《大学物理实验》课程教学资源（实验讲义）第4章 基础物理实验（4.16-4.28）

4.16迈克耳逊于涉仪的调整与使用干涉仪是根据光的干涉原理制成的一种进行精密测量的仪器，在科学技术上有着广泛的应用。干涉仪的形式很多，迈克耳逊干涉仪就是其中的一种。【实验目的】1.了解迈克耳逊干涉仪的结构，学习调节方法。2.利用点光源产生的同心圆干涉条纹测量单色光的波长。【实验原理】1.迈克耳逊干涉仪的结构与光路(1)、迈克耳逊干涉仪的结构迈克耳逊干涉仪的结构如图4-16-1所示，M，和M，是两面经精细磨光的平面反射镜，M，是固?211.观察屏；2.粗动手轮；3.分光板；4.补偿片；5.固定反射镜；6.活动反射镜；7.导轨标尺；8.水平微调；9.垂直微调；10.微动手轮；11.刻度鼓轮；12.锁紧螺钉；13.粗调手柄图4-16-1迈克耳逊干涉仪实物图定的，M,是活动的一一松开锁紧螺钉，转动粗手动轮，M,能在精密导轨上前后移动，M，的镜面垂直于移动方向，当粗动手轮对准某一刻线，微动手轮(1O)对准零时，将粗动手轮用螺钉锁紧，这时转动微动手轮，M，在精密导轨上作微小移动。在两种情况下，移过的距离可由导轨标尺，以及粗动手轮和微动手轮上的刻度读出。G和G,是两块材料、厚度一样的平行平面玻璃。在G，的一个表面上镀有半透明的铬（或铝）层，使射到它上面的光一半反射，另一半透射，G,称之为分光板。G，G,相互平行，且与M,成45，调节Mi可使它与M,互相垂直或成某一角度。调节时，粗调用M,背后三个（α,az,a,）螺丝进行，细调用M，下面的两个互相垂直、有弹簧的微动螺丝“8”和“9”进行。166

166 4.16 迈克耳逊干涉仪的调整与使用 干涉仪是根据光的干涉原理制成的一种进行精密测量的仪器，在科学技术上有着广泛的应用。 干涉仪的形式很多，迈克耳逊干涉仪就是其中的一种。 【实验目的】 1. 了解迈克耳逊干涉仪的结构，学习调节方法。 2. 利用点光源产生的同心圆干涉条纹测量单色光的波长。 【实验原理】 1. 迈克耳逊干涉仪的结构与光路 ⑴、迈克耳逊干涉仪的结构 迈克耳逊干涉仪的结构如图 4-16-1 所示， M1 和 M2 是两面经精细磨光的平面反射镜， M1 是固 定的， M2 是活动的——松开锁紧螺钉，转动粗手动轮， M2 能在精密导轨上前后移动， M2 的镜面 垂直于移动方向，当粗动手轮 对准某一刻线，微动手轮⑽对准零时，将粗动手轮用螺钉锁紧，这 时转动微动手轮， M2 在精密导轨上作微小移动。在两种情况下，移过的距离可由导轨标尺，以及 粗动手轮和微动手轮上的刻度读出。 G1 和 G2 是两块材料、厚度一样的平行平面玻璃。在 G1 的一个表面上镀有半透明的铬（或铝） 层，使射到它上面的光一半反射，另一半透射， G1 称之为分光板。 G1，G2 相互平行，且与 M2 成 45˚，调节 M1 可使它与 M2 互相垂直或成某一角度。调节时，粗调用 M1 背后三个（ 1 2 3 a a a , , ）螺丝 进行，细调用 M1 下面的两个互相垂直、有弹簧的微动螺丝“8”和“9”进行。 图 4-16-1 迈克耳逊干涉仪实物图

（2）、迈克耳逊于涉仪的光路图如图4-16-2所示。光源上一点发出的光线射到半透明层K上被分为两部分：光线“1”和“2”。光线“2”射到M，上被反射回来后，透过G到达E处。光线“1”Iu透过G,射到M,，被M,反射回来后再透过G,AV射到K上，再被K反射而到达E处。这两条光线是由一条光线分出来的，所以它们是相干光激光器如果没有G，光线“2”到达E时通过玻璃片MG三次，光线“1”通过G.仅一次，这样两束E光到达E时会存在较大的光程差。放上G,后图4-16-2迈克耳逊干涉仪的光路图使光线“1”又通过玻璃片G，两次，这样就补偿了光线“1”到达E时光路中所缺少的光程。所以，通常将G，称为5补偿片。光线“1”也可看作是从M,在半透明铬层中的虚像M，反-M射来的。在研究干涉时，M与M,是等效的。2.干涉条纹的图样BMsX在迈克耳逊干涉仪中，由M，、M,反射出来的光是两束相干光，M，和M，可看作是两个相干光光源，因此在迈克耳逊干涉仪中可观察到：(1)、点光源产生的非定域干涉条纹。(2)、点、面光源等顷干涉条纹。图4-16-3相干光束(3)、面光源等厚干涉条纹。本实验主要观察第(1)种干涉条纹，并利用这种条纹进行氢氛激光波长的测量。观察第(2)、(3)种干涉条纹可作为选做内容点光源产生的非定域干涉图样是这样形成的：凸透镜汇聚后的激光束，是一个线度小、强度足够大的点光源。点光源经M，，M，反射后，相当于由两个虚光源S，S，发出的相干光束（如图4-16-3所示），但S,和S,间的距离为Mi和M2间距的两倍，即S,S,等于2d。虚光源S，S,发出的球面波在它们相遇的空间处处相干，因此这种干涉现象是非定域的干涉图样。若用平面屏观察干涉图样，不同的地点可以观察到圆、椭圆、双曲线、直线状的条纹（在迈克耳逊干涉仪的实际情况下，放置屏的空间是有限的，只有圆和椭圆容易出现）。通常，把屏E放在垂直与SS，连线的OA处，对应的干涉图样是一组同心圆，圆心在SS，延长线和屏的交点O上。由SS，到屏上任一点A，两光线的光程差△为167

