Hướng dẫn thí nghiệm Vật lí - Bài 6: Xác định điện tích riêng e/m của electron theo phương pháp magnetron

GV: Trần Thiên Đức - V2012 HƯỚNG DẪN THÍ NGHIỆM BÀI 6 1. Tên bài: Xác định điện tích riêng e/m của electron theo phương pháp magnetron 2. Nhận xét: - Mục đích cao cả của bài thí nghiệm này là giúp cho sinh viên nhận ra một chân lí là sự thật bao giờ cũng phũ phàng hơn nhiều khi so với lý thuyết. Các bạn sẽ có cơ hội xác định điện tích riêng bằng một phương pháp nghe khá là tây: ma nhê tờ rôn (magnetron). - Vấn đề tiếp theo là tôi chưa từng hướng dẫn thí nghiệm bài này nên chưa có nhiều kinh nghiệm lắm, chủ yếu là chém gió để các bạn hiểu được bản chất của bài và nắm một cách cơ bản các thao tác cần phải làm khi tiến hành thí nghiệm. 3. Giải quyết: 3.1. Những đại lượng cần biết: - Khi làm bài này các bạn phải chú ý là lấy đầy đủ các số liệu ban đầu để còn xử lý kết quả:  Thang đo Um của vôn kế - cấp chính xác (đọc trên vônkế - hình như ở góc dưới bên phải hoặc bên trái)  Thang đo Im của ampe kế 1 và 2 (đọc trên ampe kế - tương tự như trên)  Số vòng dây và sai số  Hệ số của ống dây và sai số  Khoảng cách lưới – anode và sai số  Hiệu điện thế giữa lưới G và K  Số liệu 3,4,5 tốt nhất là nên hỏi trực tiếp giáo viên hướng dẫn 3.2. Cơ sở lý thuyết Đây có lẽ là vấn đề khó khăn nhất của chúng ta vì đa phần là đọc hướng dẫn xong mà cũng không hiểu vì sao nó lại như thế nhỉ. Để hiểu được nguyên lý của bài này thì các bạn nên xem lại một chút kiến thức về electron chuyển động trong điện trường và từ trường. Tóm tắt lại chỉ gồm có hai ý: - Trong điện trường: electron sẽ chuyển động ngược hướng với điện trường - Trong từ trường vuông góc với phương chuyển động của e: ông từ trường sẽ không hề ảnh hưởng đến vận tốc của ông electron mà chỉ có tác dụng thay đổi quỹ đạo (ở đây là biến quỹ đạo thành một đường cong bán kính r nào đó). Hiện tượng này giống như khi các bạn nam sinh viên BK (giống electron) đang đi thẳng dọc theo đường đôi để lên giảng đường học thì tự dưng ở đâu đó trước thư viên TQB có vài bạn girls cute đứng đó (vai trò của từ trường)  tôi đảm GV: Trần Thiên Đức - V2012 bảo đến 99% là quỹ đạo di chuyển của các bạn sẽ bị uốn cong về phía thư viện. Độ cute càng cao thì đảm bảo quỹ đạo sẽ càng uốn cong thậm chí là không còn đi thẳng nữa mà cứ đi xung quanh khu vực đấy  cho dù có bị điểm danh thì cũng phải xin được số điện thoại đã. Hình 1. Cấu tạo của đèn ma nhê tờ rôn Quay trở lại vấn đề của bài thí nghiệm, ở đây chúng ta cần tưởng tượng cấu tạo của đèn manheton đã. Hình 1 là cấu tạo của đèn ma nhê tở rôn. Chúng ta sẽ thấy đẳng cấp khác hẳn hình vẽ trong sách hướng dẫn (vài ba cái vòng tròn đồng tâm rồi kí hiệu choe choét  khiến chúng ta rất khó tưởng tưởng ). Đèn manhetron là một bóng thủy tính bên trong là chân không rất cao (10-7 – 10-8 mmHg)  có nghĩa là khu vực nằm trong bóng đèn gồm anode, cathode và lưới G có chân không rất cao  con ruồi nào lọt vào đây là hi sinh ngay vì không có oxi mà thở. Cái ống màu xanh lá cây ngoài cùng thực ra là một ống dây và vai trò của nó là tạo ra từ trường B chạy dọc theo ống dây. Từ trường này sẽ có tác dụng uốn éo quỹ đạo của mấy đồng chí electron chạy ra từ anode. Đến đây chúng ta sẽ có một số các câu hỏi được đặt ra. Chắc chúng ta sẽ phải nhờ đến GSX  GV: Trần Thiên Đức - V2012 Câu 1: Không hiểu electron ở đâu ra nhỉ? Chẳng nhẽ lại tự nó sinh ra. GSX: Nói thật câu này quá dễ. Bây giờ giả sử nếu