R
4
的值
(E)只减少R
5
的值。

G
的指示为零﹐则 ((B))4. 如右图的电路中﹐检流计○
(A) R
1
=R
2
﹐R
3
=R
4

(B) i
1
(R
1
+R
3
)=i
2(R
2
+R
4

(C) R
1
:R
4
=R
2
:R
3

(D) i
1
:i
2
=R
1
:R
2
= R
3
:R
4


高中选修物理(下)实验活动手册 18
(E) i
1
:i
2
=(R
1
+R
3
):(R
2
+R
4
)。

((E))5. 如 右图中电阻线R
1
=10欧姆﹑R
2
=20欧姆﹑R
3
=3 0欧姆﹑R
4
=30欧姆﹐电池中电动势ε
=6伏特﹐不具内电阻。下列叙述中﹐正确 的是
(A)由电池流出的电流i=0.2安培
(B) 流入R
1
之电流为0.1安培
(C)AC间之电位差为3伏特
(D)AD间之电位差为2伏特
(E)要使C和D两点的电位相等,应将R
4
改为60欧姆的电阻。


电流的磁效应及电流天平
一 实验目的


高中选修物理(下)实验活动手册 19
1. 了解通过螺线管之电流大小与管内所产生磁场量值的关系。
2. 了解通过导线之电流大小与导线在磁场中受力量值的关系。

二 实验原理
1. 电流 I﹑长度 L 的载流直导线置于磁场 B 中﹐若导线方向(即电流方向)与磁场方向垂直﹐
则受力量值为
F=ILB
2. 本实验利用如图 8-1 的装置进行实验
(1) 长方形电路绝缘板即电流天平﹐沿长方形半边边缘有 U 形金属电路﹐中间两根细金属短
棒连接 U 形电路两端﹐除作为电流天平支撑杆外﹐并为 U 形电路电流的出入端。中间
(或一端)有调节螺丝 n﹐可藉以在实验前微调电流天平成水平。
(2) 实验时将电流天平 U 形电路的一端伸入螺线管 内﹐使末端约位于螺线管内的中央位
置。电流天平与螺线管各自连接一直流电源﹐螺线管通电流 I
2
则产生磁场 B﹐电流天平
通电流 I
1
﹐则 U 形电路垂直磁场方向的直导线(长度 L)受到磁力 F
F=I
1
LB (8.2)
(8.1)

图 8-1 电流天平与螺线管之装置图


高中选修物理(下)实验活动手册 20
(3) 调整电流方向(I
1
或 I
2
皆可)使 U 形电路受到磁力向下倾斜﹐在电流天平另一端加重
物 m 使其恢复水平平衡﹐因电流天平为等臂﹐故
F=mg
故可测得管内磁场量值为
mg
B=
IL

1
3. 实验中所需测定的关系有两部分
(1) 固定流过直导线的电流 I
1
(约 2 A﹐可依实验室状况适度重设大小)﹐置一小重物 m﹐改
变螺线管电流 I
2
﹐ 使电流天平呈水平﹐可求出螺线管磁场 B 与通过螺线管电流大小的
关系 (B-I
2
图)。
(2) 固定螺线管电流 I
2
﹐即固定螺线管磁场 B﹐置一小重物 m﹐改变流过直导线的电流 I
1
﹐使
电流天平呈水平﹐可求出通过直导线电流与所受磁力量值的关系(m-I
1
图)。
三 实验器材
1
电流天平 ·

·· ·················································· ··································· 1 具 /组
(8.3)
(8.4)
2
空心螺线管 ·

··· ·················································· ······························· 1 具 /组
3
直流电源供应器(具安培计功能) ·

························ ······························· 2 具 /组
4
安培计 ·

··································· ·················································· ····· 2 具 /组
5
滑动式可变电阻(约 20 ?﹐最大容许电流 5 A 以上) ·

····························· 2 个 /组
6
天平(灵敏至 0.01 g﹐共享)

········ ·················································· ············ 1 座
7
导线(附接头) ·

····· ·················································· ························ 8 条 /组
8
公制尺(15 cm 或游标尺) ·

······························ ································· 1 把 /组


高中选修物理(下)实验活动手册 21
9
方格纸(作重物用) ·

········································ ································ 若干 /组
10
剪刀(或美工刀﹐裁切方格纸用) ·