167 ⑵、迈克耳逊干涉仪的光路图如图 4-16-2 所示。光源上一点发出的光线射到半透明层 K 上被分 为两部分：光线“1”和“2”。光线“2”射到 M2 上被反射回来后，透过 G1 到达 E 处。光线“1” 透过 G2 射到 M1 ，被 M1 反射回来后再透过 G2 射到 K 上，再被 K 反射而到达 E 处。这两条 光线是由一条光线分出来的，所以它们是相干光。 如果没有 G2 ，光线“2”到达 E 时通过玻璃片 G1 三次，光线“1”通过 G1 仅一次，这样两束 光到达 E 时会存在较大的光程差。放上 G2 后， 使光线“1”又通过玻璃片 G2 两次，这样就补偿了 光线“1”到达 E 时光路中所缺少的光程。所以，通常将 G2 称为 补偿片。 光线“1”也可看作是从 M1 在半透明铬层中的虚像 ' M1 反 射来的。在研究干涉时， ' M1 与 M1 是等效的。 2. 干涉条纹的图样 在迈克耳逊干涉仪中，由 M1 、M2 反射出来的光是两束相 干光， M1 和 M2 可看作是两个相干光光源，因此在迈克耳逊干 涉仪中可观察到： ⑴、点光源产生的非定域干涉条纹。 ⑵、点、面光源等顷干涉条纹。 ⑶、面光源等厚干涉条纹。 本实验主要观察第⑴种干涉条纹，并利用这种条纹进行氦氖激光波长的测量。观察第⑵、⑶种干涉 条纹可作为选做内容. 点光源产生的非定域干涉图样是这样形成的：凸透镜汇聚后的激光束，是一个线度小、强度足 够大的点光源。点光源经 M1 ，M2 反射后，相当于由两个虚光源 ' 1 S ， 2 S 发出的相干光束（如图 4- 16-3 所示），但 ' 1 S 和 2 S 间的距离为 M1 和 M2 间距的两倍，即 ' 1 S 2 S 等于 2d。虚光源 ' 1 S ， 2 S 发出的 球面波在它们相遇的空间处处相干，因此这种干涉现象是非定域的干涉图样。 若用平面屏观察干涉图样，不同的地点可以观察到圆、椭圆、双曲线、直线状的条纹（在迈克 耳逊干涉仪的实际情况下，放置屏的空间是有限的，只有圆和椭圆容易出现）。通常，把屏 E 放在 垂直与 ' 1 2 SS 连线的 OA 处，对应的干涉图样是一组同心圆，圆心在 ' 1 2 SS 延长线和屏的交点 O 上。 由 ' 1 2 SS 到屏上任一点 A ，两光线的光程差  为 图 4-16-2 迈克耳逊干涉仪的光路图 图 4-16-3 相干光束

A=S,A-S,A=/L+2d)?+R?-VL?+R?4Ld +4d21= /L? + R?4-16-1L?+R?111，利用展开式/+x=1+，通常L>>d取前两项，可将式4-16-1改写24成14Ld+4d2116Ld2A=VL+R?[2L? + R?8(L?+R)2dR?2LdL(L? +R)VL?+R?由图4-16-3的三角关系，上式可改写成+sins=2d(cos8)1+4-16-2L略去二级无穷小项，可得=2dcosg4-16-3=2dcos8=ka（明纹）4-16-4A=2d cosS =(2k+1)（暗纹）2这种由点光源产生的圆环状干涉条纹，无论将观察屏E沿SS，方向移动到什么位置都可以看到。由式（4-16-4）可知：①当8=0时的△最大，即圆心所对应的干涉级别最高。摇动手轮而移动M，，当d增加时，相当于减小了和k相应的角（或圆锥角），可以看到圆环一个个从中心“涌出”而后往外扩张；若d减小时，圆环逐渐缩小，最后“淹没”在中心处。每“涌出”或“淹没”一个圆环，相当于S,S的光程差改变了一个波长入。设M，移动了△d距离，相应地“涌出”或“没”的圆环数为N，则=2d=N21-NAd =4-16-52从仪器上读出△d及数出相应的N，就可以测出光波的波长入。②d增大时，光程差△每改变一个波长所需的8的变化值减小，即两亮环（或两暗环）之间的间隔变小，看上去条纹变细变密。反之，d减小时，条纹变粗变疏。168

