物理实验教学仪器洛伦兹力演示器使用说明

2014-05-07 12:20:45   来源：本站   作者：管理员   人气：7306次

物理实验教学仪器洛伦兹力演示器使用说明

一、概 述

洛仑兹力演示器是学校教学专用仪器，能演示磁场对运

动电子产生的洛仑兹力，可在三维空间观察电子运动的径迹，

并能测定电子的荷质比；仪器主要供给中等学校、大专院校

物理教学中作课堂演示与学生分组实验。

洛仑兹力演示器按国家教委标准JY219-87 设计生产，该

仪器分二种型号：J2433-1 型，使用特别方便，适合中学、大

专院校课堂演示；J2433-2 型，面板上装有2.5 级电表，适合

中学、大专院校演示实验及学生分组实验。

仪器的显示部分为洛仑兹力管，玻壳直径为160 毫米，

电子束径迹呈绿色。仪器装在木制暗箱内，当教室适当遮光

后，一般后排学生都能看见电子束运动的径迹。

二、技 术 指 示

1、加速极电压0~250V 连续可调。

J2433-1 型有参考读数。

J2433-2 型电表读数，误差≤±2.5%

2、励磁电流

电流方向：顺时、断路、逆时三档。

有信号灯指示电流方向。

电流幅值：0-2.5A 连续可调

J2433-1 型有参考读数

J2433-2 型电表读数，误差≤±2.5%

3、偏转板电压电压方向 上正、断路、下正三档电压幅度 50~250 伏连续可调有参考刻度

4、洛仑兹力管转动角度＞180°，有刻度指示。

5、电源 220 伏±10% 50Hz

6、功耗 45 瓦

7、连续工作时间 1 小时

8、使用环境条件温度 0~ +40℃相对温度 20-80%（30℃）

9、外形尺寸 350（宽）×450（高）×300（深）mm3

10、重量 11kg

三、控制器的作用

图1、2 分别为J2433-1、J2433-2 型洛仑兹力演示器外形图。按照图上标的序号，将各部分作用说明如下：

1、洛仑兹力管 发射电子束并显示电子束径迹。

2、励磁线圈 提供匀强磁场，使电子束产生偏转

3、游标 用来对准电子束圆的边缘，以测出电子束圆直径。

4、标尺 测量电子束圆直径用。

5、指针 指示洛仑兹力管转动的角度。

6、度数尺 测量洛仑兹力管转动的角度。

7、逆时信号灯 励磁线圈中电流逆时针流向指示。

8、顺时信号灯 励磁线圈中电流顺时针流向指示。

9、暗箱 起遮光作用，以增强观察效果。

10、偏转板电压幅值旋钮 调节加到偏转板上的电压幅值，顺时针转到底电压为250 伏，逆时针转到底时电压为

50 伏，有参考刻度。

11、偏转板电压方向开关 分“上正”、“断路”、“下

正”三档。置“上正”时，洛仑兹力管内上偏转板接进正电

压，下偏转板接地。置“下正”时，管内下偏转板接进正电

压，上偏转板接地。置“断路”时，管内上下偏转板均无电

压接入。观察电子束在磁场洛仑兹力作用下的运动轨迹时，

应将其置“断路”位置。

12、加速极电压调节旋钮 调节洛仑兹力管内加速极

上电压的大小。J2433-1 型有参考刻度，J2433-2 型，有电表

指示。在仪器开机、关机前及暂不观察电子束径迹时，都应

将此旋钮逆时针转到底。

13、励磁电流方向开关 控制通向励磁线圈电流的方

向，分“顺时”、“断路”、“逆时”三档。置“顺时”时，线

圈上顺时指向信号灯发光，励磁线圈中电流为顺时针方向，

调制板、锥形加速极组成，还有一对偏转板。当电子枪各电

极加入适当工作电压后，便发射出一束电子束。具有一定能

量的电子与惰性气体分子碰撞，使惰性气体发光，就能在电

子所经过的路径上看到光迹。

励磁线圈又称亥姆霍兹线圈，这是一对直径为280 毫米，

每只为140 匝的环形线圈，同轴平行放置，间距为140 毫米。

两只线圈串联连接。当线圈通上电流后，在两只线圈间轴线

中点附近可得到匀强磁场，该处的磁感应强度可按下式计算：

B=9×10-7 RNI=9×10-4（特斯拉） （1）式中N——线圈匝数I——励磁电流（安）

R——线圈半径（米）两种型号仪器电原理图基本相同，如同3 所示。不同点

仅是J2433-2 型加速极电压上并接有电压表P1，励磁电流电

路中串联有电流表P2，供定量测试用。现将电路原理说明如

下：T1 为电源变压器，编号1、2 初级通过电源开关S3、保

险丝F1，接到交流220 伏市电。编号3、4 次级6.3 伏电压专

供洛仑兹力管灯丝。编号5、6 次级240 伏电压，经V12-15 桥

式整流得到300 伏直流电压，经R7、R8、C5、R6π形滤波，

供给稳压电路。稳压电路由三端集成稳压块N3 及保护管V16

等组成，使电压稳定为250 伏，供给洛仑兹力管加速极及偏

转板。加速极电压由电位器RP4 连续调节幅度，加到V20 管

 

