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Zentrale Experimente Physik GOSt

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Auf dieser Seite sollen zunächst qualitative Voruntersuchungen am Fadenstrahlrohr durchgeführt werden, bevor auf der nachfolgenden Seite dann konkrete quantitative Messungen der spezifischen Elektronenladung vorgenommen werden.

Auf dieser Seite haben Sie bereits den Versuchsaufbau und seine Beschaltung untersucht. Das nachfolgende IBE ermöglicht nun, qualitative und quantitative Untersuchungen durchzuführen.
Das Netzgerät für die Versorgung des Fadenstrahlrohrs sowie das Multimeter für die Spannungsmessung schalten Sie links im Bild ein, das Netzgerät für die Versorgung der Helmholtzspulen schalten Sie rechts im Bild ein. Für beide Geräte können Sie durch Anklicken der Bedienpanels die Regler vergrößert einblenden. Die Raumbeleuchtung wird mit dem Lampenschalter aus- bzw. eingeschaltet. Bei ausgeschalteter Raumbeleuchtung kann das Fadenstrahlrohrs durch Anklicken vergrößert angezeigt werden. Dann lässt sich auch ein frei bewegliches Lineal zum Ausmessen der Bahndurchmesser einblenden; zum Verschieben ist das Lineal in der Mitte "anzufassen", zum Drehen an seinen Enden.
Die Beschleunigungsspannung $U_A$ kann in den Grenzen zwischen 250 V und 450 V, die Stromstärke $I$ für das Helmholtzspulenpaar zwischen 0,00 A und 3,00 A eingestellt werden.

Variieren Sie Beschleunigungsspannung und Stärke des Magnetfelds und beobachten Sie die Veränderungen der sich ergebenden Bahnkurven.
Begründen Sie halbquantitativ, d. h. ohne Rückgriff auf die später genannte Formel, die Veränderungen der Kreisdurchmesser, wenn
a) die Stärke des Magnetfelds vergrößert wird (bei konstanter Beschleunigungsspannung) und
b) die Beschleunigungsspannung erhöht wird (bei konstanter Stärke des Magnetfeld).

Begründen Sie, warum die Geschwindigkeit der Elektronen auf ihren Kreisbahnen konstant bleibt, obwohl auf sie ständig eine beschleunigende Kraft, die Lorentzkraft, wirkt.
Leiten Sie daraus auch eine Aussage über die (kinetische) Energie der Elektronen auf ihren Bahnen ab.

Begründen Sie, ggf. auch unter Verwendung einer Skizze, warum sich überhaupt Kreisbahnen als Bahnkurven für die Elektronen ergeben.

Überprüfen Sie, unter welchen Randbedingungen die folgenden Aussagen zur Bewegung von Elektronen im Fadenstrahlrohr sachlich richtig sind:

"Wird die Beschleunigungsspannung $U_A$ vergrößert, so wird die Geschwindigkeit $v_0$, mit der die Elektronen die Elektronenkanone verlassen, größer."
"Wenn $v_0$ größer wird, dann wird auch die auf die Elektronen wirkende Lorentzkraft $F_L$ größer."
"Wenn die Lorentzkraft $F_L$ größer wird, wird der Kreisbahnradius $r$ kleiner.“

Werden diese drei Aussagen hintereinander gelesen, so legen sie (insgesamt) den folgenden Schluss nahe:

„Eine Vergrößerung der Beschleunigungsspannung $U_A$ hat eine Verkleinerung des Kreisbahnradius $r$ zur Folge.“

Diskutieren Sie, warum diese Schlussfolgerung falsch ist.

Zu den von den Elektronen hervorgerufenen Leuchterscheinungen können Sie sich an dieser Stelle genauer informieren.
Beschreiben Sie, wie es zu den Leuchterscheinungen entlang aller(!) Punkte auf den beobachtbaren Kreisbahnen im Fadenstrahlrohr kommt. Gehen Sie dabei auch auf die Bedeutung der richtigen Gasfüllung bzw. des richtigen Gasdrucks ein.

Netzgerät für die elektrische Versorgung des Fadenstrahlrohrs

Lampe für die Raumbeleuchtung

Fadenstrahlrohr

Netzgerät für die elektrische Versorgung des Helmholtzspulenpaars

S

e/m-Bestimmung - qualitative Vorüberlegungen

Tipps zu b)

Tipp 1

Tipp 2

Schauen Sie sich die zu zeigende Formel an. Die dort auftretenden Größen geben Ihnen einen Hinweis auf den Ansatz.

Nutzen Sie den Einfluss der Beschleunigungsspannung auf die Geschwindigkeit der Elektronen.

Nutzen Sie die allgemeine Formel für die Zentralkraft sowie die konkrete Formel für die Lorentzkraft, die hier diese Zentralkraft realisiert.