Question

1897年湯姆生通過對陰極射線的研究，發(fā)現(xiàn)了電子，從而使人們認(rèn)識到原子是可分的。湯姆生當(dāng)年用來測定電子比荷（電荷量e與質(zhì)量m之比）的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，真空玻璃管內(nèi)C、D為平行板電容器的兩極，圓形陰影區(qū)域內(nèi)可由管外電磁鐵產(chǎn)生一垂直紙面的勻強(qiáng)磁場，圓形區(qū)域的圓心位于C、D中心線的中點(diǎn)，直徑與C、D的長度相等，已知極板C、D的長度為L₁，C、D間的距離為d，極板右端到熒光屏的距離為L₂。由K發(fā)出的電子，經(jīng)A與K之間的高電壓加速后，形成一束很細(xì)的電子流，電子流沿C、D中心線進(jìn)入板間區(qū)域，若C、D間無電壓，則電子將打在熒光屏上的O點(diǎn)；若在C、D間加上電壓U，則電子將打在熒光屏上的P點(diǎn)，P點(diǎn)到O點(diǎn)的距離為h；若再在圓形區(qū)域內(nèi)加一方向垂直于紙面向外、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場，則電子又打在熒光屏上的O點(diǎn)。不計(jì)重力影響。
（1）求電子打在熒光屏O點(diǎn)時(shí)速度的大小；
（2）推導(dǎo)出電子比荷的表達(dá)式；
（3）利用這個(gè)裝置，還可以采取什么方法測量電子的比荷？

Answer 1

解：（1）加上磁場后，電子所受電場力與洛倫茲力相等，電子做勻速直線運(yùn)動，則
evB=eE
又
即
（2）若在兩極板間加上電壓U，電子在水平方向做勻速運(yùn)動，通過極板所需的時(shí)間為

電子在豎直方向做勻加速運(yùn)動，加速度為
在時(shí)間t₁內(nèi)垂直于極板方向豎直向下偏轉(zhuǎn)的距離為
離開極板區(qū)域時(shí)豎直向下的分速度為v_y=at₁
電子離開極板區(qū)域后做勻速直線運(yùn)動，經(jīng)t₂時(shí)間到達(dá)熒光屏，
在時(shí)間t₂內(nèi)向下運(yùn)動的距離為y₂=v_yt₂
則h=y₁+y₂
解得：
（3）說出任何一種合理方法均可，例如：
①測量出A與K之間的電壓U'；再在兩極板間加上電壓U，電子將打在熒光屏上的P點(diǎn)；測出OP的長度便能計(jì)算電子的比荷；
②測量出A與K之間的電壓U'；只在圓形區(qū)域內(nèi)加一方向垂直于紙面的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場，電子將打在熒光屏上的P'點(diǎn)；測出OP'的長度便能計(jì)算電子的比荷；
③在兩極板間加上電壓U，在圓形區(qū)域內(nèi)加一方向垂直于紙面的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場，使電子打在熒光屏上的O點(diǎn)；再撤去兩極板間加上電壓，電子將打在熒光屏上的P'點(diǎn)；測出OP'的長度便能計(jì)算電子的比荷；
④只在兩極板間加上電壓U，電子將打在熒光屏上的P點(diǎn)；只在圓形區(qū)域內(nèi)加一方向垂直于紙面的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場，電子將打在熒光屏上的P'點(diǎn)；測出OP、OP'的長度便能計(jì)算電子的比荷。