第一篇：光電效應(yīng)測普朗克常數(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

普朗克常量的測定

【摘要】

本文介紹了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中常用的光電效應(yīng)測普朗克常量實(shí)驗(yàn)的基本原理及實(shí)驗(yàn)操作過程，驗(yàn)證了愛因斯坦光電效應(yīng)方程并精確測量了普朗克常量，通過對實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)仔細(xì)分析比較，探討了誤差現(xiàn)象及其產(chǎn)生的原因，根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中得到的體會和思索，提出了一些改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器和條件的設(shè)想。

【關(guān)鍵字】

愛因斯坦光電方程；光電流；普朗克常量

【 引言】

在文藝復(fù)興和工業(yè)革命后，物理學(xué)得到了迅猛的發(fā)展，在實(shí)際應(yīng)用中也發(fā)揮了巨大的作用。此刻人們感覺物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成，剩下只是一些補(bǔ)充。直到19 世紀(jì)末，物理學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)了四大危機(jī)：光電效應(yīng)、固體比熱、黑體輻射、原子光譜，其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象用經(jīng)典物理學(xué)的理論難以解釋，尤其對光電效應(yīng)現(xiàn)象的解釋與理論大相徑庭。

光電效應(yīng)最初是赫茲在 1886 年 12 月進(jìn)行電磁波實(shí)驗(yàn)研究中偶然發(fā)現(xiàn)的，雖然是偶然發(fā)現(xiàn)，但他立即意識到它的重要性，因此在以后的幾個(gè)月中他暫時(shí)放下了手頭的研究，對這一現(xiàn)象進(jìn)行了專門的研究。雖然赫茲沒能給出光電效應(yīng)以合理的解釋，但赫茲的論文發(fā)表后，光電效應(yīng)成了 19 世紀(jì)末物理學(xué)中一個(gè)非常活躍的研究課題。勒納是赫茲的學(xué)生和助手，很早就對光電效應(yīng)產(chǎn)生了興趣。1920年他發(fā)表論文介紹了他的研究成果，勒納得出，發(fā)射的電子數(shù)正比于入射光所帶的能量，電子的速度和動(dòng)能與發(fā)射的電子數(shù)目完全無關(guān)，而只與波長有關(guān)，波長減少動(dòng)能增加，每種金屬對應(yīng)一特定頻率，當(dāng)入射光小于這一頻率時(shí)，不發(fā)生光電效應(yīng)。雖然勒納對光電效應(yīng)的規(guī)律認(rèn)識很清楚，但其解釋卻是錯(cuò)誤的。

1905 年，愛伊斯坦在普朗克能量子的啟發(fā)下，提出了光量子的概念，并成功解釋了光電效應(yīng)。接著，密立根對光電效應(yīng)進(jìn)行了 10 年左右的研究，與 1916年發(fā)表論文正是了愛因斯坦的正確性，并精確測出了普朗克常量。從而為量子物理學(xué)的誕生奠定了堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，愛因斯坦和密立根都因?yàn)楣怆娦?yīng)方面的杰出貢獻(xiàn)，分別于 1921 年和 1923 年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

對光電效應(yīng)的研究，使人們進(jìn)一步認(rèn)識到光的波粒二象性本質(zhì)，促進(jìn)了光電 子理論的簡歷和近代物理學(xué)的發(fā)展。利用光電效應(yīng)制成電器件如光電管、光電池、光電倍增管等，已成為生產(chǎn)和科研中不可或缺的傳感和換能器。光電探測器和光電測量儀的應(yīng)用也越來越廣泛。另外，利用光電效應(yīng)還可以制一些光控繼電器，用于自動(dòng)控制、自動(dòng)設(shè)計(jì)數(shù)、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)跟蹤等。

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

1、通過實(shí)驗(yàn)深刻理解愛因斯坦的光電效應(yīng)理論，了解光電效應(yīng)的基本規(guī)律； 2、掌握用光電管進(jìn)行光電效應(yīng)研究的方法； 3 3、學(xué)習(xí)對光電管伏安特性曲線的處理方法，并用以測定普朗克常數(shù) h。

