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一、概 述

洛侖茲力演示器是學校教學專用儀器，能演示磁場對運

動電子產(chǎn)生的洛侖茲力，可在三維空間觀察電子運動的徑跡，

并能測定電子的荷質(zhì)比；儀器主要供給中等學校、大專院校

物理教學中作課堂演示與學生分組實驗。

洛侖茲力演示器按國家教委標準JY219-87 設計生產(chǎn)，該

儀器分二種型號：J2433-1 型，使用特別方便，適合中學、大

專院校課堂演示；J2433-2 型，面板上裝有2.5 級電表，適合

中學、大專院校演示實驗及學生分組實驗。

儀器的顯示部分為洛侖茲力管，玻殼直徑為160 毫米，

電子束徑跡呈綠色。儀器裝在木制暗箱內(nèi)，當教室適當遮光

后，一般后排學生都能看見電子束運動的徑跡。

二、技 術(shù) 指 示

1、加速極電壓0~250V 連續(xù)可調(diào)。

J2433-1 型有參考讀數(shù)。

J2433-2 型電表讀數(shù)，誤差≤±2.5%

2、勵磁電流

電流方向：順時、斷路、逆時三檔。

有信號燈指示電流方向。

電流幅值：0-2.5A 連續(xù)可調(diào)

J2433-1 型有參考讀數(shù)

J2433-2 型電表讀數(shù)，誤差≤±2.5%

3、偏轉(zhuǎn)板電壓電壓方向 上正、斷路、下正三檔電壓幅度 50~250 伏連續(xù)可調(diào)有參考刻度

4、洛侖茲力管轉(zhuǎn)動角度＞180°，有刻度指示。

5、電源 220 伏±10% 50Hz

6、功耗 45 瓦

7、連續(xù)工作時間 1 小時

8、使用環(huán)境條件溫度 0~ +40℃相對溫度 20-80%（30℃）

9、外形尺寸 350（寬）×450（高）×300（深）mm3

10、重量 11kg

三、控制器的作用

圖1、2 分別為J2433-1、J2433-2 型洛侖茲力演示器外形圖。按照圖上標的序號，將各部分作用說明如下：

1、洛侖茲力管 發(fā)射電子束并顯示電子束徑跡。

2、勵磁線圈 提供勻強磁場，使電子束產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)

3、游標 用來對準電子束圓的邊緣，以測出電子束圓直徑。

4、標尺 測量電子束圓直徑用。

5、指針 指示洛侖茲力管轉(zhuǎn)動的角度。

6、度數(shù)尺 測量洛侖茲力管轉(zhuǎn)動的角度。

7、逆時信號燈 勵磁線圈中電流逆時針流向指示。

8、順時信號燈 勵磁線圈中電流順時針流向指示。

9、暗箱 起遮光作用，以增強觀察效果。

10、偏轉(zhuǎn)板電壓幅值旋鈕 調(diào)節(jié)加到偏轉(zhuǎn)板上的電壓幅值，順時針轉(zhuǎn)到底電壓為250 伏，逆時針轉(zhuǎn)到底時電壓為