······················· ································· 1 把 /组

四 实验步骤
1. 测量 U 形电路短边直导线的长度 L﹐如图 8-2。

图 8-2

2. 裁切方格纸 10 格×10 格(即 10 cm×10 cm﹐亦可 5 cm×5 cm)的大小数张﹐以天平测量总
质量﹐可求得每一小格的质量﹐作为电流天平的砝码﹐如图 8-3。


高中选修物理(下)实验活动手册 22

图 8-3

3. 将电流天平 U 形电路的一部分插入螺线管内﹐并调整螺丝 n﹐使电流天平成水平平衡﹐如图
8-4。

图 8-4

4. 如图 8-5 所示之电路图﹐将安培计﹑可变电阻接上电流天平与螺线管(电阻接上前先调至最
大)。


高中选修物理(下)实验活动手册 23

图8-5 电流天平与螺线管之电路图

5. 接上直流电源﹐调整可变电阻﹐使流经电流天平的电流 I
1
固定为 2 A(可依实验室状况适度
重设大小﹐调整过程中应注意不可使电流超过仪器容许量)。
6. 如图 8-1﹐置一小重物 m(1 小格方格纸﹐视需要调整数量或切割成更小格)于螺线管外电流
天平的另一端。
7. 调节螺线管之电流 I
2
﹐使电流天平成水平平衡﹐并记录重物 m 及电流 I
2

8. 改变小重物 5 次﹐重复步骤6.﹑7.﹐记录 m 与 I
2
﹐作其关系图。
9. 依式(8.4)求出每次的磁场 B﹐作 B 与 I
2
之关系图。
10. 如步骤3.﹑4.﹐接上电流﹐调整可变电阻﹐使螺线管之电流 I
2
固定为 2 A(可依实验室状况适
度重设大小)。
11. 如步骤6.﹐调整电流天平之电流 I
1
﹐使电流天平成水平平衡﹐并记录重物 m 及电流 I
1
.
12. 改变小重物 5 次﹐重复步骤 10.﹑11.﹐记录 m 与 I
1
﹐并作其关系图。

实验8 电流的磁效应及电流天平记录


高中选修物理(下)实验活动手册 24
三年 班 座号︰
姓名︰ 组别︰
一 实验记录
电流天平导线垂直磁场部分的长度 L= m.
1. 固定电流天平的电流 I
1

I
1
= A
I
2
(A)






2. m-I
2
关系图
m(kg)






mgN
B=
IL
( )
A.m
1







3. B-I
2
关系图


高中选修物理(下)实验活动手册 25

4. 固定螺线管的电流 I
2

I
2
= A
m(kg)






5. m-I
1
关系图
I
1
(A)






mgN
B=
IL
( )
A.m
1






高中选修物理(下)实验活动手册 26

二 问题与讨论
1. 在步骤7.中﹐若调节电流 I
2
时﹐发现电流天平愈来愈倾斜﹐应如何处置?
答:(1) 若是 bc 段向上倾斜﹐则表示电流 I
2
方向不对﹐应改变 I
2
之方向(或 I
1
之方向亦可)
﹐并减少 I
2
之强度。
(2) 若是 bc 段向下倾斜﹐则表示电流I
2
方向正确﹐故只减少 I
2
之强度即可。


2. 如何由步骤8.之关系图及式(8.4)推知载流导线之磁场量值与其电流之关系?
答:(1) 由步骤7可知﹐当 I
1
固定时﹐m ∝ I
2

(2) 由式(8.4)B=
mg
﹐若 I
1
固定时﹐m ∝ B。
I
1
L
由(1)﹑(2)得 B ∝ I
2
﹐即磁场量值与电流大小成正比。


3. 本实验可否用来测定磁导率 ?
0
?(假设真空中的磁导率与在空气中相等)
答:可;其主要步骤有二:


高中选修物理(下)实验活动手册 27
(1) 测量 I
1
、I
2
及 m。
(2) 将 I
1
、I
2
及 m 值代入式 mg=μ
0
n I
1
I
2
L,即可得?
0