【 儀器用具 】

普朗克常量測定儀一套，包括：工作臺、磁性底座、光電管、光源、濾色片或單色儀、微電流放大器等。

【實(shí)驗(yàn)原理】1、光電效應(yīng)與愛因斯坦方程

用合適頻率的光照射在某些金屬表面上時(shí)，會有電子從金屬表面逸出，這種現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)，從金屬表面逸出的電子叫光電子。為了解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象，愛因斯坦提出了“光量子”的概念，認(rèn)為對于頻率為的光波，每個(gè)光子的能量為

式中，為普朗克常數(shù)，它的公認(rèn)值是 =6.626。

按照愛因斯坦的理論，光電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是當(dāng)光子和電子相碰撞時(shí)，光子把全部能量傳遞給電子，電子所獲得的能量，一部分用來克服金屬表面對它的約束，其余的能量則成為該光電子逸出金屬表面后的動(dòng)能。愛因斯坦提出了著名的光電方程：

（1）

式中，? 為入射光的頻率，m 為電子的質(zhì)量，v 為光電子逸出金屬表面的初速度，為被光線照射的金屬材料的逸出功，221mv為從金屬逸出的光電子的最大初動(dòng)能。

由（1）式可見，入射到金屬表面的光頻率越高，逸出的電子動(dòng)能必然也越大，所以即使陰極不加電壓也會有光電子落入陽極而形成光電流，甚至陽極電位比陰極電位低時(shí)也會有光電子落到陽極，直至陽極電位低于某一數(shù)值時(shí)，所有光電子都不能到達(dá)陽極，光電流才為零。這個(gè)相對于陰極為負(fù)值的陽極電位0U被稱為光電效應(yīng)的截止電壓。

顯然，有

（2）

代入（1）式，即有

（3）

由上式可知，若光電子能量W h ? ?，則不能產(chǎn)生光電子。產(chǎn)生光電效應(yīng)的最低頻率是hW?0?，通常稱為光電效應(yīng)的截止頻率。不同材料有不同的逸出功，因而0?也不同。由于光的強(qiáng)弱決定于光量子的數(shù)量，所以光電流與入射光的強(qiáng)度成正比。又因?yàn)橐粋€(gè)電子只能吸收一個(gè)光子的能量，所以光電子獲得的能量與光強(qiáng)無關(guān)，只與光子 ? 的頻率成正比，將（3）式改寫為

（4）

上式表明，截止電壓0U是入射光頻率 ? 的線性函數(shù)，如圖 2，當(dāng)入射光的頻率0? ? ?時(shí)，截止電壓00? U，沒有光電子逸出。圖中的直線的斜率ehk ?是一個(gè)正的常數(shù)：

（5）

由此可見，只要用實(shí)驗(yàn)方法作出不同頻率下的? ?0U曲線，并求出此曲線的斜率，就可以通過式（5）求出普朗克常數(shù) h。其中

是電子的電量。

U 0-v

直線2、光電效應(yīng)的伏安特性曲線

下圖是利用光電管進(jìn)行光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的原理圖。頻率為、強(qiáng)度為的光線照射到光電管陰極上，即有光電子從陰極逸出。如在陰極 K 和陽極 A 之間加正向電壓AKU，它使 K、A 之間建立起的電場對從光電管陰極逸出的光電子起加速作用，隨著電壓AKU的增加，到達(dá)陽極的光電子將逐漸增多。當(dāng)正向電壓

增加到mU時(shí)，光電流達(dá)到最大，不再增加，此時(shí)即稱為飽和狀態(tài)，對應(yīng)的光電流即稱為飽和光電流。

光電效應(yīng)原理圖 由于光電子從陰極表面逸出時(shí)具有一定的初速度，所以當(dāng)兩極間電位差為零時(shí)，仍有光電流 I 存在，若在兩極間施加一反向電壓，光電流隨之減少；當(dāng)反向電壓達(dá)到截止電壓時(shí)，光電流為零。

