Báo cáo kết quả thí nghiệm bài 3: Khảo sát chuyển động của electron môn Vật lý và thí nghiệm 1 | Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

lOMoAR cPSD| 59031616
BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn
Xác nhận của giáo viên thông Nhóm: 07 Tổ 4
Họ và tên: Mai Đức Mạnh BÀI 3
KHẢO SÁT CHUYỂN ĐỘNG CỦA ELECTRON TRONG ĐIỆN – TỪ
TRƯỜNG, XÁC ĐỊNH ĐIỆN TÍCH RIÊNG e/m CỦA ELECTRON
I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM
- Khảo sát chuyển động của electron trong điên trường và từ trường.e
- Xác định điện tích riêng
của electron theo phương pháp manhêtrôn. m
II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Bài thí nghiệm này nhằm khảo sát chuyển động của electron trong điện trường và
từ trường, từ đó xác định điện tích riêng e/m của electron bằng phương pháp manhêtrôn.
1. Chuyển động của electron trong điện trường:
o Electron (khối lượng m, điện tích −e) được phát xạ từ catốt K và tăng
tốc bởi điện trường giữa catốt K và lưới G (hiệu điện thế U3). o Động
năng của electron khi tới lưới G bằng công của lực điện
trường: mv2=eU3(1).
o Từ đó suy ra vận tốc của electron: v .
o Electron sau đó chuyển động thẳng đều giữa lưới G và anốt A (do hiệu
điện thế giữa chúng coi như bằng 0), tạo ra dòng anốt I2.
2. Chuyển động của electron trong từ trường:
o Đèn manhêtrôn M được đặt trong ống dây dẫn D có dòng điện I1 chạy
qua, tạo ra từ trường ⃗B dọc theo trục của ống dây.
o Lực Loren ⃗FL=e( v⃗∧B⃗ ) tác dụng lên electron. Do ⃗B vuông góc với v⃗
, độ lớn lực Loren là FL=evB(3). lOMoAR cPSD| 59031616
o Lực Loren đóng vai trò lực hướng tâm, làm electron chuyển động mv2 theo quỹ đạo tròn bán kính R: =evB(4). R
o Cảm ứng từ B trong ống dây tỷ lệ với cường độ dòng điện I1: B=α
μ0nI1(5), với α là hệ số tỷ lệ, μ0 là hằng số từ, n là mật độ vòng dây.
3. Xác định điện tích riêng e/m bằng phương pháp manhêtrôn:
o Khi tăng dần dòng điện I1, cảm ứng từ B tăng, làm bán kính quỹ đạo
R của electron giảm dần.
o Đến một giá trị I1=I nhất định, bán kính R giảm đến d/2 (với d là
khoảng cách giữa anốt A và lưới G), khiến electron không tới được
anốt A và dòng anốt I2 giảm về 0 (hoặc gần 0).
o Thay thế các biểu thức của v và B vào công thức (4), ta được công
thức xác định điện tích riêng e/m: me = 8 U ¿ ¿¿3.
o Giá trị I được xác định bằng cách vẽ đồ thị sự phụ thuộc của dòng
anốt I2 vào dòng điện I1. Tiếp tuyến của phần dốc nhất của đường cong
này cắt trục hoành tại giá trị I cần tìm.
III. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
Hiệu điện thế giữa lưới G và katôt K: U3= I(A) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 I2(mA) 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 0.8 0.8 0.8 0.6 0.6 I(A) 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 I2(mA) 0.6 0.5 0.5 0.4 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 0.1 I(A) 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 I2(mA) 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0
1. Vẽ đồ thị I2=f (I1) lOMoAR cPSD| 59031616 Xác định hệ số: A = -0.620 B = 1.2 e
2. Xác định điện tích riêng của electron X= m
a. Căn cứ vào đồ thị I2=f (I1) , xác định giá trị cường độ dòng điện I: I = 1.94 (A)
b. Tính giá trị của điện tích riêng: e 8U3 8×6 11 X=m= =(0.5×4 π×10 7 3
− ×6000×1.94) ×(2.75×10− ) ≈4.7408×10 (C/kg) e e
3. So sánh giá trị đo X=
với giá trị lý thuyết X¿=( ) m m ¿ Cho biết X¿
C/kg , tính sai số tỉ đối theo công thức: 10 11 11 %
Giải thích tại sao sai số tỉ đối lại lớn bất thường: lOMoAR cPSD| 59031616
1. Độ nhạy cảm của công thức tính e/m với giá trị I: e 8U3
o Công thức chính để xác định e/m là m=
α2μ20n2 I2d2.
o Có thể thấy, e/m tỷ lệ nghịch với bình phương của cường độ dòng điện I (e/m ∝
1/I2). Điều này có nghĩa là một sai số nhỏ trong việc xác định giá trị I sẽ dẫn đến
một sai số lớn hơn rất nhiều (bình phương) trong kết quả e/m. Ví dụ, nếu I bị sai
lệch 10, kết quả e/m có thể sai lệch tới 20. Với sai số I lớn hơn, ảnh hưởng sẽ càng trầm trọng.
