古煥球 ( 物理館 101 室 )(hcku@phys.nthu.edu,tw)

講解及實驗時間 : 星期六下午 講解室 : 物理館 019 室

實驗室 : 綜三館普物實驗室 ( 助教負責 )實驗課本 : 清華大學 [ 普通物理實驗課本 ] + 講義

11/12 ( 物理館 019 室 ) 2:00-4:00 -- 講解實驗 8: 電場 ( 課本實驗 14) -- 講解實驗 9: 電子受靜電力及磁力作用的偏折 ( 課本實驗 15/16) 12/10 實驗 8 ( 助教 )( 綜三館實驗室 ) 1:00-4:00 01/21 實驗 9 ( 助教 )( 綜三館實驗室 ) 1:00-4:00

高高高高高高高高高高高高高高高 (11/2005)

[ 實驗室規則 ]

實驗前 : 1. 簽到 2. 繳交本次預習報告 (<2 頁 / 實驗準備 ) 及上次實驗報告3. 檢查儀器 ( 有問題通知助教或技術員 )

實驗中1. 注意安全2. 保護儀器3. 遵照助教及課本規定進行實驗

實驗後1. 整理儀器 2. 實驗數據助教簽名

實驗 8: 電場 ( 課本實驗 14)

目的 : 測量等位面以求電荷之電場分佈

原理 : 庫倫靜電定律 (Coulomb electrostatic law): 一試驗點電荷 Q,受一靜止點電荷 q( 相距 r) 之靜電力 F = (1/40)(qQ/r2)r (N)高高高高 (permittivity constant)0 1/c20 = 1/[(3.00 x 108)2.4x10-7] = 8.85 x 10-12 C2/N.m2 (SI units)

電場 (electric field): 靜止點電荷 q 產生之電場 E = limQ0 F/Q = (1/40)(q/r2)r (N/C = V/m)多點電荷 qi 產生之總電場 : E = (1/40)i(qi/ri

2)ri

電場線 ( 向量 ):1. 起於正電荷 , 終於負電荷 ; 2. 任一點上 , 電場線切線為電場方向3. 單位截面積 , 電場線數與電場強度成正比

(8-1)

( 例 ) 各種電荷分佈產生之總電場 ( 導體內靜電場為零 )

(8-2)

實驗不量電場 , 量等位面電位 (electric potential)點電荷 q 產生之電位 ( 純量 ): V = (1/40)(q/r) (V = J/C)( 以無限遠為零點 )多點電荷 qi 產生之總電位 : V = (1/40)i(qi/ri)電場 E 中 a,b 二點之電位差 V = Vb – Va = -a

b E.dl ( 積分與路徑無關 )

等位面 (equipotential surface):相同電位形成之表面-- 電場垂直等位面

高高高高高高高高高高高高高高高高高高高高高高高高

(8-3)

實驗 :1. 直流電源供應器 (dc power supply)(1) 接於於電板電容器 (plate capacitor)(4) 的 XY 接頭兩端充電 (q, -q), 建立電場

E

(8-4)

( 注意安全及保護儀器 ): 接電路前 , 確定直流電源供應器開關為關(off)

2. 多組相同電阻器 (R) 串聯後接於於電板 (4) 的 XY 接頭兩端 , = 與直流電源供應器 (1) 並聯 ( 相同電位差 ) ( 用三用電表測電阻器電阻 / 實驗 17 附錄 )

3. 檢流器 (ammeter)(2) 一端接電阻器端 ( 圖中 C 點 ), 另一端探頭 (3)

於電板電場中4. 如兩端無電位差 (V = 0), 則檢流器無電流 (I = 0) ( 零點測量 /null measurement)5. 移動探頭 , 畫出一條等位線

6. 電阻器端接 A,B,C,…,H 點 , 可畫出多條等位線7. 由等位線畫出垂直之電場線 (E)

8. 換導電板形狀 ( 不同形狀之電容器 ), 求不同電場分佈

(8-5)

電場分佈由電板高高高中導電板形狀決定

(8-6)

實驗 9: 電子受靜電力及磁力作用的偏折 ( 課本實驗 15/16)

目的 : 觀察及測量陰極射線管 (cathode ray tube, CRT) 中電子束在電

場 (E) 及磁場 (B) 中之偏折運動 , 測量電子 e/m 比

原理 : F = e(E + v x B) [N = C.(V/m) = C.(m/s).T] 1. 陰極射線管 (CRT)加熱燈絲 (8) 將陰極 C(9) 加熱放出電子 , 經控制柵極 G(1), 聚焦陽