愛因斯坦方程是在同種金屬做陰極和陽極，且陽極很小的理想狀態(tài)下導(dǎo)出的。實(shí)際上做陰極的金屬逸出功比作陽極的金屬逸出功小，所以實(shí)驗(yàn)中存在著如下問題：

（1）暗電流和本底電流存在，可利用此，測出截止電壓（補(bǔ)償法）。

（2）陽極電流。制作光電管陰極時(shí)，陽極上也會被濺射有陰極材料，所以光入射到陽極上或由陰極反射到陽極上，陽極上也有光電子發(fā)射，就形成陽極電流。由于它們的存在，使得 I～U 曲線較理論曲線下移，如下圖所示。

伏安特性曲線

【實(shí)驗(yàn)步驟】1、調(diào)整儀器

(1)連接儀器；接好電源，打開電源開關(guān)，充分預(yù)熱（不少于 20 分鐘）。

(2)在測量電路連接完畢后，沒有給測量信號時(shí)，旋轉(zhuǎn)“調(diào)零”旋鈕調(diào)零。每換一次量程，必須重新調(diào)零。

(3)取下暗盒光窗口遮光罩，換上 365.0nm 濾光片，取下汞燈出光窗口的遮光罩，裝好遮光筒，調(diào)節(jié)好暗盒與汞燈距離。2、測定光電管的暗電流

適當(dāng)選取電壓和電流的的量程，在無光照的條件下，測出不同電壓下的相應(yīng)暗電流值。3、測量光電管的伏安特性曲線

(1)取下暗盒蓋，讓光電管對準(zhǔn)單色儀出射狹縫，按螺旋測微頭顯示的波長（210 ? nm）在可見光范圍內(nèi)選擇一種波長輸出，根據(jù)微安表指示，找到峰值，并設(shè)置適當(dāng)?shù)谋堵拾存I。

(2)選取適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏鞯牡牧砍?，?1.50V 起測出不同電壓下的光電流，相繼選擇波長為 365nm，385nm，400，500nm，600nm，650nm 的單色光重復(fù)測量。