三 实验心得



四 实验评量
((E))1. 某 君做“电流天平”实验时﹐发现只有一安培计可用。他将电流天平﹑产生磁场的螺管线
圈﹑可变电阻和安 培计串联在一起﹐然后再接到电池上﹐结果电流达到 I 值时天平达
到平衡﹐此时天平之砝码重 m。当电流增加到 3I 时﹐要使天平平衡﹐砝码应增加到
(A) 2m (B) 3m (C) 4m (D) 6m (E) 9m。
((C)(D)(E))2. 设电流天平中流过 U 形金属环之电流为 I
1
﹐流过螺线管之电流为 I
2
时﹐天平
恰成平衡。今将电流 I
1
﹐I
2
做如下的改变(负号表示电流方向改变)﹐问在哪
些情况天平仍可保持平衡?(多选)
(A) I
1
变成- I
1
﹐但 I
2
不变
(B) I
2
变成- I
2
﹐但 I
1
不变
(C) I
1
变成- I
1
﹐同时 I
2
变成- I
2

(D) I
1
变成 I
2
﹐同时 I
2
变成 I
1

(E) I
1
变成- I
2
﹐同时 I
2
变成- I
1

((A))3. 等臂电流天平的主要装置包括螺线管﹑电流天平(含U形电路)﹑直流电源供应器﹑< /p>


高中选修物理(下)实验活动手册 28
滑线可变电阻及安培计等。电流天平的构造示意图如下图所示。令螺线管所载电流
为 I
2
﹑U形电路上的电流称之为 I
1
﹑U形电路的宽度 L=1.0 cm﹑天平前端所挂的
小重物重量为 mg。载流螺线管内部的磁场 B 正比于电流 I
2
﹐即 B = αI
2
(α=
1.2×10

3
T /A)。小明利用电流天平装置﹐测量小重物的质量。实验量得在平衡时﹐ I
1

=1.0 A 与
I
2
=4.1 A﹐则小重物质量约为多少 kg?

(A) 5.0×10

6

(D) 5.0×10

5

(B) 4.1×10

6

(E) 4.1×10

5

(C) 2.5×10

5

((D))4. 电流天平的主要装置包括螺线管﹑电流天平(含 U 形电路)﹑直流电源供应器﹑滑线
可变电阻及安培 计等。电流天平的构造示意图如下图。令螺线管所载电流称之为 I
2

﹑U 形电路上的电流称之为 I
1
﹑U 形电路的宽度 L=10.0 cm﹐天平前端所挂的小重
物重量为 mg。下列有关电流天平的叙述何者错误?

(A)常用的电流天平是一等臂天平
(B)利用电流天平可测量小重物的重量


高中选修物理(下)实验活动手册 29
(C)平衡时﹐U 形电路所受的磁力等于小重物的重量
(D) U 形电路上的电流所受的总磁力正比于 U 形电路的总长度
(E)天平前端(挂小重物端)若一直垂下﹐天平无法达到平衡时﹐则将 I
1
或 I
2
的电流
方向改变﹐可能可以解决问题。
((A))5. 承第4.题﹐载流螺线管内部的磁场(B)正比于电流( I
2
)﹐即 B=α
I
2
。小明利用
电流天平装置﹐测量比例常数 α﹐并将小重物的重量固定为 50 毫克重。实验时﹐他将
螺线管电流
I
2
作为主变量﹐电流天平电流
I
1
作为应变量﹐量得
I
1

I
2
的关系数
据如下表﹐试问比例常数 α 的数值为何?(α 的单位为特斯拉 /安培)
I
2
(安培)
I
1
(安培)
(A) 1.3×10

3

(D) 2.4×10

1



1.0
3.9
1.5
2.6
2.0
2.0
3.0
1.3
4.0
1.0
(B) 1.5×10

2

(E) 8.5×10

1

(C) 4.5×10

2

电子的荷质比

一 实验目的
使用电子束管及亥姆霍兹线圈(Helmholtz′s coils)或使用 6AF6 型电子管配合螺线管﹐以
e
测定电子的荷质比
m

二 实验原理
如图 9-1﹐一电子在均匀磁场 B 中运动﹐若电子的速度 v 与磁场 B 垂直﹐则电子的运动轨迹为


高中选修物理(下)实验活动手册 30
一圆﹐若已知磁场 B 的量值及电子的速度量值 v﹐再利用轨道半径 r 的测量﹐我们便可得知电子的
e
电量 e 与其质量 m 间的比值 。
m
(简称荷质比)

图9-1 电子在均强磁场内作圆周运动

电子以速度 v 垂直磁场 B 运动时﹐其所受的力 F 为
F =(-e)v× B
因力 F 与速度 v 永远保持垂直﹐故电子便在垂直磁场的平面上作等速圆周运动﹐设圆周半径为 r﹐
根据牛顿定律
F =ma