168 ' 2 1  = − S A S A 2 2 2 2 = （L + 2d) + R − L + R         − + + = + + 1 4 4 1 2 2 2 2 2 L R Ld d L R 4-16-1 通常 L d  ，利用展开式 1 1 2 1 1 . 2 4 + = + − + x x x 取前两项，可将式 4-16-1 改写 成       + −  + +  = +  2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 ( ) 16 8 4 4 1 2 1 L R L d L R Ld d L R       + + + = ( ) 1 2 2 2 2 2 2 L L R dR L R Ld 由图 4-16-3 的三角关系，上式可改写成        =  +  2 2 (cos ) 1 sin L d d 4-16-2 略去二级无穷小项，可得  = 2d cos 4-16-3  = 2d cos = k （明纹） 4-16-4 2 2 cos (2 1)   = d  = k + （暗纹） 这种由点光源产生的圆环状干涉条纹，无论将观察屏 E 沿 ' 1 2 SS 方向移动到什么位置都可以看 到。 由式（4-16-4）可知： ①当  = 0 时的  最大，即圆心所对应的干涉级别最高。摇动手轮而移动 M2 ，当 d 增加时， 相当于减小了和 k 相应的  角（或圆锥角），可以看到圆环一个个从中心“涌出”而后往外扩张；若 d 减小时，圆环逐渐缩小，最后“淹没”在中心处。每“涌出”或“淹没”一个圆环，相当于 ' 1 2 SS 的光程差改变了一个波长  。设 M2 移动了 d 距离，相应地“涌出”或“淹没”的圆环数为 N ， 则  = 2d = N d N 2 1  = 4-16-5 从仪器上读出 d 及数出相应的 N，就可以测出光波的波长  。 ② d 增大时，光程差 Δ 每改变一个波长所需的  的变化值减小，即两亮环（或两暗环）之间的 间隔变小，看上去条纹变细变密。反之， d 减小时，条纹变粗变疏

③若将入作为标准值，测出“涌出”（或“淹没”）N个圆环时的△d实（M,移动的距离）与由式（4-16-5）算出的理论值△d理比较，可以校准仪器传动系统的误差。④若以传动系统作为基准，则由N和△d实可测定单色光源的波长入，实验时，光源都有一定体积，要获得一个比较理想的点光源，实验中往往用光阑和透镜将光束改变成较为理想的发散光束。【实验仪器】迈克耳逊干涉仪、氢氛激光器、扩束镜。【实验内容】1、仪器和非定域干涉条纹的调节：(1)、使氨氛激光束大致垂直于M，即调节氢氛激光器高低左右位置，使反射回来的光束按原路返回（如图4-16-2所示）。(2)、装上观察屏E，可看到分别由M,和M,反射到屏的两排光点，每排4个光点，中间两个较亮，旁边两个较暗。调节M，和M，背面的3个螺钉，使两排光点一一重合，这时M与M，大致互L相垂直。(3)、在氨氛激光器实际光路中加进扩束器（短+-焦距透镜），扩束光照在G，上，此时在屏上就会出图4-16-4微调螺旋测微装置现干涉条纹，再调节细调拉簧微调螺钉（图4-16-1，粗调手轮：2，锁紧螺钉：3，粗调手柄：4，微调手轮1中的8，9），直到能看到位置适中、清晰的圆环状非定域干涉条纹。(4)、观察条纹变化。旋松刻度轮端面上锁紧螺钉“2”（如图4-16-4所示），转动手柄“3”，可看到条纹上“涌出”或“淹没”。判别M，M,之间的距离d是变大还是变小，观察条纹粗细、疏密和d的关系。2.测量氨氛激光波长(1)、读数刻度基准线的调整。旋松锁紧螺钉，转动手柄，使读数基准线与刻度鼓轮上某一刻度线对准（例如与70线对准），转动微调读数鼓轮(4)，使零刻度线对准基准线。(2)、微微旋紧螺钉后，慢慢转动鼓轮，可以清晰地看到条纹一个一个地“涌出”或“淹没”。待操作熟练后开始测量，记下刻度轮和微调轮上的初读数di，每当“涌出”或“淹没”N=50个条纹时，记下d，连续测量10次，将这10个d值分成两组填入表4-16-1中（注意；前5个填入d,栏，后5个填入di+s栏）。(3)、用逐差法处理实验数据，计算波长。【数据记录与数据处理】表4-16-1单色光波长的测定数据169

