Thí nghiệm môn Vật lý - Bài 2: Xác định điện tích riêng của electron bằng phương pháp manhetron

Thí nghiệm Vật Lý Bài 2:Xác định điện tích riêng của Electron bằng phương pháp Manhetron Dụng cụ: 1. Bộ thí nghiệm vật lý Mc-95.11. 2. Đèn Manhetron. 3. Cuộn dây tạo từ trường. 4. Các dây dẫn dùng nối mạch điện(9 dây). 5. Nguồn điện xoay chiều 220V. I. Cơ sở lý thuyết. U2 + - ống dây D - + A2 G K + - V + - U3 Bóng đèn A1 U1 Hình 1. Điện tích riêng của Electron là tỷ số giữa điện tích e và khối lượng m của Electron. Ta có thể xác định đại lượng này thiết bị thí nghiệm bố trí theo sơ đồ mạch điện như hình 1: Anốt B=B1 B<B1 B>B1 B=0 Lưới Hình 2. Gồm phần chính là một đèn Manhetron M đặt ở bên trong một ống dây dẫn D. Đèn đèn Manhetron M là một bóng thuỷ tinh, bên trong là chân không cao (10-7-10 –8 mmHg) và có 3 điện cực: Katôt K và Anôt A là hai ống trụ kim loại, còn lưới G là một lưới kim loại hình trụ ngăn giữa A và K. các điện cực này được dặt cùng trục với đèn M, nhưng K nằm gần lưới G hơn và có đường kính khá nhỏ so với A. K được nung nóng bằng sợi dây kim loại nối với nguồn điện U2. Nguồn điện U3 gây ra một điện trường có tác dụng làm tăng tốc các Electron phát ra từ K. Các Electron này chuyển động qua lưới G đến A tạo thành dòng điện Anốt I2 chỉ bởi miliampekế A2. Động năng của Electron khi bay tới G có giá trị đúng bằng công của lực điện trường giữa K và G: (1) Với U là hiệu điện thế giữa K và G đo bằng vôn kế V còn e và m là điện tích và khối lượng của Electron, v là vận tốc của Electron khi bay tới lưới G. Vì Anốt A được nối với G bằng một dây dẫn có điện trở rất nhỏ nên hiệu điện thế giữa chúng coi như bằng 0. Electron sẽ chuyển động thẳng đều từ lưới G về Anốt A với vận tốc v không đổi để tạo ra dồng điện cường độ I2 chạy qua miliampekế. Từ công thức (1), ta suy ra trị số của vận tốc v: (2) Nếu nối cuộn dây D với nguồn điện U1, sẽ có dòng điện cường độ I chạy qua cuộn dây này: trong lòng ống dây D xuất hiện một từ trường hướng dọc theo trục của đèn M và vuông góc với vận tốc của Electron. Từ trường tác dụng lên Electron một lực Lorenxer FL tính theo công thức: Vì hướng vuông góc với , nên lực có trị số bằng: (3) Lực Lorenxer luôn luôn hướng vuông góc với , nó đóng vai trò lực hướng tâm, làm cho Electron khi bay ra khỏi lưới G phải chuyển động theo một quỹ đạo tròn có bán kính R xác định bởi điều kiện: (4) ở đây cảm ứng từ B trong lòng ống dây D được tính bằng công thức: (5) Với (H/m) là hằng số từ, n là số vòng dây trên một đơn vị dài của ống dây, a là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào cấu tạo ống dây D. Theo (4) và (5), cảm ưng từ B trong lòng ống dây D tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện I chạy qua ông dây, còn bán kính R của quĩ đạo tròn của Electron tỷ lệ nghịch với cảm ứng từ B. Vì vậy, ta có thể tăng dần cương độ dòng điện đến giá trị I ³ I1 để tăng dần cảm ứng từ đến giá trị B ³ B1 sao cho bán kính của quĩ đạo tròn của Electron giảm dần đến giá trị như hình 2, với d là khoảng cách giữa Anốt A và lưới G. trong trường hợp các Electron không tới được Anốt A nên cường độ dòng điện Anốt chạy qua miliampekế A2 sẽ giảm đến giá trị I2=0. Khi đó thay (2) và (5) vào (4), ta tìm được: (6) Trong thí nghiệm này, ta xác định điện tích riêng e/m của Electron theo công thức (6). Các giá trị của a, n, d được cho trước và giá trị của U đo được bằng vôn kế V, nên ta chỉ cần đo giá trị I1 trên ampekế A1 mắc nối tiếp với ống dây D khi dòng điện Anốt chiệt tiêu ( I2=0). Cách xác định giá trị I1 : Theo trên, Khi cảm ứng từ B=B1 ứng với giá trị dòng điện I=I1 thì các Electron không đến được Anốt A và dòng điện Anốt I2=0 do đó ta chỉ cần theo dõi sự giảm dần của dòng điện I2 trên miliampekế A2 trong quá trình tăng dần dòng điện I trên ampekế A1 cho tới khi I2=0 thì I=I1. a b I2 0 I1 I Hình 3. Nhưng do chuyển động nhiệt một số Electron có vận tốc lớn vẫn có thể bay tới Anốt A ngay cả khi I=I1. Vì thế dòng điện I2 vẫn không hoàn toàn bị triệt tiêu, nghĩa là I2ạ 0 . Đồ thị biểu diễn sự giảm dần của dòng điện I2 phụ thuộc dòng điện I có dạng đường cong I2 = f(I) như trên hình 3. Đoạn dốc nhất của đường cong I2 = f(I) ứng với trường hợp đa số Electron không tới được Anốt A. Vẽ tiếp tuyến AB với đoạn dốc nhất của đường cong I2=f(I). Khi đó giá trị dòng điện I1 được chọn tại giao điểm của tiếp tuyến AB kéo dài ccắt trục hoành OI. II. Trình tự thí nghiệm. 