式中 m 为电子的质量﹐a 为向心加速度﹐又电子所受磁场的作用力 F﹐其值为

F=evB

电子作圆周运动时﹐加速度量值 a 为
v
2
a=
r


(9.3)
(9.2)
(9.1)


高中选修物理(下)实验活动手册 31
合并式(9.1)﹑式(9.2)及式(9.3)可得
mv
2
evB=
r

加以整理可得
ev
m

rB

式(9.4)中﹐v 为电子的速率。
由于电子在射入磁场 B 之前﹐是先经电子鎗电位差 V 的加速﹐故电子的速度可由电位差 V 求得
1
2
2
mv=eV

合并式(9.4)与式(9.5)可得
e2V
m

B
2
r
2


在本实验中﹐磁场 B 的产生是利用两个导线线圈并排﹐两线圈相隔距离等于线圈半径(此两线圈合起来称为亥姆霍兹线圈)﹐两线圈通以同向等大的直流电流时﹐在连心轴中央产生一近乎
均匀 的磁场﹐且磁场方向平行连心轴。磁场的量值 B 为
B=

上式中 ?
0
=4π×10

7
Wb∕A?m
N:每一个线圈的匝数
I :通过线圈的电流
R:线圈半径
若将式(9.7)代入式(9.6)可得电子的荷质比
8?
0
NI

125R
(9.7)
(9.6)
(9.5)
(9.4)


高中选修物理(下)实验活动手册 32
e125R
2
V< br>m

32?
0
2
N
2
I
2
r
2


(9.8)
ee
式(9.8)中等号右边的相关量均可测得﹐故电子荷质比
m
便可求得。电子荷质比
m
的公认
值为 1.76×10
11
C∕kg。
本实验的电子束管及亥姆霍兹线圈也可用 6AF6 电子管及其螺线管取代﹐两者的原理相
同。
三 实验器材
1
电子束管(附尺标在内)或 6AF6 型电子管

·················· ······························· 1具∕组
2
磁场线圈或螺线管 ·

······························· ················································· 1具∕组
3
可调变高压直流电源供应器(0-20-250 V)

(附 6.3 V 灯丝电源及接头) ········ 1具∕组
4
可调变稳定直流电源( 6 V 或 12 V )

···························· ····························· 1具∕组
5
直流电压电源供应器( 0 ~ 250 V) ·

·················· ········································ 1具∕组
6
直流电流电源供应器( 6 ~ 12 V )

········· ·················································· · 1具∕组
7
导线

····················· ·················································· ······························ 9 条∕组


高中选修物理(下)实验活动手册 33


四 实验步骤
一﹑使用电子束管及亥姆霍兹线圈
1. 将仪器安装如图 9-2﹐并将各旋钮调至最小﹐为保险起见﹐安装后再核对一次。

图9-2 电子束管及亥姆霍兹线圈接线图


高中选修物理(下)实验活动手册 34
2. 将阴极与阳极间接上 80 V 电位差。
3. 磁场线圈通以电流 I﹐并测量电子轨道半径 r。
4. 再重复步骤3.三次﹐共可得四组电流 I 与半径 r 的对应值。
e
5. 将所得数据代入公式(9.8)﹐计算
m
值。
6. 将阴极与阳极改接 150 V 电位差﹐重复步骤3.~5.。
7. 阴极与阳极改接 200 V 电位差﹐重复步骤3.~5.。
二﹑使用 6AF6 型电子管及螺线管
1. 将仪器安装如图 9-3 及图 9-4﹐并将各旋钮调至最小﹐为保险起见﹐装妥后再予核对一次。

图9-3 6AF6 电子管接线图


高中选修物理(下)实验活动手册 35
图9-4 螺线管接线图

2. 阳极接上 100 V 电压。
3. 改变螺线管电流 I﹐使射出电子束的边缘形成半圆形﹐如图 9-5﹐记录半圆形的半径 r 及电流 I。

图9-5

4. 利用实验 8(电流的磁效应及电流天平)所得螺线管磁场量值 B 及电流 I 之关系﹐求得磁场
的量值 B。
e2Ve
5. 将所得的 r 及 B 值代入公式
m