50 伏，有參考刻度。

11、偏轉(zhuǎn)板電壓方向開關(guān) 分“上正”、“斷路”、“下

正”三檔。置“上正”時，洛侖茲力管內(nèi)上偏轉(zhuǎn)板接進正電

壓，下偏轉(zhuǎn)板接地。置“下正”時，管內(nèi)下偏轉(zhuǎn)板接進正電

壓，上偏轉(zhuǎn)板接地。置“斷路”時，管內(nèi)上下偏轉(zhuǎn)板均無電

壓接入。觀察電子束在磁場洛侖茲力作用下的運動軌跡時，

應將其置“斷路”位置。

12、加速極電壓調(diào)節(jié)旋鈕 調(diào)節(jié)洛侖茲力管內(nèi)加速極

上電壓的大小。J2433-1 型有參考刻度，J2433-2 型，有電表

指示。在儀器開機、關(guān)機前及暫不觀察電子束徑跡時，都應

將此旋鈕逆時針轉(zhuǎn)到底。

13、勵磁電流方向開關(guān) 控制通向勵磁線圈電流的方

向，分“順時”、“斷路”、“逆時”三檔。置“順時”時，線

圈上順時指向信號燈發(fā)光，勵磁線圈中電流為順時針方向，

調(diào)制板、錐形加速極組成，還有一對偏轉(zhuǎn)板。當電子槍各電

極加入適當工作電壓后，便發(fā)射出一束電子束。具有一定能

量的電子與惰性氣體分子碰撞，使惰性氣體發(fā)光，就能在電

子所經(jīng)過的路徑上看到光跡。

勵磁線圈又稱亥姆霍茲線圈，這是一對直徑為280 毫米，

每只為140 匝的環(huán)形線圈，同軸平行放置，間距為140 毫米。

兩只線圈串聯(lián)連接。當線圈通上電流后，在兩只線圈間軸線

中點附近可得到勻強磁場，該處的磁感應強度可按下式計算：

B=9×10-7 RNI=9×10-4（特斯拉） （1）式中N——線圈匝數(shù)I——勵磁電流（安）

R——線圈半徑（米）兩種型號儀器電原理圖基本相同，如同3 所示。不同點

僅是J2433-2 型加速極電壓上并接有電壓表P1，勵磁電流電

路中串聯(lián)有電流表P2，供定量測試用?，F(xiàn)將電路原理說明如

下：T1 為電源變壓器，編號1、2 初級通過電源開關(guān)S3、保

險絲F1，接到交流220 伏市電。編號3、4 次級6.3 伏電壓專

供洛侖茲力管燈絲。編號5、6 次級240 伏電壓，經(jīng)V12-15 橋

式整流得到300 伏直流電壓，經(jīng)R7、R8、C5、R6π形濾波，

供給穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路由三端集成穩(wěn)壓塊N3 及保護管V16

等組成，使電壓穩(wěn)定為250 伏，供給洛侖茲力管加速極及偏

轉(zhuǎn)板。加速極電壓由電位器RP4 連續(xù)調(diào)節(jié)幅度，加到V20 管

 

腳。偏轉(zhuǎn)板電壓由RP3 電位器可在50 伏到250 伏范圍內(nèi)連續(xù)

調(diào)節(jié)，經(jīng)過S2 開關(guān)控制方向后，加到V20 管7、11 腳。

T1 變壓器編號9、10 次級20 伏電壓，經(jīng)V1-4 橋式整流，

C1 電容濾波，由穩(wěn)流管V5 穩(wěn)流后供給勵磁線圈L1,L2,R3 是穩(wěn)

流電路取樣電阻，其取樣信號送到運算放大器N2 反饋端，經(jīng)

放大后推動V11 三級管來控制穩(wěn)流管基極，使保持電流穩(wěn)定，

其大小由N2 輸入端的電位決定，調(diào)RP2 電位器，其穩(wěn)定電流

可在0~2.5A 變化。接線柱X3、X4 供串接外電流表使用。當

不用外接電流表時，應當用跨接銅片將其短路。勵磁電流通

過開關(guān)S1b,S1c 改變方向，接到勵磁圈?？梢皂槙r針方向接通

電流，也可以逆時針方向接通電流，并通過S1a 開關(guān)接通發(fā)

光二極管電壓，以指示勵磁電流的方向。V10 發(fā)光二極管作

為電源接通信號燈用，裝在儀器面板上，通過R2 供電。

T1 變壓器編號7、8 次級9V 交流，經(jīng)V6-9 橋式整流，

N1 三端穩(wěn)壓塊輸出9 伏直流電壓，專供穩(wěn)流管控制電路運放

N2 及三級管V11。儀器控制及電源組合機箱上，固定一對勵磁線圈L1、L2。

在勵磁線圈正中，裝上洛侖茲力管V20。洛侖茲力管各電極

加入適當電壓后，便發(fā)射出一束電子束，可看到電子束運動

的直線光跡。這時如接通勵磁線圈電源，電子束在線圈產(chǎn)生

的勻強磁場中受到洛侖茲力的作用，其矢量表達式為：F = -eV ′ B （2）

式中F 為電子受到的洛侖茲力，V 為電子束運動的速

度， B 為磁感應強度。洛侖茲力的方向由左手定則確定，大小為：F= ―e VBSina （3）

e 為電子電荷，α為電子運動方向與磁場方向之間的夾角。

轉(zhuǎn)動洛侖茲力管，當電子運動方向磁場方向一致α=0 或

相反α=180°時，電子不受洛侖茲力作用，電子束軌跡為直

線。當電子運動方向與磁場方向垂直時，這時電子受到一個

始終垂直于運動方向的洛侖茲力F= e VB 的作用。由于電子

運動速度V 是恒定的，勻強磁場中B 也是恒定的，于是力也

是恒定的，這個恒定的力對于運動著的電子起向心力的作用，

電子運動成為勻速圓周運動，其徑跡為圓，如圖4 所示。勵磁電流越大，

磁場強度越大，作用力越大，圓的直徑越小。當電子運動方向與磁場方向

為任意角度時，可將電子運動方向分解為平行于磁場和垂直于磁場兩個

分量。平行于磁場分量不

 

