e21 (997551), страница 2
Текст из файла (страница 2)
7 дана схема опыта по определению коэффициента пропорциональности β. Градуировка выполняется на переменном токе и основана на использовании явления электромагнитной индукции. От генератора Г через соленоид пропускают ток круговойVГRKCVРис. 7частоты ω: I = I0 соs ωt. В центре соленоида помещают маленькую измерительную катушку К, содержащую N витков со средней площадью S.
В пределах этой катушки поле однородно и направлено по нормали к плоскости витков. Магнитная индукция в катушке равнаB = β R C I = β R C I 0 cos ωtа магнитный потокФ = SB = Sβ R C I 0 cos ωtСогласно закону электромагнитной индукции, в N витках измерительной катушки возникает ЭДСε = −NdФ / dt = εгдеε00sin ω t ,= SNβω R C I 0 ,(9)Амплитуду тока соленоида I0 можно найти, измерив амплитуду напряжения U0 на активном сопротивлении R,включенном последовательно с соленоидом (см. рис.7): I0=U0/R. Теперь из (9) можно получить формулу для нахождения β по результатам измерений:β = R ε 0 /( ω S N R C U 0 )Описанным способом получено численное значение β, приведенное на установке.ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫЗадание 1.
Ознакомление с установкой.Установка (рис. 8) включает в себя: источник питания ИП, вырабатывающий постоянноенапряжение 30 В и ток до 1 А; лампу VL, соленоид С, вольтметр V и другие элементы. Зарисовать схему.Резисторы RЗ и R4 ограничивает напряжение на катоде К. Когда переключатель SА1замкнут, напряжение равно примерно 3 В, а эмиссия электронов нормальная. В другомположении переключателя эмиссия катода пониженная. Все аноды А соединены вместе,их потенциал регулируют переменным резистором R5. Включение тока соленоидаSBR3SA1R6R4VD1KR1ИПXTAR5OVD2CR2VLSA2UAUCVРис.8осуществляют кнопкой SВ, а ток регулируют резистором R6.
С помощью вольтметра V ипереключателя SА2 можно поочередно измерить напряжения UC и UA.Поясним особенности измерения анодного напряжения UA. Описанная выше процедуравизуального нахождения критического состояния проводится с помощью среднего анода.Для вычисления удельного заряда необходимо знать напряжение между этим анодом ипротиволежащим участком нити катода. Потенциал всех анодов одинаковый, а потенциалразличных точек катода отличается примерно на 3В. Середина нити имеет потенциал 1,5Вотносительно нижней (общей) точки.
Поскольку вольтметр невозможно подключить к середине катода, создана дополнительная цепь из одинаковых резисторов R1 и R2, в которой точка O имеет такой же потенциал, что и середина катода. Как видно из схемы,вольтметр подключают к анодам и точке O.Полупроводниковые диоды VD1 и VD2 играют вспомогательную роль. Они пропускаютток только в направлении, которое совпадает с острием в изображения диода на схеме.При выключении тока соленоида в нем возникает ЭДС самоиндукции, равная ε= -LdI/dt,где L, - индуктивность. ЭДС во много раз больше анодного напряжения и может повре-дить вольтметр.
Диод VD2 не мешает работе соленоида, так как его сопротивление великодля полярности рабочего напряжения UC. При обратной полярности, которую имеет ЭДСсамоиндукции, сопротивлениедиода мало, поэтому и напряжеSA1ние на нем мало.XTXT Диод VD1 защищает источник питания от короткого замыкания вVL случае неправильного по полярности его подключения к схеме,так как в этом случае сопротивлеC ние диода VD2 мало. Таким образом, диод VD1 автоматически защищает аппаратуру от неосторожного обращения.
(Эта функцияV называется «защитой от дурака» от английского «fоо1proof»).Внешний вид установки схематически показан на рис. 9. На верхней панели прибора расположены:R5SBсоленоид С и лампа VL внутрипрозрачного защитного кожуха;вольтметр V; ручки регулировкиR6SA2 анодного напряжения (R5) и магнитного поля (R6); кнопка SВвключения тока соленоида; переключатель вольтметра SА2; клеммы ХТ, на которые подается напряжение 30В от источника питаРис. 9ния.
Переключатель тока накалаSА1 установлен на задней стенке прибора.Задание 2. Измерение удельного заряда.1. Включить установку. Для этого включить в сеть источник питания. Установить максимальное анодное напряжение, повернув ручку «Регулировка анодного напряжения» походу часовой стрелки; при этом должно наблюдаться свечение анодов. Если его нет, проверить правильность (по полярности) подключения источника питания.2. Задать нормальный ток накала, установив переключатель SA2 на задней стенке в верхнее положение.3.
