一、实验目的

1.了解阴极射线产生的方法。

2.观察阴极射线在电场、磁场中的运动情况。

二、实验原理

在真空玻璃管中封入两块金属电极，接电源正极的是阳极，接电源负极的是阴极。在电源高压作用下阴极会有肉眼看不见的射线发出，称之为阴极射线，本实验将了解阴极射线产生的方法，并观察阴极射线在电场、磁场中的运动情况。

三、实验器材

电子感应圈、阴极射线管、蹄形磁铁、调压变压器、直流高压电源、洛伦滋力演示器、带鳄鱼夾的导线等。

1.J1207型电子感应圈简介

如图13-1所示，J1207型电子感应圈主要由初级线圈、次极线圈、铁芯、换向开关、高压调节开关、外壳和底座组成。工作电源为220V，50Hz交流电源，两根尖形放电杆端的放电火花距离≥10cm，放电火花≥2条，可连续工作15分钟。

使用方法：

（1）先将放电杆放在放电器插孔中，调节放电针尖端的相对距离，使之≤6cm，以防止高压发生内部打火。

（2）接上电源，打开高压调节开关，然后顺时针调节旋钮，两放电针之间就能产生由弱到强的放电火花。

（3）用极性转换开关，可以改变高压脉冲的正、负极性，以适应阴极射线管的需要。在针尖放电时，火花较明亮的一端是负极。

（4）使用光谱管和气体放电管时，应将高压旋钮按照由小到大逐渐调节到管子额定的工作电压，以免电压过高烧坏管子。

（5）操作时手和身体要远离放电杆和放电针，电源线和绝缘性能较差的物体不要靠近放电杆，以免电击危险。

（6）使用完毕，一定要将高压旋钮逆时针转到“关”的位置关闭电源，以便下次使用。切勿将电源插头当作开关用。

图13-1 电子感应圈

图13-2

2.阴极射线管简介

（1）示荧光电效应阴极射线管，如图13-2所示管内的假花上涂有各种能发荧光的化合物，如硫化锌等，在阴极射线下能发出各种光芒，阴极射线本身不可见，却能激发荧光物质发光，这一性质常用来显示阴极射线的轨迹。

（2）示直进效应阴极射线管，如图13-3所示，演示阴极射线沿直线运动，并能被金属阻挡的现象（穿透力很弱）。

图13-3

图13-4

（3）示机械效应阴极射线管，如图13-4所示，本仪器是用来演示阴极射线具有动能的实验。在阴极射线的通路上放一个可以绕铅直轴旋转的翼形小轮，阴极射线碰到翼形小轮时产生机械效应，使翼形小轮转动起来，同时小轮上涂有荧光粉，受阴极射线的激发产生不同颜色的光亮。

（4）示静电偏转阴极射线管，如图13-5所示，当从阴极逸出电子形成电子流（阴极射线））加速前进时，经过带有细缝的圆板只剩下较细的射线束，这一较细的阴极射线束受到偏转极板间电场的作用发生偏转。由于屏板上涂有荧光粉，当阴极射线打到屏板上时，使荧光粉发光，故可看见阴极射线的轨迹。阴极射线偏转的方向为偏转板所加电压的正极端，从而可以证明阴极射线是由电子组成的电子流。

（5）示磁效应阴极射线管，如图13-6所示，演示阴极射线的直进和在磁场内发生偏转的现象，说明阴极射线是从阴极发射出的带电微粒流。

图13-5

图13-6

3.洛伦兹力演示仪简介（川J2467-A型）

洛伦兹力演示仪能演示磁场对运动电子产生的洛伦兹力，可观察电子的运动轨迹，并能测定电子的荷质比；还能演示运动电子在电场作用下产生的偏转。仪器结构如图13-7所示。

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图13-7

四、实验步骤

观察阴极射线

先后将4种阴极射线管，与感应圈的正、负极相连，板状阴极连接感应圈的负极，棒状阳极连接感应圈的正极，接通电源，顺时针旋转高压调节旋钮，即有阴极射线从阴极发射出来。如极性接反，不发射明显的射线（示机械效应阴极射线管除外），可调节感应圈的转换开关。

（1）示直进阴极射线管演示时最好在暗室进行。将阴极射线管接在感应圈上，接通电源，调节高压旋钮，发射阴极射线，此时在射线管大端屏幕的玻璃壁上会出现一个与金属挡板形状相同的影子。影子周围的玻璃上则出现鲜明的黄绿荧光。由此可以说明阴极射线是沿直线运动的，其穿透金属片能力很弱。

（2）把示机械效应阴极射线管接在感应圈上接通电源，调节高压旋钮，圆片电极发射阴极射线，投射到涂有荧光物质的翼轮上时，翼轮受阴极射线照射的一面便发出荧光并且翼轮沿着阴极射线的方向滚动。转换感应圈上的换向开关，使阴极射线改变其运动方向（两圆片电极均可发射阴极射线）则翼轮滚动的方向也跟着改变。这说明阴极射线是一束微粒流，具有一定的动量和能量，并能把它传递给受照射的物体。