受力的作用，仍作直線運動，垂直于磁場分量受到洛侖茲力

的作用，作圓周運動，因此電子運動的合成徑跡呈螺旋線。

電子作勻速圓周運動時，向心力為

rmV 2，這力就是電子在勻強磁場中所受到的洛侖茲力，于是：eVBrmV =2（4）

式中r 為電子運動的半徑m 為電子質(zhì)量

由公式（4）可推導出電子的荷質(zhì)比為：rBVme = （5）

電子在加速極電場中得到的動能等于電場對它所作的功，即：mV 2 = eVa21（6）式中Va 為加速極電壓。

從（6）式中可以求出電子運動的速度為;meVV a 2 = （7）

將公式（1）、（7）代入（5）式，可得到電子荷質(zhì)比為2 22.47 106r IVme = ′ a 庫侖/公斤 （8）

于是可以根據(jù)加速極電壓Va ，勵磁線圈電流I 及電子徑跡圓半徑r，計算出電子的荷質(zhì)比。

洛侖茲力管中還裝有一對偏轉(zhuǎn)板。斷開勵磁線圈電源，

在偏轉(zhuǎn)板上加電壓，可以觀察電子在電場作用下的偏轉(zhuǎn)運動。

當上偏轉(zhuǎn)板加正電壓，電子受電場作用力，運動徑跡向上偏

轉(zhuǎn)，如圖5 所示，偏轉(zhuǎn)角Φ為：21mdVtgF = eVd（9）

式中Vd 為偏轉(zhuǎn)板上電壓1 為偏轉(zhuǎn)板長度d 為偏轉(zhuǎn)板間距離V 為電子運動速度

m 為電子質(zhì)量從公式中可見，偏轉(zhuǎn)角與偏轉(zhuǎn)板上所加電壓成正比，與

電子運動速度平方成反比。也就是說與加速極電壓成反比。

當下偏轉(zhuǎn)板加正電壓時，電子運動徑跡向下偏轉(zhuǎn)。

為增強觀察效果，整個儀器裝在木制暗箱內(nèi)。暗箱內(nèi)部

涂無光黑漆，外表涂木器清漆。暗箱也是儀器的外機箱，出

 

廠以后，整機就固定在暗箱內(nèi)。

五、使 用 方 法

1、準備工作

（1）打開儀器前箱蓋，如果是新到貨的儀器，請將勵磁

線圈中間的包裝紙箱取下，小心地將洛侖茲力管拿出，并插

入儀器勵磁線管間的管座上，注意要用手握住管座對準插座，

將管子插緊，切不能握住玻璃管泡用力，以免管座松動。管

子插好后將儀器管座上一只滾花螺釘轉(zhuǎn)松，檢查轉(zhuǎn)動是否靈

活。檢查時用手轉(zhuǎn)動管座，不能轉(zhuǎn)動玻璃泡。

（2）檢查儀器控制旋鈕位置，應按下述要求放置：

加速極電壓 逆時針轉(zhuǎn)到零

勵磁電流方向 斷路

勵磁電流幅值 逆時針轉(zhuǎn)到最小值

偏轉(zhuǎn)板電壓方向 斷路

偏圍板電壓幅值 逆時針轉(zhuǎn)到50V

（3）將儀器后蓋板上電源線松開，接到市電。檢查一下

勵磁電流接線柱處跨接銅片是否接好。打開電源開關(guān)，面板

上指示燈即亮洛侖茲力管中燈絲也發(fā)光，預熱五分鐘，即可以正常作用。

2、觀察電子束在勻強磁場中的運動徑跡。

（1）觀察電子束在磁場中的偏轉(zhuǎn)。洛侖茲力演示器經(jīng)預

熱后，順時針方向轉(zhuǎn)動加速極電壓旋鈕，就可以看到洛侖茲

力管發(fā)射出電子射線形成的直線徑跡。加速極電壓一般加到

100 伏到200 伏之間即可。轉(zhuǎn)到洛侖茲力管，使角度指示為

90°，此時電子束徑跡直線指向左邊，與勵磁線圈軸線垂直。

將勵磁電流方向開關(guān)扳到“逆時”位置，線圈上逆時針指向

信號燈發(fā)光，指示出勵磁線圈已加上逆時針方向電流，按右

手螺旋法則可知道線圈產(chǎn)生的磁場平行于線圈軸線，方向朝

向測試者。根據(jù)左手定則，可確定電子所受到的洛侖茲力方

向朝下，于是可看到電子束徑跡向下偏轉(zhuǎn)。順時針轉(zhuǎn)動勵磁

電流幅值旋鈕加大勵磁電流，可看到偏轉(zhuǎn)角度增大。將勵磁

電流幅值旋鈕轉(zhuǎn)到最小電流位置，勵磁方向開關(guān)扳向“順時”