169 ③若将  作为标准值，测出“涌出”（或“淹没”） N 个圆环时的 d实 （ M2 移动的距离）与由 式（4-16-5）算出的理论值 d理 比较，可以校准仪器传动系统的误差。 ④若以传动系统作为基准，则由 N 和 d实 可测定单色光源的波长  ，实验时，光源都有一定 体积，要获得一个比较理想的点光源，实验中往往用光阑和透镜将光束改变成较为理想的发散光束。 【实验仪器】 迈克耳逊干涉仪、氦氖激光器、扩束镜。 【实验内容】 1、仪器和非定域干涉条纹的调节： ⑴、使氦氖激光束大致垂直于 M1 ，即调节氦氖激光器高低左右位置，使反射回来的光束按原 路返回（如图 4-16-2 所示）。 ⑵、装上观察屏 E ，可看到分别由 M1 和 M2 反射到屏的两排光点，每排 4 个光点，中间两个较 亮，旁边两个较暗。调节 M1 和 M2 背面的 3 个螺 钉，使两排光点一一重合，这时 M1 与 M2 大致互 相垂直。 ⑶、在氦氖激光器实际光路中加进扩束器（短 焦距透镜），扩束光照在 G1 上，此时在屏上就会出 现干涉条纹，再调节细调拉簧微调螺钉（图 4-16- 1 中的 8，9），直到能看到位置适中、清晰的圆环 状非定域干涉条纹。 ⑷、观察条纹变化。旋松刻度轮端面上锁紧螺钉“2”（如图 4-16-4 所示），转动手柄“3”，可 看到条纹上“涌出”或 “淹没”。判别 ' 1 2 M M, 之间的距离 d 是变大还是变小，观察条纹粗细、疏 密和 d 的关系。 2．测量氦氖激光波长 ⑴、读数刻度基准线的调整。旋松锁紧螺钉，转动手柄，使读数基准线与刻度鼓轮上某一刻度 线对准（例如与 70 线对准），转动微调读数鼓轮⑷，使零刻度线对准基准线。 ⑵、微微旋紧螺钉后，慢慢转动鼓轮，可以清晰地看到条纹一个一个地“涌出”或“淹没”。待 操作熟练后开始测量，记下刻度轮和微调轮上的初读数 d1，每当“涌出”或“淹没” N = 50 个条纹 时，记下 d，连续测量 10 次，将这 10 个 d 值分成两组填入表 4-16-1 中（注意；前 5 个填入 i d 栏， 后 5 个填入 i 5 d + 栏）。 ⑶、用逐差法处理实验数据，计算波长。 【数据记录与数据处理】 表 4-16-1 单色光波长的测定数据 图 4-16-4 微调螺旋测微装置 1，粗调手轮；2，锁紧螺钉；3，粗调手柄；4，微调手轮

△仪=mm050100150200移动条文数目/个反射镜位置d,/mm300350移动条文数目/个250400450反射镜位置di+s/mm250250250250250条文数目差N/个反射镜位置差(d+s-d,)/mm2(di+s -d,)波长元=/mmN平均值元/mm标准差s(元)/mm计算波长的不确定度：u(元）=mm测量结果：入=元±u）=(土)mm测量值与公认值相对误差：（实验室给出标准值2=mm)[-20×100%=%E=2【注意事项】1.迈克耳逊干涉仪是精密光学仪器，绝对不能用手触摸各光学元件。2.调节Mi背面螺钉和微调螺钉时均应缓缓旋转。3.不要让激光直射入眼。【思考题】1.根据迈克耳逊干涉仪的光路，说明各光学元件的作用。2什么是非定域于涉条纹？简述调出非定域于涉条纹的条件和程序。3实验中如何利用干涉条纹测出单色光的波长？计算一下，氨氛激光波长为632.8nm，当N=50时，△d应为多大？170

170  = 仪 mm 移动条文数目/个 0 50 100 150 200 反射镜位置 di / mm 移动条文数目/个 250 300 350 400 450 反射镜位置 5 di+ / mm 条文数目差 N /个 250 250 250 250 250 反射镜位置差 5 ( ) / mm i i d d + − 波长 5 2( ) / mm i i d d N  + − = 平均值  / mm 标准差 s( ) / mm  计算波长的不确定度： u( ) mm  = 测量结果：    =  =  u( ) ( )mm 测量值与公认值相对误差：（实验室给出标准值 0 = mm ） 0 0 r 0 0 E 100    − =  = 0 0 【注意事项】 1. 迈克耳逊干涉仪是精密光学仪器，绝对不能用手触摸各光学元件。 2. 调节 M1 背面螺钉和微调螺钉时均应缓缓旋转。 3. 不要让激光直射入眼。 【思考题】 1. 根据迈克耳逊干涉仪的光路，说明各光学元件的作用。 2. 什么是非定域干涉条纹？简述调出非定域干涉条纹的条件和程序。 3. 实验中如何利用干涉条纹测出单色光的波长？计算一下，氦氖激光波长为 632.8nm,当 N=50 时，Δ d 应为多大？

