Лабораторная работа №2 определение удельного заряда частицы

Ознакомьтесь с теорией в конспекте лекций, учебнике и в описании к лабораторным работам. Запустите программу. Выберите I. «Электричество и магнетизм» и «Движение заряда в электрическом поле» и II. «Электричество и магнетизм». и «Масс-спектрометр». Нажмите вверху внутреннего окна кнопку с изображением страницы. Прочитайте краткие теоретические сведения. Необходимое запишите в свой конспект. Обратите внимание на то, что работа состоит из двух частей.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

• Знакомство с моделью процесса движения заряда в однородном электрическом и магнитном полях.

• Экспериментальное исследование закономерностей движения точечного заряда в однородном электрическом поле.

• Ознакомление с принципом работы масс-спектрометра.

• Экспериментальное определение величины удельного заряда частицы.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:

I. Движение заряженных частиц в электрическом поле широко используется в современных электронных приборах, в частности, в электронно-лучевых трубках с электростатической системой отклонения электронного пучка.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД есть величина, характеризующая способность объекта создавать электрическое поле и взаимодействовать с электрическим полем.

ТОЧЕЧНЫЙ ЗАРЯД это абстрактный объект (модель), имеющий вид материальной точки, несущей электрический заряд (заряженная МТ).

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ это то, что существует в области пространства, в которой на заряженный объект действует сила, называемая электрической.

ОСНОВНЫМИ СВОЙСТВАМИ заряда являются

• аддитивность (суммируемость);

• инвариантность (одинаковость во всех инерциальных системах отсчета);

• дискретность (наличие элементарного заряда, обозначаемого е, и кратность любого заряда этому элементарному: q = Ne, где N - любое целое положительное и отрицательное число);

• подчинение закону сохранения заряда (суммарный заряд электрически изолированной системы, через границы которой не могут проникать заряженные частицы, сохраняется);

• наличие положительных и отрицательных зарядов (заряд величина алгебраическая).

ЗАКОН КУЛОНА определяет силу взаимодействия двух точечных зарядов , где - единичный вектор, направленный от первого заряда q₁ ко второму q₂.

НАПРЯЖЕННОСТЬЮ называется векторная характеристика поля, численно равная отношению силы , действующей на точечный заряд, к величине q этого заряда: . Если задана напряженность электрического поля, тогда сила, действующая на заряд, будет определяться формулой .

ОДНОРОДНЫМ называется поле, напряженность которого во всех точках одинакова как по величине, так и по направлению. Сила, действующая на заряженную частицу в однородном поле, везде одинакова, поэтому неизменным будет и ускорение частицы, определяемое вторым законом Ньютона (при малых скоростях движения V<<c, где с - скорость света в вакууме): = const. Тогда Y = , и

V_Y = , где Y - смещение частицы по вертикали и V_Y - вертикальная компонента скорости в момент времени, когда частица вылетает из конденсатора.

II. СИЛА ЛОРЕНЦА- сила, действующая на движущуюся со скоростью v в однородном магнитном поле с индукцией В частицу с зарядом q:

(1)

Модуль этой силы равен

, (2)

где - угол между векторами и . Сила Лоренца направлена перпендикулярно скорости частицы, сообщает ей только нормальное ускорение и вызывает искривление траектории частицы.

Если частица влетает в однородное магнитное поле в направлении, перпендикулярном линиям магнитной индукции, то частица будет двигаться по дуге окружности, плоскость которой перпендикулярна линиям индукции. Радиус окружности можно найти из второго закона динамики:

. (3)

УДЕЛЬНЫМ ЗАРЯДОМ ЧАСТИЦЫ называется отношение заряда частицы к её массе. Тогда из формулы (3) удельный заряд будет равен:

. (4)

Период обращения частицы равен

, (5)

и не зависит от скорости.

МАСС-СПЕКТРОМЕТРОМ называется прибор, для разделения ионизованных молекул и атомов (изотопов) по их массам, основанный на воздействии электрических и магнитных полей на пучки ионов, летящих в вакууме.

МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ

Закройте окно теории. Внимательно рассмотрите рисунок, найдите все регуляторы и другие основные элементы. Зарисуйте поле эксперимента и траекторию движения частицы. Нажав кнопку «Старт», наблюдайте на экране движение частицы.

Получите у преподавателя допуск для выполнения измерений.

МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ:

I

1. Нажмите мышью кнопку «Выбор». Подведите маркер мыши к движку регулятора напряженности Е. Нажмите левую кнопку мыши и, удерживая ее в нажатом состоянии, меняйте Е . Установите числовое значение Е, равное взятому из таблицы 1 для вашей бригады.

2. Аналогичным способом установите V_0X = 2 10⁶ м/с, V_0Y = 0. Нажав кнопку «Старт», наблюдайте движение частицы. Увеличивая V_0X , подберите минимальное значение, при котором частица вылетает из конденсатора. Запишите значение длины пластин конденсатора L.

3. Проведите измерения параметров движения частицы в момент вылета из конденсатора. Запишите числовые значения с экрана в таблицу 2.

4. Повторите измерения по п.3 еще 5 раз, каждый раз увеличивая V_0X на 0.2 10⁶ м/с. Результаты записывайте в таблицу 2.

ТАБЛИЦА 1. Напряженность электрического поля (не перерисовывать)

Бригада	1	2	3	4	5	6	7	8
Е [В/м]	100	200	300	400	-100	-200	-300	-400

ТАБЛИЦА 2. Результаты измерений при Е = ____ В/м, L = _____ м.

V0X [Мм/с]
Y[мм]
X[мм]
tДВ [нс]
VX [Мм/с]
VY [Мм/с]

II

5. Подведите маркер мыши к движку регулятора величины магнитной индукции, нажмите левую кнопку мыши и, удерживая ее в нажатом состоянии, двигайте движок, установив числовое значение В, взятое из таблицы 3 для вашей бригады.

6. Аналогичным образом, зацепив мышью движок регулятора скорости, установите минимальное значение 10³ м/с.

7. Нажмите мышью кнопку «Изотопы ¹²С-¹⁴С»

8. Нажмите мышью кнопку «Старт» и синхронно секундомер. Проследите за движением двух изотопов в магнитном поле модельного масс-спектрометра и по секундомеру определите время этого движения.

9. Запишите в таблицу 4 значения радиусов окружностей, по которым двигались эти изотопы (они показаны красным и синим цветом в правом углу окна) и время движения изотопов в вакуумной камере масс-спектрометра.

10. Последовательно увеличивая скорость частиц на 10³м/с, проделайте п.п.8-9 ещё 9 раз и заполните таблицу 4.

11. Нажмите мышью кнопку «Изотопы ²⁰Ne-²²Ne », проведите измерения п.п/ 8-10 и заполните таблицу 5.

12. Проведите аналогичные измерения с изотопами урана и неизвестного химического элемента и заполните таблицы 6 и 7.

ТАБЛИЦА 3. Значения магнитной индукции В (не перерисовывать)

Номер Бригады	1	2	3	4	5	6	7	8
В, мТл (табл.4,5)	1	2	3	4	5	6	7	8
В, мТл (табл.6,7)	9,0	9,1	9,2	9,3	9,4	9,5	9,6	9,7

ТАБЛИЦЫ 4-7. Результаты измерений и расчётов

В = _______

v103,м/с	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
R1, см
R2, см
Т1/2, с
q1/m1, Кл/кг q2/m2, Кл/кг
Табличные значения: q1/m1 = q2/m2=

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА:

I

1. Постройте на отдельных листах графики экспериментальных зависимостей

• вертикального смещения на вылете из конденсатора (Y) от квадрата обратной начальной скорости (1/V_0X)² ,

• вертикальной составляющей скорости V_Y на вылете из конденсатора от обратной начальной скорости (1/V_0X).

2. Для каждого графика определите по его наклону экспериментальное значение удельного заряда частицы, используя формулы для первого и для второго.

3. Рассчитайте среднее значение экспериментально полученного удельного заряда частицы.

4. Запишите ответ. Сформулируйте выводы по ответу и графикам.

II

5. Вычислите по формуле (4) удельные заряды изотопов углерода, неона, урана и неизвестного химического элемента и запишите полученные значения в соответствующие таблицы.

6. Используя справочные материалы по физике и химии, определите табличные значения удельных зарядов исследованных изотопов и сравните их с полученными в опыте.

7. Постройте график зависимости времени пролёта изотопов в камере масс-спектрометра от их скорости и сделайте выводы по результатам анализа этого графика.

ПОЛЕЗНЫЕ СВЕДЕНИЯ:

Атомная единица массы (а.е.м.) = 1,66010^27 кг.

Элементарный заряд е = 1,60210^19 Кл.

Табличное значение удельного заряда электрона q_e/m = -1.76 10¹¹ Кл/кг.