Подключить тумблером SА2 вольтметр к анодной цепи, установить напряжение UA 30Ви записать его в таблицу *.При нормальном накале катодаПри пониженном накале катода22UA, BUC, BUC , BUA, BUC, BUC2, B2………q/m= …q/m= …*Примечание. В таблице 15-20 строк.4.
Определить критическое состояние. Переключатель вольтметра перевести в положениедля измерения напряжения соленоида. Регулятор тока соленоида (R6) повернуть противчасовой стрелки до упора (минимум тока). Нажать кнопку SВ для включения тока соленоида. Наблюдая свечение среднего (четвертого с краю) анода и увеличивая ток соленоида, найти критическое состояние. При приближении к нему свечение анода разбиваетсятемной полосой на две части, как показано на рис. 5а. Затем, медленно увеличивая ток катушки, добейтесь исчезновения левой светлой полоски; это - критическое состояние (рис.5б). В критическом состоянии остается узкая светлая полоса на правом краю анода.
Изме-рить напряжение соленоида UC и записать его в таблицу.5. Описанные в п. 4 измерения повторить для различного анодного напряжения, уменьшаяего с шагом 2 В до 6 В. Результаты записать в таблицу.6. Уменьшить ток накала, установив переключатель SА1 в нижнее положение, и полностью повторить все измерения, описанные выше в пп.
3-5.7. Записать в отчет значение β, приведенное на задней стенке установки.Задание 3. Определение знака заряда электрона.1. Получить компас у лаборанта. Северный (синий) конец стрелки указывает направление!!вектора B . Располагая компас вблизи соленоида, найти направление вектора B внутрисоленоида. При исследовании поля необходимо учитывать, что линии поля замкнутые,охватывающие витки катушки. Определить знак заряда по правилу левой руки. Результаты опыта описать в отчете.2. Отключить источник питания от сети.ОБРАБОТКА И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ1. Для каждой серии измерений, выполненных при различном накале построить отдельнографические зависимости UC2 от UA, как показано на рис. 6. Через экспериментальныеточки провести наилучшую «на глаз» прямую.
Сделать вывод о соответствии полученнойзависимости формуле (7) или (5).2. Для каждого графика определить контактное напряжение UКОНТ (см. рис. 6) и по формуле (8) вычислить удельный заряд, взяв значения UA и UC для точки, лежащей на проведенной прямой в верхней части графика. Результаты определения q/m записать в таблицу.3. Сравнивая значения q/m, полученные при различном накале, сделать вывод о влиянииобъемного заряда на результат опыта.4. Из результатов двух опытов вычислить среднее значение q/m.5. Привести результат измерения с погрешностью 30%, основной вклад в которую вносятпогрешности измерения расстояния между катодом и анодом и градуировки соленоида.6.
Сравнить полученный результат с табличным значением q/m= 1,76⋅1011 Кл/кг.7. Уточнить физическую картину опыта, выполнив следующие расчеты и приведя их результаты в виде таблицы:а) вычислить максимальную скорость v электронов в лампе и сравнить ее со скоростьюсвета с. Сделать вывод о допустимости использования классических (нерелятивистских)формул;б) вычислить нормальное (центростремительное) ускорение an при движении электроновпо окружности критического радиуса.
Сравнить его с ускорением свободного падения g.Влияет ли сила тяжести на движение электронов?в) Вычислить кинетическую энергию электронов WK при минимальном анодном напряжении и сравнить ее с энергией, с которой электроны покидают катод при термоэлектронной эмиссии.
Последняя по порядку величины равна произведению постоянной Больцмана k = 1,38⋅10 -23 Дж/К на температуру катода, равную примерно Т = 1000 К. Оправдано лисделанное нами пренебрежение начальной энергией электронов?г) Вычислить рабочий диапазон изменения магнитного поля соленоида и сравнить его смагнитным полем Земли, равным примерно ВЗ= 10-4 Тл. Может ли земное поле исказитьрезультат опыта?v= …an= …WK= …B= …v/c= …an/g= …WK/(kT)= …B/BЗ = …КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ1. Какие силы действуют на заряженную частицу в электрическом и магнитном полях?2. Как движется заряженная частица в магнитном поле?3.
В чем сущность методики измерения q/m электрона?4. Как определяют в работе знак заряда электрона?СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1. Липсон Г. Великие эксперименты в физике. / Пер. с англ. М.: Мир, 1972.2. Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 2. М.: Наука, 1978.3. Калашников С.Г. Электричество. М.: Наука, 1985..
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