（3）把静电偏转阴极射线管接在感应圈上，接通电源，调节高压旋钮使之产生阴极射线，荧光板上出现一带状径迹。然后在两电极上加接直流高压电源，形成电场，此时阴极射线的带状轨迹会向电势高的电极方向偏转。改变两电极间的电压高低，以引起两极间电场强度的变化，使阴极射线在电场中的偏转角度也发生改变。根据阴极射线在电场中偏转情况，可以肯定阴极射线是带负电荷的微粒流，这种带负电荷的微粒流便是电子。

（4）把示磁效应阴极射线管接在感应圈上，接通电源，调节高压旋钮，产生阴极射线，通过狭缝在荧光屏上形成亮带，用蹄形磁铁开口向下（（或向上）横卡在管的中部，阴极射线即向上或向下发生偏转，用左手定则可以判断。形成射线的粒子带有负电荷。

观察洛伦兹力

1.准备工作：

（1）检查仪器控制旋钮的位置，应按下列位置放置：

加速极电源—逆时针转到0位；励磁电流—逆时针转到最小值；

偏转电压—逆时针转到0V；调制电压逆时针转到0V。

（2）打开电源开关，指示灯即发亮，洛伦兹力管中灯丝发光，预热5分钟后即可使用。

2.观察电子束在匀强磁场中的运动径迹。

（1）洛伦兹力演示仪预热5分钟后，顺时针方向转动加速极电压旋钮就可以看到洛伦兹力管发射出电子束形成的直线轨迹。加速电压一般加到100～200V之间即可，不要长时间超过250V，以延长洛伦兹力管的使用寿命。

（2）转动洛伦兹力管使角度指示为90°，此时电子束轨迹直线指向左边，与励磁线圈的轴线垂直。将励磁电流方向开关扳到“逆时”位置，励磁线圈上就加上逆时针方向的电流，按右手螺旋定则可以判断线圈产生的磁场平行于线圈的轴线，方向朝测试者。根据左手定则，可以判断电子束所受的洛伦兹力方向向下，于是可以看到电子束的轨迹向下偏转。

（3）将励磁电流幅值转到最小，方向开关扳向“顺时”位置则励磁线圈上已加上顺时针方向的电流，产生的磁场方向与前面的磁场方向相反，于是可以看到电子束向上偏转。

（4）在步骤（3）的基础上，将励磁电流幅值旋钮顺时针转动，逐渐加大励磁电流，可观察到电子束轨迹形成一个圆，即电子束在匀强磁场中做圆周运动。

（5）在步骤（4）的基础上缓慢转动洛伦兹力管（转动角度＜180°），可以观察到电子束方向与磁场方向为任意角度或平行时，电子束轨迹分别呈螺旋线或直线。

3.观察电子束在电场作用下的偏转运动。

（1）将励磁电流幅值逆时针转到最小值，励磁电流开关扳向“断路”，此时励磁线圈无电流，不产生磁场。

（2）转动洛伦兹力管，使角度指示为90°，即电子束向左与线圈轴线垂直，将偏转电压开关扳向“上正”位置，洛伦兹力管内上偏转板上加正电压，下偏转板接地，于是可看到电子束轨迹向上偏转。顺时针转动偏转板幅度值加大向上偏转电压，电子束向上偏转角度增大。在偏转电压不变的情况下加大加速极电压，可看到电子束偏转角度减小。

（3）改变偏转电压方向，可看到电子束轨迹向下偏转。

五、注意事项

1.仪器与感应圈相连的导线要注意绝缘，勿使导线相互交叉，人体切勿接触高压输出端，以防触电。

2.由于阴极射线管和洛伦兹力管的使用寿命较短，在实验中应尽量缩短通电时间，以延长使用寿命。

3.使用洛伦兹力演示仪时，要严格按照实验要求做，仪器使用前，首先检查加速极电压旋钮是否在零位，打开电源预热5分钟后，再加上加速极电压，一般在100V～150V之间最大不要超过300V。

4.暂不观察时应将加速电压旋钮转到零，待需要观察时再加上加速电压；仪器使用结束时，应先将加速电压旋钮转到零，再关电源开关；

5.实验时需要转换励磁电流方向时，一定要将励磁电流幅值旋钮转到最小电流值再进行，以防产生的电弧过大而烧坏转换开关。

6.转动洛伦兹力管子时。应转动管子的胶木管底座部分，不能转动管子的玻璃泡，转动角度不要超过180°，以免损坏管子。

7.观察洛伦兹力现象时一定要将偏转电压幅值旋钮逆时针转到最小，偏转板电压方向扳到“断路”位置。

8.调制电压可调节洛伦兹力管光迹辉度。一般情况下调到零电位。当光迹辉度过亮时，为了保护管子，可将其顺时针转到适当位置。

六、思考题

1.从哪些效应可以看出阴极射线带有电荷？带有哪种电荷？

2.通过实验，你是否了解阴极射线的产生及其性质？它在电场和磁场中如何运动？