位置，線圈上順時針指向信號燈發(fā)光，指示出勵磁線圈已加

上順時針方向電流，所產(chǎn)生的磁場方向變化180°，于是可看

到電子束徑跡向上偏轉(zhuǎn)。

（2）觀察電子束的勻強磁場中圓周運動。將勵磁電流幅

值旋鈕順時轉(zhuǎn)動，逐漸加大勵磁電流，可看到電子束徑跡形

成一個圓如圖4 所示。從公式（4）中可求出徑跡圓的直徑為：

eBD = 2r = 2 mV （10）

電子束作圓周運動的直徑正比于電子運動的速度V，反

比于磁場強度B?？梢杂脤嶒瀬碜C明。在加速電壓不變時，

當加大勵磁電流時，磁場B 加大，可看到電子束徑跡圓直徑

減小。在勵磁電流不變時，當加大加速極電壓，電子運動的

速度加大，可看到電子束徑跡圓直徑加大。

（3）觀察電子束在三維空間的運動徑跡。順時針轉(zhuǎn)洛侖

茲力管，使角度指示為180°電子束方向和磁場方向平行時，

電子不受磁場作用力，可看到電子束徑跡為一直線。當轉(zhuǎn)動

角度指示為130°~150°時，即電子束方向與磁場方向成交角

時，看到電子束徑跡呈螺旋線。這就驗證了公式（2）。

3、觀察電子束在電場作用下的偏轉(zhuǎn)運動。

將勵磁電流幅值旋鈕逆時針轉(zhuǎn)到最小值，勵磁電流方向

開頭扳到“斷路”位置，勵磁線圈上的信號燈熄滅，表示勵

磁線圈沒有通電流，不產(chǎn)生磁場。轉(zhuǎn)動洛侖茲力管，使角度

指示為90°，即電子束指向左邊垂直線圈軸線。將偏轉(zhuǎn)板電

壓方向開關(guān)扳到“上正”位置，洛侖茲力管內(nèi)上偏轉(zhuǎn)板加上

正電壓，下偏轉(zhuǎn)板接地，于是可看到電子束徑跡向上偏轉(zhuǎn)。

順時針轉(zhuǎn)動偏轉(zhuǎn)板幅值旋鈕，加大偏轉(zhuǎn)板上電壓，電子束上

偏角度加大。在偏轉(zhuǎn)板電壓不變情況下，加大加速極電壓，

可看到電子束上偏轉(zhuǎn)角度減小。以上觀察到的現(xiàn)象驗證了公

式（9）。如將偏轉(zhuǎn)板電壓方向旋鈕扳到“下正”位置，洛侖

茲力管內(nèi)下偏轉(zhuǎn)板上加上正電壓，上偏轉(zhuǎn)板接地，于是可看

到電子束徑跡向下偏轉(zhuǎn)。4、電子荷質(zhì)比me的測量

（1）測量電子荷質(zhì)比時，除J2433-2 型儀器本身帶指示

電表外，J2433-1 型儀器應外接電壓表與電流表，電流的精度

應在1 級以上。當要求提高測量精度時，J2433-2 型儀器也可

以外接電流表與電壓表。

（2）儀器采用外接電表指示時，可將250 伏或300 伏直

流電壓表接到儀器后蓋板上標有“加速級電壓”的接線柱上。

將標有“勵磁電流”的兩只接線柱上跨接銅片取下，接入2.5А

或3A 直流電流表。連接時注意正負極性應接對。

（3）儀器接好線路后，按準備工作的要求進行預熱。

（4）順時針偏轉(zhuǎn)加速極電壓旋鈕，使加速極電壓調(diào)到

150 伏。將勵磁電流方向開關(guān)扳到“順時”位置，順時針

轉(zhuǎn)動勵磁電流幅值旋鈕，并轉(zhuǎn)動洛侖茲力管使角度指示為

90°，此時電子束徑跡成為一個圓。

（5）加上標尺，并將標尺調(diào)到能方便讀測電子束徑跡圓

直徑的高度，用游標上V 形槽瞄準圓的兩個邊線，讀測出圓

的直徑，如圖6 所示。并讀出此時電表指示的勵磁電流值及

加速極電壓值，將以上數(shù)據(jù)代入公式（8），即可計算出電子

的荷質(zhì)比。

（6）為了提高測試的準確性，應當在不同加速極電壓及