1. Chuẩn bị bộ thí nghiệm MC-95.11 để thục hiện thí nghiệm này: 1.1 Chưa cắm phích lấy điện của bộ MC-95.11 vào nguồn điện~220V. 1.2 Quan sát cách bố trí các dụng cụ trên mặt máy của bộ MC-95.11 như hình 4. Hình 4. Anốt A ống dây D Katốt K Lưới G F F Sợi nung 4-5V A1 3A 5A - + A2 1mA 3mA V 3V 10V Nguồn 1 chiều U1 0-6V/5A K1 0 + - Nguồn 1 chiều U2 0-6V/5A 0 + - K2 Nguồn 1 chiều U1 0-6V/5A + - 0 K1 - + + - 2. Dùng các dây dẫn nối mạch điện trên mạch máy MC-95.11 theo sơ đồ hình (4): - Nối sợi nung FF vào nguồn một chiều U2. - Mắc nối tiếp Miliampekế A2 với đèn Manhetron và mắc vôn kế V song song giữa lưới G và Katốt K của đèn với nguồn một chiều U3. - Mắc nối tiếp ống dây D và ampekế A1 với nguồn một chiều U1. - Gạt các núm chuyển mạch để đặt: vôn kế V ở thang đo 10V, ampekế A1 ở thang đo 3A, miliampkế A2 ở thang đo 1 mmA. -Vặn núm xoay của các nguồn điện một chiều U1, U2, U3về vị trí 0. - Các công tắc K1, K2, K3 đều đặt ở trạng thái ngắt mạch. Chú ý: mắc đúng các cực âm và dương trong mạch điện. 3. Mời thời giáo tới kiểm tra mạch điện trên mặt máy của bộ MC-95.11. Rồi mới cắm phích lấy điện vào nguồn điện~220V. - Bấm các công tắc K1, K2: Cácđèn Led của chúng phát sáng. Vặn núm xoay của nguồn U2 đến vị trí khoảng 4-5V để đốt nóng sợi nung FF của đèn Manhetron. Chờ 2-3 phút sau, bấm công tắc K3: đèn Led của nó phát sáng. 4. Vặn núm xoay của nguồn U3 để hiệu điện thế giữa lưới G và Katốt K chỉ bởi vôn kế V đạt giá trị U=6V. Khi đó miliampekế A+2+ chỉ giá trị của cường độ dòng điện Anốt I: Đọc và ghi giá trị U=6V vào bảng 1. 5. Vặn từ từ núm xoay của nguồn U1  để tăng dần cường độ dòng điện I chạy qua ống dây D. Giá trị của cường độ dòng điện I đọc trên ampekế A1. Đọc và ghi đồng thời các số chỉ của ampekế A1 và miliampekế A2 vào bảng 1 cho tới khi miliampekế A2 chỉ cường độ dòng điện I2=0. Vặn núm xoay của nguồn U1 về vị trí 0. 6. Đọc và ghi các số liệu sau đây vào bảng 1. - Cấp chính xác và giá trị cực đại Um trên thang đo của vôn kế V. - Cấp chính xác và giá trị cực đại I1m trên thang đo ampekế A1. - Cấp chính và giá trị cực đại I2m trên thang đo của miliampekế A2. - Hệ số a, số vòng dây trên đơn vị chiều dài n của ống dây D. - Khoảng cách d giữa Anốt A và lưới G của đèn Manhetron. III. Câu hỏi kiểm tra. 1. Nêu định nghĩa và đơn vị đo điện tích riêng của Electron. 2. Trình bày phươngpháp xác định điện tích riêng của Electron bằng đèn Manhetron. Giải thích rõ chuyển động của Electron trong điện trường và từ trường. 3. Trong sơ đồ mạch điện thí nghiệm trên hình 1, tại sao phải mắc cực (-) của miliampekế A2 vào Anốt a và cực (+) của nó vào lưới G của đèn Manhetron ?. 4. Tại sao phải giữ giá trị hiệu điện thế của nguồn điện U2 khôngthay dổi trong suốt thời gian tiến hành thí nghiệm? 5. Giải thích rõ cách xác định giá trị I1 khi cường độ dòng điện Anốt triệt tiêu ( I2=0) bằng phương pháp đồ thị trên hình 3. Xác định điện tích riêng của Electron bằng phương pháp Manhetron Báo các thí nghiệm Trường đại học Sư Phạm Hà nội 2 Xác nhận của thầy giáo. Lớp :...................Tổ....................... Họ tên :.......................................... I. Mục đích thí nghiệm ................................................................................................................. ................................................................................................................. ii. Kết quả thí nghiệm 1. Bảng 1. Um=10(V) dv=2,5 Lưới-Katốt : U=6(V) a=0,200 n=6000(Vg/m)+0,2% d=7,0.10-3(m) I1m=3(A) I2m=3(mA) d1m=d2m=2,5 I(A) I2(mA) I(A) I2(mA) 0 I(A) I2 (mA) 2. Vẽ các đồ thị I2=f(I). 3. Tính giá trị của điện tích riêng của Electron : - Căn cứ vào dồ thị I2=f(I) vẽ được ở trên, xác định giá trị dòng điện. - Tính sai số tương đối của điện tích riêng X=e/m: - Tính giá trị của điện tích riêng: - Tính sai số tuyệt đối: 4. Viết kết quả đo điện tích riêng e/m của Electron: 5. So sánh giá trị đo với giá trị lý thuyết Cho biết , tính sai số tương đối :