4.17电子束的电偏转带电粒子在电场和磁场中运动，是近代科学技术应用领域中经常遇到的一种物理现象。示波器的示波管、电视机显像管、雷达指示管、电子显微镜等电子器件，外形和功用虽然各不相同，但其共同点是：都有电子束的发射系统、加速系统、聚焦、偏转和强度控制等系统。电子束的聚焦和偏转可以通过电场和磁场对电子的作用来实现，前者称为电聚焦和电偏转，后者称为磁聚焦和磁偏转。本实验就是研究电子束电偏转规律的。通过实验，同学们可加深对电子在电场中运动规律的理解，有助于认识示波器和显像管的工作原理。【实验目的】1、了解示波管的构造和工作原理，研究静电场对电子的加速作用。2、定量分析电子束在横向匀强电场作用下的偏转规律和示波管的电偏转灵敏度。【实验原理】1、示波管的基本结构韵转系统电子抢示波管又叫阴极射线管，它的构造如图卖OKE光屏光屏，中间为偏转系统，后端为电子枪。它KGGAA们都密封在抽成高真空的玻璃壳之中，以免石墨层电子在示波管中穿越时与气体分子发生碰图4-17-1示波管的构造撞。下面分别作以介绍：(1)电子枪电子枪的作用是发射电子，并把它们加速到一定速度聚成一细束。电子枪由灯丝H、阴极K、控制栅极Gr、第一阳极Ar、第二阳极A2等同轴金属圆筒组成。灯丝H通电后加热阴极K，使阴极K发射电子。控制栅极G的电位比阴极低，对阴极发出的电子起排作用，只有初速度较大的电子才能穿过栅极的小孔并射向荧光屏，而初速度较小的电子则被电场排斥回阴极。通过调节栅极G可以控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变荧光屏上的光斑亮度。阳极电位比阴极电位高很多，对电子起加速作用，使电子获得足够的能量射向荧光屏，从而激发荧光屏上的荧光物质发光。第一阳极A称为聚焦阳极，面板上的“聚焦”旋钮就是用来调节第一阳极电位的；第二阳极Az称为加速阳极增加加速电极的电压，电子可获得更大的轰击动能，荧光屏的亮度虽然可以提高，但加速电压一经确定，就不宜随时改变它来调节亮度。(2)偏转系统171

171 4.17 电子束的电偏转 带电粒子在电场和磁场中运动，是近代科学技术应用领域中经常遇到的一种物理现象。示波器 的示波管、电视机显像管、雷达指示管、电子显微镜等电子器件，外形和功用虽然各不相同，但其 共同点是：都有电子束的发射系统、加速系统、聚焦、偏转和强度控制等系统。电子束的聚焦和偏 转可以通过电场和磁场对电子的作用来实现，前者称为电聚焦和电偏转，后者称为磁聚焦和磁偏转。 本实验就是研究电子束电偏转规律的。通过实验，同学们可加深对电子在电场中运动规律的理解， 有助于认识示波器和显像管的工作原理。 【实验目的】 1、了解示波管的构造和工作原理，研究静电场对电子的加速作用。 2、 定量分析电子束在横向匀强电场作用下的偏转规律和示波管的电偏转灵敏度。 【实验原理】 1、示波管的基本结构 示波管又叫阴极射线管，它的构造如图 4-17-1 所示，主要包括三个部分：前端为荧 光屏，中间为偏转系统，后端为电子枪。它 们都密封在抽成高真空的玻璃壳之中，以免 电子在示波管中穿越时与气体分子发生碰 撞。下面分别作以介绍： (1)电子枪 电子枪的作用是发射电子，并把它们加速到一定速度聚成一细束。电子枪由灯丝 H、阴极 K、 控制栅极 G1、第一阳极 A1、第二阳极 A2 等同轴金属圆筒组成。灯丝 H 通电后加热阴极 K，使阴极 K 发射电子。控制栅极 G1 的电位比阴极低，对阴极发出的电子起排斥作用，只有初速度较大的电子才 能穿过栅极的小孔并射向荧光屏，而初速度较小的电子则被电场排斥回阴极。通过调节栅极 G1 可以 控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变荧光屏上的光斑亮度。阳极电位比阴极电位高很多，对电 子起加速作用，使电子获得足够的能量射向荧光屏，从而激发荧光屏上的荧光物质发光。第一阳极 A1 称为聚焦阳极，面板上的“聚焦”旋钮就是用来调节第一阳极电位的；第二阳极 A2 称为加速阳极， 增加加速电极的电压，电子可获得更大的轰击动能，荧光屏的亮度虽然可以提高，但加速电压一经 确定，就不宜随时改变它来调节亮度。 (2)偏转系统 图 4-17-1 示波管的构造