脚。偏转板电压由RP3 电位器可在50 伏到250 伏范围内连续

调节，经过S2 开关控制方向后，加到V20 管7、11 脚。

T1 变压器编号9、10 次级20 伏电压，经V1-4 桥式整流，

C1 电容滤波，由稳流管V5 稳流后供给励磁线圈L1,L2,R3 是稳

流电路取样电阻，其取样信号送到运算放大器N2 反馈端，经

放大后推动V11 三级管来控制稳流管基极，使保持电流稳定，

其大小由N2 输入端的电位决定，调RP2 电位器，其稳定电流

可在0~2.5A 变化。接线柱X3、X4 供串接外电流表使用。当

不用外接电流表时，应当用跨接铜片将其短路。励磁电流通

过开关S1b,S1c 改变方向，接到励磁圈。可以顺时针方向接通

电流，也可以逆时针方向接通电流，并通过S1a 开关接通发

光二极管电压，以指示励磁电流的方向。V10 发光二极管作

为电源接通信号灯用，装在仪器面板上，通过R2 供电。

T1 变压器编号7、8 次级9V 交流，经V6-9 桥式整流，

N1 三端稳压块输出9 伏直流电压，专供稳流管控制电路运放

N2 及三级管V11。仪器控制及电源组合机箱上，固定一对励磁线圈L1、L2。

在励磁线圈正中，装上洛仑兹力管V20。洛仑兹力管各电极

加入适当电压后，便发射出一束电子束，可看到电子束运动

的直线光迹。这时如接通励磁线圈电源，电子束在线圈产生

的匀强磁场中受到洛仑兹力的作用，其矢量表达式为：F = -eV ´ B （2）

式中F 为电子受到的洛仑兹力，V 为电子束运动的速

度， B 为磁感应强度。洛仑兹力的方向由左手定则确定，大小为：F= ―e VBSina （3）

e 为电子电荷，α为电子运动方向与磁场方向之间的夹角。

转动洛仑兹力管，当电子运动方向磁场方向一致α=0 或

相反α=180°时，电子不受洛仑兹力作用，电子束轨迹为直

线。当电子运动方向与磁场方向垂直时，这时电子受到一个

始终垂直于运动方向的洛仑兹力F= e VB 的作用。由于电子

运动速度V 是恒定的，匀强磁场中B 也是恒定的，于是力也

是恒定的，这个恒定的力对于运动着的电子起向心力的作用，

电子运动成为匀速圆周运动，其径迹为圆，如图4 所示。励磁电流越大，

磁场强度越大，作用力越大，圆的直径越小。当电子运动方向与磁场方向

为任意角度时，可将电子运动方向分解为平行于磁场和垂直于磁场两个

分量。平行于磁场分量不

 

受力的作用，仍作直线运动，垂直于磁场分量受到洛仑兹力

的作用，作圆周运动，因此电子运动的合成径迹呈螺旋线。

电子作匀速圆周运动时，向心力为

rmV 2，这力就是电子在匀强磁场中所受到的洛仑兹力，于是：eVBrmV =2（4）

式中r 为电子运动的半径m 为电子质量

由公式（4）可推导出电子的荷质比为：rBVme = （5）

电子在加速极电场中得到的动能等于电场对它所作的功，即：mV 2 = eVa21（6）式中Va 为加速极电压。

从（6）式中可以求出电子运动的速度为;meVV a 2 = （7）

将公式（1）、（7）代入（5）式，可得到电子荷质比为2 22.47 106r IVme = ´ a 库仑/公斤 （8）

于是可以根据加速极电压Va ，励磁线圈电流I 及电子径迹圆半径r，计算出电子的荷质比。

洛仑兹力管中还装有一对偏转板。断开励磁线圈电源，

在偏转板上加电压，可以观察电子在电场作用下的偏转运动。

当上偏转板加正电压，电子受电场作用力，运动径迹向上偏

转，如图5 所示，偏转角Φ为：21mdVtgF = eVd（9）

式中Vd 为偏转板上电压1 为偏转板长度d 为偏转板间距离V 为电子运动速度

m 为电子质量从公式中可见，偏转角与偏转板上所加电压成正比，与

电子运动速度平方成反比。也就是说与加速极电压成反比。

当下偏转板加正电压时，电子运动径迹向下偏转。

为增强观察效果，整个仪器装在木制暗箱内。暗箱内部

涂无光黑漆，外表涂木器清漆。暗箱也是仪器的外机箱，出

 

