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1、實驗實驗2:電子受靜電力及磁力作用的偏折電子受靜電力及磁力作用的偏折(課本實驗15/16)陰極射線管CRT的內部結構1.控制柵極G2.聚焦陽極F3.加速陽極A(總電位V1)4.水平偏壓(偏折)平行電極板5.垂直偏壓(偏折)平行電極板6.Z方向無偏折之電子束7.螢光幕 8.陰極射線管(CRT)內的加熱燈絲9.陰極射線管(CRT)內的陰極C目的目的:觀察陰極射線管(cathode ray tube,CRT)中之電子束在電場(E)及磁場(B)中之偏折運動情形，並測量電子的荷質比(e/m比)原理原理:Lorentz force F=q(E+v x B)SI unit:N=C(V/m)=C(m/s).T
2、 陰極射線管CRT的內部結構陰極射線管的工作原理Operation Principle of CRTI.在水平和垂直偏折平行電極板(4,5)無外加偏壓信號時：陰極射線管內的加熱燈絲(8)將陰極C(9)加熱放出熱電子經控制柵極G(1),聚焦陽極F(2)及加速陽極A(3)(總電位V1)後1.電子往Z方向(6)做等速運動，mvz2/2=eV1 vz=(2eV1/m)1/22.電子打到螢光幕(XY面)(7)上的中心位置，形成一亮點。陰極射線管CRT的內部結構電子質量 m=9.11 x 10-31 kg電荷 q=-e=-1.60 x 10-19 CAsV4=0V5=0lCommonlyusedtoobt
3、ainavisualdisplayofelectronicinformationinoscilloscopes,radarsystems,televisions,etc.lBeavacuumtubeinwhichabeamofelectronsisacceleratedanddeflectedundertheinfluenceofelectricormagneticfields.lTheelectronsaredeflectedinvariousdirectionsbytwosetsofplates.lTheplacingofchargeontheplatescreatestheelectri
4、cfieldbetweentheplatesandallowsthebeamtobesteered.Cathode Ray Tube(CRT)Cathode Ray Tube(CRT)-is one of the main elements of an oscilloscope.lACRTiscommonlyusedtoobtainavisualdisplayofelectronicinformationinoscilloscopes,radarsystems,televisions,etc.lTheCRTisavacuumtubeinwhichabeamofelectronsisaccele
5、ratedanddeflectedundertheinfluenceofelectricormagneticfields.lThetubesareproducedwithelectrostaticandelectromagneticcontrol,whereelectrostaticormagneticfieldsdeviatetheelectronbeamrespectively.lTheprincipleschemeofCRThaselectrostaticcontrolaswellasthemotionoftheelectronsinthebeamdrawingasinusoidonth
6、escreenofoscilloscope.Configuration of CRTlCRTconsistsof6sections:1.Glassbulbevacuatedtoahighvacuum(真空管)2.Cathode(asourceofelectrons，電子槍陰極)3.Cathodeheater(陰極加熱器)4.Electrodesforbrightnessandfocuscontrol,severalacceleratinganodes(亮度、聚焦、加速控制柵極)5.Pairsofhorizontalandverticalcapacitorplatesdeviatingtheel
7、ectronbeam6.Fluorescingscreen(螢光幕)Discharge TubelItwasobservedthatwhenevertheglasstubefilledwithairatlowpressureandlsealedwithelectrodesatboththeendswassubjectedtoabout10,000voltsofelectricity,lastrangeglowwasproducedaroundtheedgesofthewideendoftheglasstube,irrespectiveofthetypeofgasespresentinit.lT
8、he glass tube with sealed electrodes is called discharge tube.Discharge TubeElectron Gun1.Electronguns2.Electronbeams3.Focusingcoils4.Deflectioncoils5.Anodeconnection6.Maskforseparatingbeamsforred,green,andbluepartofdisplayedimage7.Phosphorlayerwithred,green,andbluezones8.Close-upofthephosphor-coate
9、dinnersideofthescreenCutawayrenderingofacolorCRTCATHODE-RAY TUBE(CRT)-is one of the main elements of an oscilloscope.lOneofanodes,whichacceleratetheelectrons,isplacedclosetothescreen.lThehighpositivevoltageisappliedtothiselectrode.lUndertheactionoftheappliedvoltagetheelectronsaremovedwithacceleratio
10、nfromcathodetoanode.lIntheabsenceofthevoltageappliedtodeviatingplatesofthecapacitortheelectronbeamwillbeincidentonthescreeninthecenterbrighteningapointinthefluorescinglayer.lInoscilloscopetheanalyzedsignalafteramplificationisappliedtoverticaldeviatingplates,whiletheperiodicsawtoothsignalisappliedtoh