偏转系统由两对互相垂直的偏转板（平板电容器）构成，其中一对是上下放置的Y轴偏转板（或称垂直偏转板），另外，一对是左右放置的X轴偏转板（或称水平偏转板）。若在偏转板的极板间加上电压，则板间电场会使电子束偏转，使相应荧光屏上光点的位置发生偏移，偏移量的大小与所加电压成正比。其中，X轴偏转板使电子束在水平方向（X轴）上偏移，Y轴偏转板使电子束在垂直方向（Y轴）上偏移。(3)荧光屏荧光屏是用以显示电子束打在示波管端面的位置。屏上涂有荧光物质，在高速电子轰击下发出荧光。当电子射线停止作用后，荧光物质将持续一段时间后才停止发光，这段时间称为余辉时间。不同材料的荧光粉发出的颜色不同，余辉时间也不同。如果电子束长时间轰击荧光屏上固定一点，则这一点会被烧坏而形成暗斑，所以当电子束光斑需要长时间停留在屏上不动时，应将光点亮度减弱。示波管内部表面涂有石墨导电层，叫屏蔽电极，它与第二阳极连在一起，可避免荧光屏附近电荷积累。2、电子束的加速和电偏转(1）加速和电偏转在示波管中，电子从被加热的阴极K逸出后，由于受到阳极电场的加速作用，使电子获得沿示波管轴向的动能。令乙轴沿示波管的管轴方向从灯丝位置指向荧光屏，同时，从荧光屏上看，令X轴为水平方向向右，Y轴为垂直方向向上。假定电子从阴极逸出时初速度忽略不计，电子经过电势差为U的空间后，电场力做的功eU应等于电子获得的动能cU-m(4-17-1)显然，电子沿Z轴运动的速度Vz与第二阳极A,的电压U,的平方根成正比，即Peu,(4-17-2)Vz=m如果在电子运动的垂直方向加一横向电场，YA电子在该电场作用下将发生横向偏转，如图4-17-+++++++++42所示：若偏转板长l、偏转板末端至屏距离为L、偏0.02转电极间距离为d、轴向加速电压（即第二阳极T5ITSLA,电压）为Uz，横向偏转电压为Ua，则荧光屏图4-17-2电子束的电偏转上光点的横向偏移量D由下式给出172

172 偏转系统由两对互相垂直的偏转板（平板电容器）构成，其中一对是上下放置的 Y 轴偏转板(或 称垂直偏转板)，另外，一对是左右放置的 X 轴偏转板(或称水平偏转板)。若在偏转板的极板间加 上电压，则板间电场会使电子束偏转，使相应荧光屏上光点的位置发生偏移，偏移量的大小与所加 电压成正比。其中，X 轴偏转板使电子束在水平方向（X 轴）上偏移，Y 轴偏转板使电子束在垂直方 向（Y 轴）上偏移。 (3)荧光屏 荧光屏是用以显示电子束打在示波管端面的位置。屏上涂有荧光物质，在高速电子轰击下发出 荧光。当电子射线停止作用后，荧光物质将持续一段时间后才停止发光，这段时间称为余辉时间。 不同材料的荧光粉发出的颜色不同，余辉时间也不同。如果电子束长时间轰击荧光屏上固定一点， 则这一点会被烧坏而形成暗斑，所以当电子束光斑需要长时间停留在屏上不动时，应将光点亮度减 弱。示波管内部表面涂有石墨导电层，叫屏蔽电极，它与第二阳极连在一起，可避免荧光屏附近电 荷积累。 2、电子束的加速和电偏转 ⑴ 加速和电偏转 在示波管中，电子从被加热的阴极 K 逸出后，由于受到阳极电场的加速作用，使电子获得沿示 波管轴向的动能。令 Z 轴沿示波管的管轴方向从灯丝位置指向荧光屏，同时，从荧光屏上看，令 X 轴为水平方向向右，Y 轴为垂直方向向上。假定电子从阴极逸出时初速度忽略不计，电子经过电势 差为 U 的空间后，电场力做的功 eU 应等于电子获得的动能 1 2 2 eU mv = (4-17-1) 显然，电子沿 Z 轴运动的速度 Z v 与第二阳极 A2 的电压 U2 的平方根成正比，即 Z 2 2 = e v U m (4-17-2) 如果在电子运动的垂直方向加一横向电场， 电子在该电场作用下将发生横向偏转，如图 4-17- 2 所示： 若偏转板长 l 、偏转板末端至屏距离为 L 、偏 转电极间距离为 d 、轴向加速电压（即第二阳极 A2 电压）为 U2 ，横向偏转电压为 U d ，则荧光屏 上光点的横向偏移量 D 由下式给出 图 4-17-2 电子束的电偏转