(3)選擇合適的坐標(biāo)，分別作出兩種光闌下的光電管伏安特性曲線 U～I(xiàn)。

【實(shí)驗(yàn)記錄與處理】

365nm

U/V

--2.50

--2.00

--1.60

--1.40

--1.38

--1.36

--1.34

--1.32

--1.30

I/410 ? ? μA

--22.0

--20.2

--18.6

--14.4

--13.8

--13.0

--11.9

--10.2

--8.9

U/V

--1.28

--1.26

--1.24

--1.20

--0.90

--0.60

--0.30

0 0

0.30

I/410 ? ? μA

--7.9

--6.0

--4.2

--0.3

55.4

122

202

280

342

2.5 2.0 1.5 1.0 0.550100***0

385nm

U/V

--3.00

--2.80

--2.60

--2.40

--2.30

--2.20

--2.10

--2.00

--1.90

I/410 ? ? μA

--39.0

--38.4

--38.0

--37.8

--37.2

--36.8

--36.4

--35.9

--35.4

U/V

--1.80

--1.70

--1.60

--1.50

--1.40

--1.10

--0.80

--0.50

--0.2

I/410 ? ? μA

--34.6

--34.2

--33.8

--32.2

--30.4

--5.8

219

360

3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.***

400nm

U/V

--3.00

--2.80

--2.60

--2.40

--2.30

--2.00

--1 1.80

--1.58

--1.38

I/410 ? ? μA

--54.2

--54.0

--53.8

--52.2

--52.0

--50.0

--48.2

--46.2

--44.2

U/V

--1.26

--1.16

--1.08

--1.00

--0.8

--0.52

--0.32

0.15

I/410 ? ? μA

--40.4

--34.0

--22.8

--4.8

84.4

258

418

698

3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.***0600700

500nm

U/V

--2.56

--2.17

--1.73

--1.51

--1.21

--0.93

--0.75

--0.66

--0.58

I/410 ? ? μA

--78.0

--76.2

--73.0

--70.2

--66.8

--60.8

--53.0

--39.9

--10.2

U/V

--0.32

--0.13

0 0

0.12

0.21

0.69

I/410 ? ? μA

222

468

2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.***00

600nm

U/V

--3.91

--2.51

--1.71

--0.86

--0.69

--0.51

--0.39

--0.34

--0.15

I/410 ? ? μA

--12.0

--11.6

--10.2

--8.5

--8.2

--6.6

--4.0

--1.4

34.0

U/V

--0.03

0.22

0.57

I/410 ? ? μA

80.0

140

1623 2 150100150

650nm

U/V

--2.63

--2.51

--2.24

--1.93

--1.79

--1.61

--1.51

--1.41

--1.29

I/510 ? ? μA

--45.0

--44.2

--43.9

--40.8

--39.0

--31.2

--26.2

--18.2

--5.9

U/V

--0.93

--0.62

0.19

0.91

1.75

2.28

I/510 ? ? μA

43.

7421 1 2204060

選取“抬頭點(diǎn)”，用直線模擬的如下圖 ：

4.0 10 11 4.5 10 11 5.0 10 11 5.5 10 11 6.0 10 11 6.5 10 11 7.0 10 110.20.40.60.81.01.2 經(jīng)過擬合計(jì)算得到直線：

Y Y= = 2.729***3 ?? 3.***× 1015 ?x x

即斜率? ??U= =eh= = 3.***× 1015 ?

所以，h h ’= = 6.***× 1034 ?

經(jīng)查閱，h=6.626076 × 1034 ?

% 410.4hh??? ?

【實(shí)驗(yàn)分析討論】

本實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用不同的方法都測出了普朗克常數(shù)，但都有一定的實(shí)驗(yàn)誤差，據(jù)分析誤差產(chǎn)生原因是：

1、暗電流的影響，暗電流是光電管沒有受到光照射時(shí)，也會產(chǎn)生電流，它是由于熱電子發(fā)射、和光電管管殼漏電等原因造成； 2、本底電流的影響，本底電流是由于室內(nèi)的各種漫反射光線射入光電管所致，它們均使光電流不可能降為零 且隨電壓的變化而變化。

3、光電管制作時(shí)產(chǎn)生的影響：（1）、由于制作光電管時(shí)，陽極上也往往濺射有陰極材料，所以當(dāng)入射光射到陽極上或由陰極漫反射到陽極上時(shí)，陽極也有光電子發(fā)射，當(dāng)陽極加負(fù)電位、陰極加正電位時(shí)，對陰極發(fā)射的光電子起了減速的作用，而對陽極的電子卻起了加速的作用，所以 I－U 關(guān)系曲線就和 IKA、UKA

曲線圖所示。為了精確地確定截止電壓 US，就必須去掉暗電流和反向電流的影響。以使由 I＝0 時(shí)位置來確定截止電壓 US 的大小；制作上的其他誤差。

4、實(shí)驗(yàn)者自身的影響：（1）從不同頻率的伏安特性曲線讀到的“抬頭電壓”（截止電壓），不同人讀得的不一樣，經(jīng)過處理后的到 U s____ v 曲線也不一樣，測出的數(shù)值就不一樣；（2）調(diào)零時(shí)，可能會出現(xiàn)誤差，及在測量時(shí)恐怕也會使原來調(diào)零的系統(tǒng)不再準(zhǔn)確。