B
2
r
2
﹐并计算
m
值。
e
6. 重复步骤3.~5.﹐共可得四个
m
值。
7. 将阳极接上 150 V﹐重复步骤3.~6.。
8. 将阳极接上 200 V﹐重复步骤3.~6.。

实验9 电子的荷质比记录
三年 班 座号︰
姓名︰ 组别︰
一 实验记录


高中选修物理(下)实验活动手册 36
一﹑使用电子束管及亥姆霍兹线圈
1. 线圈匝数(单侧)N= 圈;线圈半径 R= m。
?
0
=4π×10

7
Wb∕A?m
电压 V
(V)
电流 I 平均值
(A) 与误差

80




150




200



二﹑使用 6AF6 型电子管及螺线管
阳极电
电流 I
压 V
(A)
(V)

100




150



200


误差 (m)











误差











值与半径 r值与
(T)
误差











平均电子束平均
磁场 B
值与
平均
e2VC

22
( )
mBrkg
平均
值与
误差



电子轨道半径 r
(m)














平均值
与误差

平均值
与误差

eC
荷质比
m

kg


















高中选修物理(下)实验活动手册 37



二 问题与讨论









1. 取一指南针﹐置于亥姆霍兹线圈中两线圈中央﹐比较线圈未加电流与加电流时﹐地磁对指南针指向的影响大小。
答:(1) 未加电流时﹐线圈中心没有磁场﹐在只有地磁的作用下﹐指南针的 N 极对准北方。
(2) 加电流后﹐线圈磁场的强度远大于地磁﹐故磁针指向连心轴的方向。



e
2. 测得的
m
平均值为多少?误差的来源为何?并估计其值。
e
答:
m
的公认值为 1.76×10
11
C/kg。
误差可能来自旋转半径 r 之测量﹐也可能来自磁场 B 与电子束的速度未能保持垂直。


e
3. 如果电子束与磁场不垂直﹐会影响
m
的实验值吗?
答:会。
设电子速度 v 与磁场 B 之夹角为 θ﹐速度垂直于 B 之分量为 v

= v sin θ﹐则
1
eV =
2
mv
2

1
mv
2
= 2eV......................○< br>v

2
ev

B = m
r

mv

=eBr
2
mv sinθ=eBr...............○


高中选修物理(下)实验活动手册 38
e2V sin
2
θ
2
1
及○
2
可得 = 由○
22
﹐式中 sin
θ 项会产生误差。
mB r



三 实验心得



四 实验评量
(加注 * 表不属于课程纲要范围﹐仅供参考)

((B))*1. 在“电子的荷质比”实验中﹐所用的 6AF6 型电子管﹐其内荧光物质是涂于
(A)管壁上 (B)阳极 (C)丝极 (D)偏向电极 (E)阴极。
((B))*2. 在“电子的荷质比”实验中﹐6AF6 型电子管之两偏向电极应
(A)接上 90 伏特 ~ 250 伏特之交流电压
(B)均接在阴极
(C)均接在阳极
(D)将其一极接于阳极﹐另一极接于丝极
(E)将其一极接于阳极﹐另一极接在阴极。
((E))*3. 在“电子的荷质比”实验中﹐6AF6 型电子管之阳极与阴极间宜加约
(A) 110 V 之交流电压
(B) 6 V 之交流电压
(C) 6 V 之直流电压


高中选修物理(下)实验活动手册 39
(D) 90 ~ 250 V 之交流电压
(E) 90 ~ 250 V 之直流电压。
((A))*4. 在“电子的荷质比”实验中﹐当 6AF6 管加上磁场测定电子质量时﹐可在荧光屏上观察
到之圆弧数有
(A) 4 个 (B) 6 个 (C) 1 个 (D) 8 个 (E) 3 个。
((E))5. 在“电子的荷质比”实验中﹐如果所加磁场增为 2 倍﹐则所见荧光屏上圆弧的曲率半径变
为原来之
(A) 6 倍
1
(B)
4
倍 (C) 4 倍 (D) 2 倍
1
(E)
2
倍。
((D))6. 在“电子的荷质比”实验中﹐若欲使电子的运动半径增大﹐则
(A)应更换另一支电子管
(B)改变灯丝的电压
(C)调整螺线管和电子管的相对位置
(D)调整可变电阻﹐改变线圈的电流
(E)把连接线圈导线的电池之正﹑负极互换。

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