極 F(2)及加速陽極 A(3)( 總電位 V1) 後 , 往 Z 方向 (6) 等速運動 mvz

2/2 = eV1 打

到螢光幕 (XY 面 )(7) 上零點成一亮點( 電子質量m = 9.11 x 10-31 kg, 電荷 e = -1.60 x 10-19 C)

(9-1)

2. 電子在直流電場中之偏折利用水平電板 X(4) 及垂直電板 Y(5) 之均勻電場 (E) 來偏折電子

束如電板 Y 長 L, 兩板距離 d,直流電位差 V2 (E = V2/d)電子離開電板後距螢光幕 D則電子在 Y 方向偏折 SE

SE = [L(2D+L)/4d](V2/V1) = (DL + L2/2)eE/mvz

2

螢光幕 (XY 面 )Y 軸上 SE 有一亮點

3. 電子在交流電場中之偏折如電板 Y 加交流電頻率 f = /2= 1/TV(t) = Vmsint = 2Vrmssin(2t/T)則因高頻 , 電子在螢光幕成高高高高 ll = 2SE = [L(2D+L)/2d](V2/V1) (note)家電 Vrms = 110 V, f = 60 Hz

(9-2)

4. 電子在磁場中之偏折利用共軸雙線圈螺線管之均勻磁場 (B) 來偏折電子束如磁場在 x 方向 ( 長 L)電子離開磁場後距螢光幕 D則電子在 Y 方向偏折 SB ( Sm)SB = -(DL + L2/2)eB/mvz

螢光幕 (XY 面 )Y 軸上 SB 有一亮點

5. 如同時加電場及磁場使電子不偏折SE + SB = 0eE = evzBvz = E/B代入 SE 或 SB 求 e/m 比

(9-3)

實驗 : I. 陰極射線管電源 1. 陰極射線管 (CRT)(X = 60 mm, Y =54 mm, D = 115 mm, L = 11 mm, d = 1.65 mm) 插入 CRT 基座 (Unilab 031.502) X 為 X 電板輸入 Y 為 Y 電板輸入 A1 為最後加速陽極 Z 接高高2. CRT 基座接 CTR 電源供應 (032.332) 之五腳 CRT 插座 (tube supply) ( 注意安全及保護儀器 ): 高壓電源 ! 接電路前 , 確定電源供應器 開關為關 (off)( 燈暗 )3. 調整 CRT 亮點之 亮度 (brill.)( 加速陽極 ) 及焦距 (focus)( 聚焦陽極 )

(9-4)

II. 電場偏折 1. 放大器 (amplifier)(2)(032.842) 接 CRT 電源供應器 (1) (032.332) 之 aux unit 直流電源 (6 V)2. 產生交流電場 : 電源供應器 (1) 之交流電壓 (6 Vrms) 接到放大

器之 交流耦合 A(alternating coupling) 輸入端 + 共用端

C(common) AC: 只有 ac信號進入 ( 串聯電容器 ) DC: 直流耦合D(direct coupling): ac/dc信號均可進入3. 放大器之 X/Y輸出端接 CRT 基座 (3) (031.502) 之垂直 Y 電板輸入4. 利用放大器之增益 (gain) 及 移動 (shift) 鈕 , 觀察及調整 Y 方向 之亮線位置及長度 / 電壓振幅值 l = 2Vm ( 校正後 ) Y 靈敏度 (sensitivity): 23 V/1 cm(Q): 如何量週期 T?

(9-5)

III. 交流電壓波形及頻率1. (5) 垂直 Y 電板輸入不變 但垂直放大器 (4)輸入接 DC 端 ( 垂直輸入為電壓 V)2. 放大器輸入 A 端同步接 時基產生器 (2)(032.892) (time base generator) 同步輸入端 (sync)3. 時基產生器 (2) 同步掃描鋸齒波 ( 掃描週期可調 ) 輸出接水平放大 器 (3)輸入 DC 端4. 水平放大器 (3) 之輸出端接 CRT 基座 (3) 之水平 X 電板輸入 ( 水平輸入為時間 t)(校正後 )5. 觀查 CRT 之波形 Y(X) = V(t), 量振幅 (Vm) 及週期 (T)

(9-6)

IV. 磁場偏折1. 產生磁場 : 直流電源供應器 (5) 接到共軸雙線圈螺線管 (2) (031.402)(n = 3000+3000 圈 ), 利用可變電阻 (4) 及安

培計 (3) 調整及測量電流 (i) 大小 磁場 B n.i 2. 共軸雙線圈螺線管放於 CRT 基座 (1) 之 CRT 上3. 利用不同方式測量電子 e/m 比值

(9-7)