11、orizontalplates.http:/physics- Web Sites for CRT Animationlhttp:/highered.mcgraw- Note：一般家電Vrms=110V,f=60Hz4.電子在磁場中之偏折利用共軸雙線圈螺線管之均勻磁場(B)來偏折電子束如磁場在x方向(長L)，電子離開磁場後距螢光幕D則電子在Y方向偏折SB(Sm)螢光幕(XY面)Y軸上SB有一亮點5.同時在電場及磁場的作用下並使電子不偏折 SE+SB=0 eE=evzB vz=E/B 代入SE或SB即可求電子的荷值(e/m)比實驗步驟：I.陰極射線管電源1.陰極射線管(X=60mm,Y=54mm,
12、D=115mm,L=11mm,d=1.65mm)插入CRT基座(Unilab031.502)X為X電板輸入端Y為Y電板輸入端A1為最後加速陽極Z接柵極2.CRT基座接CTR電源供應(032.332)之五腳CRT插座(tubesupply)注意：高壓電源!接電路前,確定電源供應器開關為關(off)(燈暗)3.調整CRT亮點之亮度(brill)(加速陽極)及焦距(focus)(聚焦陽極)II、電場偏折1.放大器(amplifier)(2)(032.842)接CRT電源供應器(1)(032.332)之auxunit直流電源(6V)2.產生交流電場:電源供應器(1)之交流電壓(6Vrms)接到放大器之
13、交流耦合A(alternatingcoupling)輸入端+共用端C(common)AC:只有ac信號進入(串聯電容器)DC:直流耦合D(directcoupling):ac/dc信號均可進入3.放大器之X/Y輸出端接CRT基座(3)(031.502)之垂直Y電板輸入4.利用放大器之增益(gain)及移動(shift)鈕，觀察及調整Y方向之亮線位置及長度/電壓振幅值l=2Vm(校正後)Y靈敏度(sensitivity):23V/1cm(Q):如何量週期T?(1)(1)(2)(2)(3)(3)III.交流電壓波形及頻率1.時基產生器(2)產生掃描鋸齒波(掃描週期可調)2.時基產生器(2)同步掃描
14、鋸齒波(掃描週期可調)輸出接水平放大器(3)輸入DC端(下頁)3.水平放大器(3)之輸出端接CRT基座之水平電板輸入(5)(水平輸入為時間t)(校正後)3.(5)垂直Y電板輸入不變但垂直放大器(4)輸入接DC端(垂直輸入為電壓V)4.放大器輸入A端同步接時基產生器(2)(032.892)(timebasegenerator)同步輸入端(sync)5.觀查CRT之波形Y(X)=V(t),量振幅(Vm)及週期(T)(1)(2)(3)(4)(5)IV.磁場偏折1.產生磁場：直流電源供應器(5)接到共軸雙線圈螺線管(2)(031.402)，線圈數為N=3000圈+3000圈。2.利用可變電阻(4)及安
15、培計(3)調整及測量電流(I)大小，因磁場BNI，所以可求算B值。3.共軸雙線圈螺線管放於CRT基座(1)之CRT上。4.利用不同方式測量電子的e/m比值。(1)(2)(3)(4)(5)實驗實驗3:示波器操作示波器操作(課本實驗課本實驗17)目的目的:瞭解示波器瞭解示波器(oscilloscope)之基本原理及操作之基本原理及操作 原理原理:見電子受靜電力及磁力作用的偏折實驗(例):示波器 TRIO CS-1022(附錄B)1.陰極射線管(CRT)控制(Z軸控制)(見下頁圖)電源及指示燈(power)(13,14)(保護儀器,注意安全)接地(ground,GND)(15)去除靜電,避免火花放電
16、(保護儀器,注意安全)校正(probe adjust)(16)方波,f=1 kHz,Vp-p=2Vm=0.5 V 軌跡旋轉(trace rotation)(17)去除附近磁場/地磁影響 聚焦(focus)(18)聚焦陽極 強度(intensity)(19)加速陽極(3-1)示波器正面:(例)TRIO CS-1022Y-X l Z l T(3-2)2.垂直(vertical)(Y軸)及水平(horrizontal)(X軸)控制 (以Y為例)軌跡位置(position)(1)垂直位置(拉出時放大十倍)可變/校正控制(variable/cal)(2)轉到校正(cal)位置,靈敏度範圍:1 mV/格
17、5 V/格 靈敏度(sensitivity/volts)(3)信號放大及衰減 輸入模式(ac-GND-dc)(4)ac:alternating coupling(交流)GND:no signal(校正基線)dc:direct coupling(交流+直流)輸入(input)(5)BNC型插座 控制模式(mode)(12)ch 1:Y signal only ch 2:X signal only add:X+Y alt,chop(其它用途)(3-3)3.時基(T)掃描(X無輸入)觸發水平/斜率(trig level/slope)(22):穩定波形(+/0)觸發耦合(trig coupling)(
18、23):ac 觸發源(trig source)(24)ch 1:Y 內源(觸發鋸齒波掃描)ch 2:X line(電源觸發)ext(外源觸發)(接21)觸發模式(trig mode)(25)auto(自動觸發)norm(正常)X Y 可變/校正控制(variable/cal)(26)轉到校正(cal)位置,靈敏度範圍:0.2 ms/格 0.5 s/格 掃描時間(sweep time)(27)信號放大及衰減 軌跡位置(position)(28)水平位置(拉出時放大十倍)(3-4)示波器方塊圖(block diagram):(例)National VP-5107TYX/T calibrator p
19、ower/Z(3-5)交流信號產生器(signal generator)(例)TRIO AG-203電源(power)(1,2)(保護儀器)輸出衰減(attenuation):0-50 dB 6個衰減級距(3)I(dB)=10.log10(I/I0)0 dB=1,-10 dB=10-1 -20 dB=10-2,-30 dB=10-3 -40 dB=10-4,-50 dB=10-5信號輸出(output)(4)波型(wave form):正弦波,方波(5)頻率(frequency):10 Hz 1 MHz 5個頻率級距(range)(6,8,9,10)x1(10-100 Hz),x10,x100 x1k,x10k(100 kHz 1 MHz)振幅(amplitude):連續調整(7)(3-6)實驗實驗:1.基本操作熟悉2.檢查放大器靈敏度及校正3.檢查時基靈敏度及校正4.X-Y操作 X,Y輸入正弦信號 觀察右圖合成波形 Vx+Vy5.頻率(f)測量 Y輸入正弦信號:Vy(t)=Vmsin(2f.t)(3-7)