D=(L+(4-173)U, 2d2U,2d式中L=L+当U，不变时，可以通过实验验证D～U。的线性关系，所以，根据屏上光点位移2.与偏转电压的线性关系，可以将示波管做成测量电压的工具。若改变加速电压U2，适当调节U,到最佳聚焦，可以测定D～U.直线随U,改变而使斜率改变的情况。(2）电偏转灵敏度电偏转灵敏度是反映电子束在电场中偏转特性的一个重要的物理量。式（4-64)表明，偏转板的电压越大，屏上光点的位移也越大，两者是线性关系。其比例常数在数值上等于施加单位偏转电压（1V）时，光点在荧光屏上位移的大小，它即为示波管的电偏转灵敏度S。对X轴、Y轴偏转板各有相应的电偏转灵敏度--5-%(4-17-4)电偏转灵敏度单位为mm/V，式中l、L及d均为与偏转板相关的几何量。可以看到，电偏转灵敏度S(S，S,）与加速电压U,成反比，U,越大，偏转灵敏度越低；在其他条件相同时，远离荧光屏的一对偏转板的灵敏度较大。同时注意到，增加偏转板的长度7与缩小两板距离d虽然可以增大示波管的灵敏度，但偏移量较大的电子容易被偏转板的末端阻挡，或电子束经过末端边缘的非均匀电场时，由于偏移量与偏转电压的线性关系遭到破坏，而引起电子束的散焦。因此，在实际的示波管中，偏转电极并非一对平行板，而是呈喇叭口形状，这是为了减小偏转板的边缘效应，增大偏转板的有效长度。【实验仪器】下面介绍两种电子束实验仪：EF-4型电子及场实验仪和GD-DES-II型电子束实验仪1、EF-4型电子和场实验仪EF-4型电子和场实验仪仪器面板如图4-17-3所示。灯丝H用6.3V交流电供电，其作用是对阴极K加热，使其发射电子。它由仪器面板上的“灯丝开关”控制。阴极K的主要作用是发射电子，它的电压（相对于地）在直流一950V～一1300V之间可调。控制栅极G，相对于阴极K的电势为负，控制栅压在0～一50V之间可调，其作用是控制电子束发射的多少，以保证有适当的亮度。当该栅压增高时，对阴极发射电子的抑制作用增强，反之则173

173 d d ' 2 2 ( ) 2 2 2 l l l U U D L L U d U d = +   =   (4-17-3) 式中 2 l L = L + 。当 U2 不变时，可以通过实验验证 D ～Ud 的线性关系，所以，根据屏上光点位移 与偏转电压的线性关系，可以将示波管做成测量电压的工具。若改变加速电压 U2 ，适当调节 U1 到 最佳聚焦，可以测定 D ～Ud 直线随 U2 改变而使斜率改变的情况。 ⑵ 电偏转灵敏度 电偏转灵敏度是反映电子束在电场中偏转特性的一个重要的物理量。式(4-64)表明，偏转板的 电压越大，屏上光点的位移也越大，两者是线性关系。其比例常数在数值上等于施加单位偏转电压 （1V）时，光点在荧光屏上位移的大小，它即为示波管的电偏转灵敏度 S 。对 X 轴、Y 轴偏转板各 有相应的电偏转灵敏度 2 2 x x x x D lL S U dU  = = ， 2 2 y y y y D lL S U dU  = = （4-17-4） 电偏转灵敏度单位为 mm/V ，式中 l L 、  及 d 均为与偏转板相关的几何量。 可以看到，电偏转灵敏度 ( , ) S Sx Sy 与加速电压 U2 成反比， U2 越大，偏转灵敏度越低；在其他 条件相同时，远离荧光屏的一对偏转板的灵敏度较大。 同时注意到，增加偏转板的长度 l 与缩小两板距离 d 虽然可以增大示波管的灵敏度，但偏移量 较大的电子容易被偏转板的末端阻挡，或电子束经过末端边缘的非均匀电场时，由于偏移量与偏转 电压的线性关系遭到破坏，而引起电子束的散焦。因此，在实际的示波管中，偏转电极并非一对平 行板，而是呈喇叭口形状，这是为了减小偏转板的边缘效应，增大偏转板的有效长度。 【实验仪器】 下面介绍两种电子束实验仪；EF-4 型电子及场实验仪和 GD-DES-Ⅲ型电子束实验仪 1、EF-4 型电子和场实验仪 EF-4 型电子和场实验仪仪器面板如图 4-17-3 所示。 灯丝 H 用 6.3V 交流电供电，其作用是对阴极 K 加热，使其发射电子。它由仪器面板上的“灯 丝开关”控制。 阴极 K 的主要作用是发射电子，它的电压(相对于地)在直流－950V～－1300V 之间可调。 控制栅极 G1 相对于阴极 K 的电势为负，控制栅压在 0～－50 V 之间可调，其作用是控制电子 束发射的多少，以保证有适当的亮度。当该栅压增高时，对阴极发射电子的抑制作用增强，反之则

减少。栅极电压由仪器面板上的“栅压U”旋钮调节。聚焦阳极A相对于阴极K有450～950V的正电压，实验时，用仪器专用接线在仪器面板上将接线柱“A”与接线柱“U，”接好。聚焦电压由仪器面板上的“聚焦电压”旋钮调节，它的高低控制荧光屏上图像的聚焦好坏。加速阳极A,的作用是加速电子。实验时，用仪器专用接线在仪器面板上将接线柱“A，”与接线柱“工”相连。调节阴极K相对于地的电压（阴极接负电压），也就是改变了加速阳极A相对于阴极K的电压，所以加速阳极A，相对阴极K有950～1300V的正电压。加速电压由仪器面板上的“加6ETEF-4S型电子和场实验仪COELEREAMEATELFHIEATEOCSOR0?ORSO6IACEOOCOC.4福O0OC话图4-17-3EF-4型电子和场实验仪速电压”旋钮调节。X、X,和Y、Y是两对相互垂直放置的平行电极板，X、X,称为水平偏转板，当在两极板之间加上电压时，极板间建立的电场就会使电子束在水平方向（X轴）上偏移。Y、Y，称为垂直偏转板，当在两极板之间加上电压时，极板间建立的电场就会使电子束在垂直方向（Y轴）上偏移。实验时，用两根仪器专用线在仪器面板上分别将接线柱“Y。土”和接线柱“X、Y,”、接线柱“V”和接线柱“X，”“Y”连接。水平偏转电压和垂直偏转电压由仪器板面上的偏转电压部分“直流电压”旋174