不同勵磁電流值，測出多組數(shù)值進行計算，再取平均值。下

面給出本型號儀器測試的幾組數(shù)據(jù)供參考。

加速極電壓

（伏）勵磁電流（安）電子束半徑（米）荷質(zhì)比測試值（庫侖/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

以上測試數(shù)據(jù)的平均荷質(zhì)比值為1.88064×1011 庫侖/公

斤，電子的電荷量e=1.60210×10-19 庫侖，質(zhì)量m=9.1091×

10-31 公斤，計算出理論荷質(zhì)比值me=1.75879×1011 庫侖/公

斤，測試值與理論值之間相對誤差為6.9%。加速極電壓（伏）勵磁電流（安）

電子束半徑（米）荷質(zhì)比測試值（庫侖/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

以上測試數(shù)據(jù)的平均荷質(zhì)比值為1.83496×1011 庫侖/公

斤，與理論之間相對誤差為4.3%。

（5）欲使荷質(zhì)比質(zhì)量數(shù)據(jù)準確，關(guān)鍵是電子束徑跡圓直

徑應測準。圓的直徑應調(diào)到4 公分到9 公分之間較為合適。

（6）測試完畢后，將加速極電壓旋鈕反時針轉(zhuǎn)到零，勵

磁電流幅值旋鈕反時針轉(zhuǎn)到底，然后關(guān)掉電源開關(guān)，拆去外

接電表，將儀器恢復到原來狀態(tài)。

 

五、注 意 事 項

1、洛侖茲力管的壽命較短，為延長洛侖茲力管的使用壽

命，儀器使用前，先檢查加速極電壓旋鈕是否逆時針轉(zhuǎn)到零。

預熱5 分鐘后，再順時針轉(zhuǎn)動加速極電壓旋鈕，一般加上100

伏到200 伏之間加速電壓即可，儀器暫時不觀察時，應將加

速極電壓旋鈕轉(zhuǎn)到零，待需要觀察時再加上加速極電壓。儀

器使用結(jié)束時，先將加速極電壓旋鈕轉(zhuǎn)到零，再關(guān)電源開關(guān)。

儀器連接工作時間不要超過一小時。

2、實驗時需要轉(zhuǎn)換勵磁電流方向時，一定要先將勵磁電

流幅值旋鈕轉(zhuǎn)到最小電流值位置后再進行，防止大電流轉(zhuǎn)換

電弧過大燒損轉(zhuǎn)換開關(guān)。

3、轉(zhuǎn)到洛侖茲力管時，應推動管座上的滾花螺釘或轉(zhuǎn)動

管子膠木管座部分，決不要轉(zhuǎn)動管子玻璃泡，以免損壞管子。

當轉(zhuǎn)動角度指示超過180°或0°時，不要再繼續(xù)轉(zhuǎn)動，以防內(nèi)

部止轉(zhuǎn)裝置損壞。

4、觀察洛侖茲力現(xiàn)象時，一定要將偏轉(zhuǎn)板電壓幅值旋鈕

逆時針轉(zhuǎn)到最小，偏轉(zhuǎn)板電壓方向開關(guān)扳到“斷路”位置。

觀察電場作用力時，一定要將勵磁電流幅值旋鈕轉(zhuǎn)到最小值，

勵磁電流方向開關(guān)扳到“斷路”位置。

5、儀器使用時，如發(fā)生保險絲熔斷，應分析與檢查儀器

是否發(fā)生了故障，找出原因后再換保險絲。電源保險絲F2 （0..

75А），裝在儀器后蓋板保險絲盒內(nèi)。

6、儀器運輸、存放時，一定注意不能將儀器倒置。將洛

侖茲力管座上的滾花螺釘旋入上蓋罩上鉚裝螺母中，蓋好暗

箱蓋板。搬動時要防止碰撞。儀器應存放在陰涼、干燥、通

風的地方，存放滿三個月時，必須開機一次，開機時間為一

小時，開機時不加加速極電壓，勵磁線圈電流開關(guān)置“順時”，

電流幅值旋鈕調(diào)到1 安位置。