các bạn nằm trong nhà vào mùa hè có quạt và điều hòa rất mát. Tình huống đặt ra là tự dưng mất điện. Lúc này nhiệt độ sẽ tăng cao và các bạn sẽ thấy nóng trong người. Lập tức không ai bảo ai các bạn sẽ tự động chạy ra khỏi nhà hưởng tý khí trời ngay. Và đây cũng chính là nguyên lý để tạo ra electron. Người ta sẽ sủ dụng một sợi dây kim loại có điện trở cao và được nối với một nguồn điện bên ngoài. Và tất nhiên ai cũng hiểu là có dòng qua điện trở thì kiểu gì dây kim loại chả nóng và khiến catốt nóng theo. Mà catốt nóng thì mấy ông electron ở trong đó chịu sao nổi và lập tức rủ nhau dạt nhà luôn. Câu 2: Thế sau khi electron bay ra ngòai thì chúng sẽ đi đâu? GSX: Cái đấy thì lại còn tùy từng trường hợp. Ví dụ các bạn ra khỏi nhà mà không biết đi đâu thì cũng chỉ lởn vởn ra rồi lại vào, vào rồi lại ra. Electron cũng vậy, ra rồi vào, vào chán rồi lại ra. Tuy nhiên, nếu giả sử đang đứng ở ngoài tự dưng nhận được tin nhắn quán game XYZ ở Bách khoa không mất điện và có điều hòa rất mát. Lập tức các chiến hữu từ mọi ngả đường sẽ kéo ngay về quán game đó. Tương tự như vậy, nếu ta đặt vào giữa lưới G và ca tốt (các bạn chú ý là giữa lưới G và ca tốt nhé chứ không phải là giữa a nốt và ca tốt) thì dưới tác dụng của điện trường thì electron sẽ bị cuốn về lưới G. Chú ý là phải đặt đúng chiều của điện trường là cực dương của nguồn vào lưới G và cực âm vào ca tốt. Câu 3: Ống dây D có tác dụng gì? GSX: Chúng ta lại xét một ví dụ thực tế nhé. Giả sử các bạn đang tới quán game để tránh cái nóng thì lúc này nhận được điện thoại của bạn gái bảo qua đón đi ăn kem. Đến lúc này sẽ xảy ra một cuộc đấu tranh tư tưởng là qua đón đi ăn kem hay là tụ tập với an hem chiến hữu đánh game. Đối với nhưng bạn chỉ hơi hơi thích thì sẽ có suy nghĩ là kem kiếc gì tốn tiền chơi game sướng hơn và nhắn tin lại là anh đang bận học sắp thi rồi để hôm khác được không?  (lý do to hơn sự thật). Tuy nhiên với những bạn đang iu thì có khi gần đến quán rồi thì vòng lại đón đi ăn kem ngay. Trường hợp iu mãnh liệt thì sẵn sàng quay lại luôn không thèm chơi game nữa. Có thể nói tác động của bạn gái giống hệt như tác dụng của từ trường lên electron. Quay trở lại câu hỏi, ống dây ở đây có tác dụng vô cùng quan trọng trong việc thay đổi quĩ đạo của electron từ lưới G đến anốt. Ở đây các bạn chú ý là sẽ có hai vùng rất quan trọng là giữa catốt và lưới G và giữa lưới G và anốt. Trong vùng giữa catốt và lưới G vận tốc electron tăng dần và được tính theo công thức: Trong vùng giữa anốt và lưới G thì vận tốc electron có thể coi như không đổi. Lý do dẫn đến điều này là ampe kế A2 nối giữa lưới G và anốt có điện trở rất nhỏ nên có thể nói hiệu điện thế giữa anốt và lưới G coi như bằng 0 mà đã bằng GV: Trần Thiên Đức - V2012 0 thì sẽ không gia tốc được electron nữa. Ở đây chúng ta sẽ chỉ xét vùng electron chuyển động đều. Như chúng ta đã biết khi đặt một từ trường vuông góc với phương truyển động của electron thì sẽ xuất hiện lực Lorentz, lực này đóng vai trò là lực hướng tâm và sẽ làm quỹ đạo của electron bị uốn cong theo đường tròn bán kính r: Hình 2. Vùng chuyển động nhanh dần đều và vùng chuyển động đều của electron Nhìn vào công thức trên ta thấy ở đây khi m, v, e đã xác định thì bán kính sẽ phụ thuộc vào cảm ứng từ B. Nếu B càng lớn thì có nghĩa là R càng nhỏ. Và khi B tăng đến một giá trị tới hạn nào đó thì bán kính R sẽ bằng d/2 (d là khoảng cách giữa lưới và anốt). Lúc này chúng ta sẽ thấy