厂以后，整机就固定在暗箱内。

五、使 用 方 法

1、准备工作

（1）打开仪器前箱盖，如果是新到货的仪器，请将励磁

线圈中间的包装纸箱取下，小心地将洛仑兹力管拿出，并插

入仪器励磁线管间的管座上，注意要用手握住管座对准插座，

将管子插紧，切不能握住玻璃管泡用力，以免管座松动。管

子插好后将仪器管座上一只滚花螺钉转松，检查转动是否灵

活。检查时用手转动管座，不能转动玻璃泡。

（2）检查仪器控制旋钮位置，应按下述要求放置：

加速极电压 逆时针转到零

励磁电流方向 断路

励磁电流幅值 逆时针转到最小值

偏转板电压方向 断路

偏围板电压幅值 逆时针转到50V

（3）将仪器后盖板上电源线松开，接到市电。检查一下

励磁电流接线柱处跨接铜片是否接好。打开电源开关，面板

上指示灯即亮洛仑兹力管中灯丝也发光，预热五分钟，即可以正常作用。

2、观察电子束在匀强磁场中的运动径迹。

（1）观察电子束在磁场中的偏转。洛仑兹力演示器经预

热后，顺时针方向转动加速极电压旋钮，就可以看到洛仑兹

力管发射出电子射线形成的直线径迹。加速极电压一般加到

100 伏到200 伏之间即可。转到洛仑兹力管，使角度指示为

90°，此时电子束径迹直线指向左边，与励磁线圈轴线垂直。

将励磁电流方向开关扳到“逆时”位置，线圈上逆时针指向

信号灯发光，指示出励磁线圈已加上逆时针方向电流，按右

手螺旋法则可知道线圈产生的磁场平行于线圈轴线，方向朝

向测试者。根据左手定则，可确定电子所受到的洛仑兹力方

向朝下，于是可看到电子束径迹向下偏转。顺时针转动励磁

电流幅值旋钮加大励磁电流，可看到偏转角度增大。将励磁

电流幅值旋钮转到最小电流位置，励磁方向开关扳向“顺时”

