lab5

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ЭКОНОМИКИ, СТАТИСТИКИ И ИНФОРМАТИКИ
ИНСТИТУТ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Кафедра Автоматизированных систем
обработки информации и управления
Дисциплина: "Физика"
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
"ИЗУЧЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ПОЛЯХ"
Вариант № Работу выполнил (и):
cтудент (ы) группы Оценки по БРС
Дата: ____________ Работу принял: ____________
фамилия преподавателя
_______________ подпись Москва 2013
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. Используемые приборы, макеты, программы.
Программа для виртуального моделирования ПГТУ.
Теоретические сведения
Электростатическое поле создается неподвижными электрическими зарядами. Природа зарядов q объясняется внутренним строением веществ: строением атомов. Валентные электроны способны покидать одни атомы и переходить к другим атомам. Элементарным электрическим зарядом является электрон е. Величины зарядов тел дискретны:
q =e N ,
где N - число избыточных или недостающих электронов всех атомов тела, е = - 1,6 10 -19 Кл - заряд электрона ( m = 9,1 10 -31 кг - масса электрона).
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 с вектором напряженности действует сила , равная
( 1 )
По второму закону Ньютона
Модуль ускорения электрона
( 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). или - электрон влетает в продольное электростатическое поле и движется в поле прямолинейно вдоль линий вектора напряженности равнозамедленно или равноускоренно.
2). - электрон влетает в поперечное электростатическое поле и далее в поле движется криволинейно.
При движении электрона в продольном электростатическом поле (см. рис. 1) начальная скорость электрона, вылетающего из катода К ,обычно очень мала и её принимают равной нулю Электрон движется с ускорением , определяемым формулой (2) прямолинейно к аноду А. Между катодом К и анодом А напряжение является определяющим скорость движения электрона .
Рис. 1
Скорость, которую электрон приобретает при движении в поле, можно рассчитать по соотношению энергий:
Величины энергий определяем по формулам:
Отсюда скорость электрона, прошедшего ускоряющую разность потенциалов , равна
( 3 )
Если электрон со скоростью влетает в однородное поперечное электростатическое поле, создаваемое плоским конденсатором, как показано на рис. 2, то движение происходит с ускорением .
Рис. 2 Траектория движения электрона определяется уравнениями:
( 4 )
где t - время движения электрона в поперечном электростатическом поле.
С учетом формулы (2) и получаем уравнение движения электрона:
( 5 )
Полученное уравнение - есть уравнение параболы. Таким образом, электрон в поперечном электростатическом поле движется по параболе.
Подставив в уравнение (5) значение скорости (3), получаем величину смещения электрона :
( 6 )
Из формулы (6) находим E=(4U_a Δy)/L^2 ( 7 )
Напряженность Е электростатического поля плоского конденсатора связана с напряжением U и расстоянием d между обкладками конденсатора соотношением:
( 8 )
Отсюда d=U/E ( 9 )
Описание установки и метода исследования.
Принципиальная схема экспериментальной установки для наблюдения движения электрона в продольном и поперечном электростатических полях показана на рис. 3.
В электронно-лучевой трубке впаяны катод К и анод А между которыми создается ускоряющее напряжение .. Напряжение может изменяться с помощью реостата и измеряется вольтметром V. Электроны, вылетающие из катода К ускоряются электрическим полем и через малое отверстие в аноде А влетают по центральной линии в электростатическое поле плоского конденсатора. Между 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 , что фиксируется на экране Н.
Виртуальное моделирование
Рис. 3 Схема экспериментальной установки
Порядок выполнения работы
1. В таблицы 1 и 2 внести параметры установки , соответствующие пути электронов в поперечном электростатическом поле и равные длине обкладок конденсатора: . 2. По формуле (3) рассчитать величины скорости электронов, получаемые ими при прохождении ускоряющего напряжения между катодом К и анодом А. Полученные значения записать в таблицы 1 и 2.
3. По формуле (6), используя данные таблиц, рассчитать значение напряженности Е электростатического поля конденсатора по результатам заданий 1 и 2. 4. По формуле (7) рассчитать расстояние d между обкладками конденсатора. Найти его среднее значение dcр.
5. Сделать соответствующие выводы. Объяснить результаты заданий 1 и 2.
Параметры опыта: 2 вариант
Вариант12345678910L, м0,1350,1320,1480,1280,1210,1450,1380,1240,1420,151Задание 1.
1. Включить установку, замкнув ключи К1 и К2. При этом на экране появляется светящаяся точка - электронный луч.
2. С помощью реостата R выставить напряжение между обкладками конденсатора U = 1В.
3. С помощью реостата изменять напряжение между катодом К и анодом А от нуля до 10 В через 2 В. Измерять величину смещения электронного луча , соответствующую каждому значению напряжения .
Все измеряемые величины занести в табл. 1.
Задание 2
1. С помощью реостата R поставить напряжение между катодом К и анодом А = 3 В.
2. С помощью реостата R изменять напряжение U между обкладками конденсатора от нуля до 1В через 0,2 В. Измерять величину смещения , соответствующую каждому значению напряжения U.
Все измеряемые величины внести в табл. 2.
3. Разомкнуть все ключи.
Таблица 1
№ изм.
, В
, м/с
, мU , В
, мЕ , В/мd , мdcp,м12838627,8690,14510,01154,375743160,228532610,2281455241185998,910,00584,41379310,2265625361452546,080,00384,337693220,23053728481677255,740,00294,41379310,22656255101875228,920,00234,375743160,22853261
Таблица 2
№ изм. U, В , В , м/с
,м ,мЕ , В/мd , мdcp,м131027105,180,1450,20,00150,856123660,233611110,229108720,40,00311,769322240,2260752730,60,00462,62544590,2285326140,80,00613,481569560,22978142510,00774,394768130,22754329
Выводы.
Контрольные вопросы:
1. Какова природа электрических зарядов? Что такое элементарный электрический заряд? Каковы его заряд и масса?
2. Дать определение электростатического поля и его основных характеристик.
3. Как движется электрон в продольном электростатическом поле?
4. Как движется электрон в поперечном электростатическом поле?
5. Выведите формулу расчета смещения электрона, прошедшего продольное ипоперечное электрические поля.
6. Укажите примеры технических устройств, основанных на движении электронов в электрических полях.