2. Phương pháp xác định I từ đồ thị dễ phát sinh sai số:
o Hướng dẫn yêu cầu xác định I bằng cách vẽ tiếp tuyến với đoạn dốc nhất của đồ
thị I2=f (I1) và tìm giao điểm với trục hoành. Việc kẻ tiếp tuyến một cách thủ công
(hoặc thậm chí dùng phần mềm nhưng không chọn đúng khoảng dốc nhất) có thể gây ra sai số đáng kể.
o Giá trị I2 không hoàn toàn triệt tiêu ngay lập tức tại một điểm I1 duy nhất do sự
phân bố vận tốc của các electron nhiệt phát ra từ catốt. Một số electron có vận tốc
lớn vẫn có thể đến được anốt ngay cả khi từ trường đã đủ mạnh để chuyển hướng
hầu hết các electron khác. Điều này làm cho đường cong I2=f (I1)không có một
điểm "cắt" rõ ràng, gây khó khăn cho việc xác định I chính xác.
3. Sai số trong các thông số cố định:
o Các hằng số như α,n,d và μ0 đều được cho là giá trị cố định. Tuy nhiên, trong
thực tế, các thông số này có thể có sai số từ nhà sản xuất hoặc do điều kiện lắp ráp thí nghiệm.
o Đặc biệt, α và n là các thông số của ống dây, nếu không chính xác, chúng sẽ ảnh
hưởng trực tiếp đến giá trị B và do đó ảnh hưởng đến e/m. Tương tự, sai số trong
khoảng cách d2 cũng có tác động lớn.
4. Điều kiện thực nghiệm không lý tưởng:
o Chân không không hoàn hảo: Mặc dù đèn manhêtrôn có độ chân không cao
(10−7÷10−8 mmHg), nhưng vẫn có thể có các va chạm giữa electron và các phân
tử khí dư, làm thay đổi quỹ đạo và vận tốc của electron.
o Từ trường không hoàn toàn đồng đều: Giả định từ trường trong ống dây là
đồng đều (nhất là khi sử dụng công thức cho ống dây vô hạn) có thể không hoàn
toàn đúng, đặc biệt nếu cuộn dây không đủ dài hoặc có các yếu tố bên ngoài ảnh hưởng.
o Ảnh hưởng của điện trường ngoài: Có thể có các điện trường lạ không mong
muốn từ môi trường xung quanh ảnh hưởng đến chuyển động của electron. lOMoAR cPSD| 59031616
o Độ ổn định của nguồn điện: Sự biến động nhỏ trong hiệu điện thế U3 hoặc dòng
điện I1 có thể ảnh hưởng đến kết quả.
5. Hạn chế của dụng cụ đo:
o Ampekế, Vônkế, và Miliampekế đều có sai số dụng cụ nhất định (sai số độ phân
giải, sai số cấp chính xác). Các giá trị đo được (nhất là I1 và I2) có thể không đủ
chính xác để đảm bảo kết quả cuối cùng.
o Độ phân giải thấp của bảng dữ liệu I2(I1) (ví dụ, I2 chỉ thay đổi từng 0.1 mA) khiến
việc xác định điểm "cắt" dòng anốt trở nên kém chính xác.
→ Để giảm thiểu sai số lớn này, cần: •
Thực hiện thí nghiệm cẩn thận hơn, đặc biệt ở khâu xác định I. Có thể lấy nhiều điểm đo
dày đặc hơn ở vùng dòng I2 giảm mạnh. •
Sử dụng phần mềm chuyên dụng để vẽ đồ thị và thực hiện phép nội suy/hồi quy để xác định I chính xác hơn. •
Kiểm tra và hiệu chỉnh các dụng cụ đo. •
Xem xét các yếu tố môi trường có thể ảnh hưởng đến thí nghiệm. •
Thực hiện nhiều lần đo và lấy giá trị trung bình của e/m.