là chẳng có một ông electron nào chạy được tới anốt nữa (tất cả đã theo gái đi ăn kem rồi ). Ở đây từ trường B dễ dàng điều chỉnh bằng việc thay đổi dộ lớn dòng điện qua ống dây: Bây giờ giả sử tôi gọi I1 là cường độ dòng điện gây ra từ trường tới hạn B1. Hình 3 sẽ cho chúng ta cái nhìn tổng thể về quĩ đạo của electron trong một số trường hợp đặc biệt GV: Trần Thiên Đức - V2012 Hình 3. Quỹ đạo của electron (1): Khi không có từ trường (chưa nhận điện thoại của bạn gái) electron chạy thẳng từ từ lưới G đến anốt (chạy thẳng đến quán game mà không phải lăn tăn gì) (2): Khi có từ trường nhưng chưa đủ lớn I < I1 (nhận điện thoại của bạn gái nhưng trong giai đoạn chưa có gì sâu sắc) electron vẫn đến được anốt nhưng quĩ đạo đã bị uốn cong (tình trạng nửa muốn đi đón nửa muốn đánh game nên đi vòng vèo một lúc và cuối cùng sức hút của game lớn hơn nên quyết định đến quán game sau một lúc đi vòng vèo) (3): Khi có từ trường đủ lớn I = I1 (nhân điện thoại của bạn gái trong giai đoạn tình cảm bắt đầu sâu sắc) quỹ đạo electron chuyển thành quỹ đạo tròn và electron không tới anốt nữa (đây là giai đoạn khó khăn nhất vì đòi hỏi qúa trình đấu tranh tư tưởng khá dài, cứ nửa muốn game nửa muốn girl nên cứ vòng vèo mãi. Nhưng cuối cùng tình cảm trỗi dậy đúng lúc đang gửi xe chuẩn bị vào quán nên lấy xe quay lại luôn ) (4): Khi từ trường lớn hơn từ trường giới hạn I > I1 (nhận điện thoại trong giai đoạn lúc nào cũng hóng hớt điện thoại của bạn gái) quỹ đạo tròn electron sẽ bị thu nhỏ lại (có thể nói đây là lúc mà game chỉ còn là con muỗi khi so với girl, nhận điện là quay đầu xe luôn) Đến đây hi vọng các bạn đã hiểu cái cần phải hiểu. Tạm biệt GSX và chúng ta tiếp tục tới nội dung tiếp theo. 3.3. Quá trình đo cần chú ý - Đặc điểm nhận dạng thiết bị là có một cuộn dây rất to đặt thẳng đứng ở giữa (hình 4, hình 5). Các bạn chú ý vai trò của từng nguồn một chiều, ampe kế để mắc cho chuẩn. Để đơn giản ta nên chia chia nhỏ giai đoạn mắc ra:  Giai đoạn 1: Cấp nguồn cho catốt  tìm vị trí nguồn U2 và cấp thôi  Giai đoạn 2: Cấp nguồn cho lưới và catốt  tìm vị trí nguồn U3 và chú ý dương nguồn phải đấu vào lưới G và đấu vôn kế song song với nguồn U3. GV: Trần Thiên Đức - V2012 Nếu như tôi không nhầm thì lưới G và catốt đã được đấu thẳng với vôn kế V nên các bạn chỉ cần đấu với vôn kế là xong  Giai đoạn 3: Cấp nguồn cho ống dây  tìm vị trí nguồn U1 và chú ý là đấu nối tiếp với ampe kế A1 để còn đọc giá trị I1.  Giai đoạn 4: Đấu ampe kế A2, ampe kế này đóng vai trò rất quan trọng trong việc xác định giá trị tới hạn của từ trường (các bạn sẽ thấy ban giá trị của ampe kế này sẽ giảm dần đến giá trị 0 trong quá trình đo) Hình 4. Bộ thiết bị khảo sát Hình 5. Sơ đồ thí nghiệm xác định điện tích riêng electron GV: Trần Thiên Đức - V2012 - Khi mắc xong hãy nhớ là phải mời giáo viên hướng dẫn ra kiểm tra nếu ok thì mới được bấm khóa K và bắt đầu đo thôi. Nhìn chung quá trình đo cũng khá đơn giản vì các bạn chỉ cần tăng cường độ dòng ứng với ampe kế A1 rồi ghi giá trị hiển thị trên I2 là xong. - Bài này đa phần là kết quả thu được khá ảo nên các bạn chịu khó đo thật cẩn thận. Nếu có nhiều time thì nên đo đi đo lại vài lần để thu được bộ giá trị chuẩn nhất. 4. Xử lý số liệu - Bài này thì tợm nhất là phần vẽ đồ thị thôi. Để biết thêm chi tiết thì các bạn tham khảo báo cáo mẫu nhé KẾT THÚC BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 6 CHÚC MỌI NGƯỜI HOÀN THÀNH TỐT BÀI NÀY 