位置，线圈上顺时针指向信号灯发光，指示出励磁线圈已加

上顺时针方向电流，所产生的磁场方向变化180°，于是可看

到电子束径迹向上偏转。

（2）观察电子束的匀强磁场中圆周运动。将励磁电流幅

值旋钮顺时转动，逐渐加大励磁电流，可看到电子束径迹形

成一个圆如图4 所示。从公式（4）中可求出径迹圆的直径为：

eBD = 2r = 2 mV （10）

电子束作圆周运动的直径正比于电子运动的速度V，反

比于磁场强度B。可以用实验来证明。在加速电压不变时，

当加大励磁电流时，磁场B 加大，可看到电子束径迹圆直径

减小。在励磁电流不变时，当加大加速极电压，电子运动的

速度加大，可看到电子束径迹圆直径加大。

（3）观察电子束在三维空间的运动径迹。顺时针转洛仑

兹力管，使角度指示为180°电子束方向和磁场方向平行时，

电子不受磁场作用力，可看到电子束径迹为一直线。当转动

角度指示为130°~150°时，即电子束方向与磁场方向成交角

时，看到电子束径迹呈螺旋线。这就验证了公式（2）。

3、观察电子束在电场作用下的偏转运动。

将励磁电流幅值旋钮逆时针转到最小值，励磁电流方向

开头扳到“断路”位置，励磁线圈上的信号灯熄灭，表示励

磁线圈没有通电流，不产生磁场。转动洛仑兹力管，使角度

指示为90°，即电子束指向左边垂直线圈轴线。将偏转板电

压方向开关扳到“上正”位置，洛仑兹力管内上偏转板加上

正电压，下偏转板接地，于是可看到电子束径迹向上偏转。

顺时针转动偏转板幅值旋钮，加大偏转板上电压，电子束上

偏角度加大。在偏转板电压不变情况下，加大加速极电压，

可看到电子束上偏转角度减小。以上观察到的现象验证了公

式（9）。如将偏转板电压方向旋钮扳到“下正”位置，洛仑

兹力管内下偏转板上加上正电压，上偏转板接地，于是可看

到电子束径迹向下偏转。4、电子荷质比me的测量

（1）测量电子荷质比时，除J2433-2 型仪器本身带指示

电表外，J2433-1 型仪器应外接电压表与电流表，电流的精度

应在1 级以上。当要求提高测量精度时，J2433-2 型仪器也可

以外接电流表与电压表。

（2）仪器采用外接电表指示时，可将250 伏或300 伏直

流电压表接到仪器后盖板上标有“加速级电压”的接线柱上。

将标有“励磁电流”的两只接线柱上跨接铜片取下，接入2.5А

或3A 直流电流表。连接时注意正负极性应接对。

（3）仪器接好线路后，按准备工作的要求进行预热。

（4）顺时针偏转加速极电压旋钮，使加速极电压调到

150 伏。将励磁电流方向开关扳到“顺时”位置，顺时针

转动励磁电流幅值旋钮，并转动洛仑兹力管使角度指示为

90°，此时电子束径迹成为一个圆。

（5）加上标尺，并将标尺调到能方便读测电子束径迹圆

直径的高度，用游标上V 形槽瞄准圆的两个边线，读测出圆

的直径，如图6 所示。并读出此时电表指示的励磁电流值及

加速极电压值，将以上数据代入公式（8），即可计算出电子

的荷质比。

（6）为了提高测试的准确性，应当在不同加速极电压及

不同励磁电流值，测出多组数值进行计算，再取平均值。下

面给出本型号仪器测试的几组数据供参考。

加速极电压

（伏）励磁电流（安）电子束半径（米）荷质比测试值（库仑/公斤）

140 0.92 0.0455 1.9734×1011

140 1.11 0.038 1.9736×1011

140 1.29 0.0345 1.7453×1011

140 1.47 0.0285 1.8385×1011

140 1.64 0.026 1.9019×1011

以上测试数据的平均荷质比值为1.88064×1011 库仑/公

斤，电子的电荷量e=1.60210×10-19 库仑，质量m=9.1091×

10-31 公斤，计算出理论荷质比值me=1.75879×1011 库仑/公

斤，测试值与理论值之间相对误差为6.9%。加速极电压（伏）励磁电流（安）

电子束半径（米）荷质比测试值（库仑/公斤）

192 1.06 0.0475 1.8706×1011

192 1.26 0.039 1.9639×1011

192 1.44 0.0365 1.7167×1011

192 1.61 0.0315 1.8438×1011

192 1.78 0.029 1.7798×1011

以上测试数据的平均荷质比值为1.83496×1011 库仑/公

斤，与理论之间相对误差为4.3%。

（5）欲使荷质比质量数据准确，关键是电子束径迹圆直

径应测准。圆的直径应调到4 公分到9 公分之间较为合适。

（6）测试完毕后，将加速极电压旋钮反时针转到零，励

磁电流幅值旋钮反时针转到底，然后关掉电源开关，拆去外

接电表，将仪器恢复到原来状态。

 

五、注 意 事 项

1、洛仑兹力管的寿命较短，为延长洛仑兹力管的使用寿

命，仪器使用前，先检查加速极电压旋钮是否逆时针转到零。

预热5 分钟后，再顺时针转动加速极电压旋钮，一般加上100

伏到200 伏之间加速电压即可，仪器暂时不观察时，应将加

速极电压旋钮转到零，待需要观察时再加上加速极电压。仪

器使用结束时，先将加速极电压旋钮转到零，再关电源开关。

仪器连接工作时间不要超过一小时。

2、实验时需要转换励磁电流方向时，一定要先将励磁电

流幅值旋钮转到最小电流值位置后再进行，防止大电流转换

电弧过大烧损转换开关。

3、转到洛仑兹力管时，应推动管座上的滚花螺钉或转动

管子胶木管座部分，决不要转动管子玻璃泡，以免损坏管子。

当转动角度指示超过180°或0°时，不要再继续转动，以防内

部止转装置损坏。

4、观察洛仑兹力现象时，一定要将偏转板电压幅值旋钮

逆时针转到最小，偏转板电压方向开关扳到“断路”位置。

观察电场作用力时，一定要将励磁电流幅值旋钮转到最小值，

励磁电流方向开关扳到“断路”位置。

5、仪器使用时，如发生保险丝熔断，应分析与检查仪器

是否发生了故障，找出原因后再换保险丝。电源保险丝F2 （0..

75А），装在仪器后盖板保险丝盒内。

6、仪器运输、存放时，一定注意不能将仪器倒置。将洛

仑兹力管座上的滚花螺钉旋入上盖罩上铆装螺母中，盖好暗

箱盖板。搬动时要防止碰撞。仪器应存放在阴凉、干燥、通

风的地方，存放满三个月时，必须开机一次，开机时间为一

小时，开机时不加加速极电压，励磁线圈电流开关置“顺时”，

电流幅值旋钮调到1 安位置。

分享到： 腾讯微博 新浪微博 人人网 邮件 收藏夹 复制网址 更多