174 减少。栅极电压由仪器面板上的“栅压 UG ”旋钮调节。 聚焦阳极 A1 相对于阴极 K 有 450～950V 的正电压，实验时，用仪器专用接线在仪器面板上将 接线柱“ A1 ”与接线柱“ U1 ”接好。聚焦电压由仪器面板上的“聚焦电压”旋钮调节，它的高低控 制荧光屏上图像的聚焦好坏。 加速阳极 A2 的作用是加速电子。实验时，用仪器专用接线在仪器面板上将接线柱“ A2 ”与接 线柱“⊥”相连。调节阴极 K 相对于地的电压(阴极接负电压)，也就是改变了加速阳极 A2 相对于 阴极 K 的电压，所以加速阳极 A2 相对阴极Ｋ有 950～1300V 的正电压。加速电压由仪器面板上的“加 速电压”旋钮调节。 X X 1 2 、 和 Y Y 1 2 、 是两对相互垂直放置的平行电极板， X X 1 2 、 称为水平偏转板，当在两极板之 间加上电压时，极板间建立的电场就会使电子束在水平方向(X 轴)上偏移。 Y Y 1 2 、 称为垂直偏转板， 当在两极板之间加上电压时，极板间建立的电场就会使电子束在垂直方向(Y 轴)上偏移。实验时， 用两根仪器专用线在仪器面板上分别将接线柱“ Yd  ”和接线柱“ X Y 1 1 、 ”、接线柱“ Vd ”和接线 柱“ X2”“Y2 ”连接。水平偏转电压和垂直偏转电压由仪器板面上的偏转电压部分“直流电压”旋 图 4-17-3 EF-4 型电子和场实验仪

钮调节。在整个仪器面板上，除设有示波管各电极的接线外，还有供测量电压用的测量孔，如“V”“V,”、“K”、“UG”等测孔。用直流电压表分别测量测孔“V”、“V,”、“UG”与测孔“K”之间的电压，即为聚焦电压U、加速电压U，、栅极电压UG。2、GD-DES-I型电子束实验仪GD-DES-IⅢI型电子束实验仪仪器面板如图4-17-4所示。仪器面板上的高压指示屏用来显示栅压VG、聚焦电压VI、加速电压V2的数值。高压测量旋钮用来选择高压指示屏上显示的物理量。控制栅极G相对于阴极K的电势为负。栅压VG在0～-65V之间可调。其作用是控制电子束发射的多少，以保证有适当的亮度。当该栅压增高时，对阴极发射电子的抑制作用增强，反之则减少。栅极电压由仪器面板上的“栅压VG”旋钮调节。GD-DES-佰型C电子束实装仪图4-17-4GD-DES-IⅢI型电子束实验仪聚焦阳极A相对于阴极K有205～420V的正电压，聚焦电压由仪器面板上的“聚焦电压Vi”旋钮调节，它的高低控制荧光屏上图像的聚焦好坏。加速阳极A，的作用是加速电子。调节阴极K相对于地的电压（阴极接负电压），也就是改变了175

175 钮调节。 在整个仪器面板上，除设有示波管各电极的接线外，还有供测量电压用的测量孔，如“ V1 ”、 “V2 ”、“ K ”、“ UG ”等测孔。用直流电压表分别测量测孔“ V1 ”、“ V2 ”、“ UG ”与测孔“ K ” 之间的电压，即为聚焦电压 U1 、加速电压 U2 、栅极电压 UG 。 2、 GD-DES-Ⅲ型电子束实验仪 GD-DES-Ⅲ型电子束实验仪仪器面板如图 4-17-4 所示。 仪器面板上的高压指示屏用来显示栅压 VG、聚焦电压 V1、加速电压 V2 的数值。高压测量旋 钮用来选择高压指示屏上显示的物理量。 控制栅极 G 相对于阴极 K 的电势为负。栅压 VG 在 0～-65 V 之间可调。其作用是控制电子束 发射的多少，以保证有适当的亮度。当该栅压增高时，对阴极发射电子的抑制作用增强，反之则减 少。栅极电压由仪器面板上的“栅压 VG”旋钮调节。 聚焦阳极 A1 相对于阴极 K 有 205～420V 的正电压，聚焦电压由仪器面板上的“聚焦电压 V1” 旋钮调节，它的高低控制荧光屏上图像的聚焦好坏。 加速阳极 A2 的作用是加速电子。调节阴极 K 相对于地的电压(阴极接负电压)，也就是改变了 图 4-17-4 GD-DES-Ⅲ型电子束实验仪