5、參考值本身就具有一定的精確度，本身就有一定的誤差。

6、理論本身就有一定的誤差，例如，1963 年 Ready 等人用激光作光電發(fā)射實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了與愛因斯坦方程偏離的奇異光電發(fā)射。1968 年 Teich 和 Wolga用 GaAs 激光器發(fā)射的 h?=1.48eV 的光子照射逸出功為 A=2.3eV 的鈉金屬時(shí)，發(fā)現(xiàn)光電流與光強(qiáng)的平方成正比。按愛因斯坦方程，光子的頻率處于鈉的閥頻率以下，不會有光電子發(fā)射，然而新現(xiàn)象卻發(fā)生了，不但有光電子發(fā)射，而且光電流不是與光強(qiáng)成正比，而是與光強(qiáng)的平方成正比。于是，人們設(shè)想光子間進(jìn)行了“合作”，兩個(gè)光子同時(shí)被電子吸收得以躍過表面能壘，稱為雙光子光電發(fā)射。后來，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，可以三個(gè)、多個(gè)、甚至 40 個(gè)光子同時(shí)被電子吸收而發(fā)射光電子，稱為多光子光電發(fā)射。人們推斷，n 光子的光電發(fā)射過程的光電流似乎應(yīng)與光強(qiáng)的 n 次方成正比。

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第二篇：用光電效應(yīng)測定普朗克常數(shù)-講稿

用光電效應(yīng)測定普朗克常數(shù)

1887年，德國物理學(xué)家赫茲發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)現(xiàn)象。但是在當(dāng)時(shí)，利用麥克斯韋經(jīng)典電磁理論無法圓滿地解釋光電效應(yīng)的一系列性質(zhì)。直到1905年，愛因斯坦應(yīng)用并發(fā)展了普朗克的量子理論，提出了“光量子”的概念，從而成功地解釋了光電效應(yīng)的規(guī)律，得出了光電效應(yīng)方程。后來，密立根對愛因斯坦的光量子理論進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)測量，于1915年準(zhǔn)確地測定了普朗克常數(shù)h，有力地論證了愛因斯坦光量子理論的正確性。這二位物理學(xué)家都因光電效應(yīng)等方面的杰出貢獻(xiàn)先后獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)和光量子理論在物理學(xué)發(fā)展史上具有非常重要的意義。利用光電效應(yīng)制成的各種光電器件在工業(yè)生產(chǎn)、科研、軍用器材裝備中有非常廣泛的應(yīng)用。如今我們重復(fù)前輩物理學(xué)家的實(shí)驗(yàn)，不僅可以從中學(xué)到物理理論與物理方法、物理思想，而且可以學(xué)習(xí)他們堅(jiān)忍不拔的毅力、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，進(jìn)一步提高大家的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰退刭|(zhì)。

本次實(shí)驗(yàn)課的目的是：

1、加深對光的量子性的理解；

2、驗(yàn)證愛因斯坦光電效應(yīng)方程，測量普朗克常數(shù)。

[實(shí)驗(yàn)原理] 1．基本知識：

光電效應(yīng)：一定頻率的光照射在某些金屬表面上時(shí)，有電子從金屬表面逸出，這種現(xiàn)象叫光電效應(yīng)。所逸出的電子叫光電子，由光電子形成的電流叫光電流。

為了解釋光電效應(yīng)，愛因斯坦提出了“光量子”假說：在真空中傳播的一束光就是一束以速度c運(yùn)動(dòng)的粒子流，這種粒子稱為光量子，簡稱光子。他認(rèn)為頻率為ν的光的每一個(gè)光子所具有的能量為??h?，它不能再分割，而只能整個(gè)地被吸收或產(chǎn)生出來，h叫做普朗克常數(shù)。

愛因斯坦根據(jù)光量子假說理論，成功解釋了光電效應(yīng)現(xiàn)象。他認(rèn)為，當(dāng)光子入射到金屬表面時(shí)，一個(gè)光子的能量hν一次地被金屬中的一個(gè)電子全部吸收。這些能量，一部分用來克服金屬表面對它的束縛而做功，即金屬的逸出功A，其余的能量則成為該電子逸出金屬表面后的動(dòng)能，也就是光電子的初動(dòng)能。這就是著名的愛因斯坦光電方程，即h??逸出功A是一個(gè)常數(shù)。

12mv0?A。對于確定的金屬，2是不是任何頻率的光照射在金屬上就一定會產(chǎn)生光電效應(yīng)現(xiàn)象呢？如果光子能量hυ＜金屬的逸出功，光子的能量就不足以使電子從金屬中逸出，就不會產(chǎn)生光電效應(yīng)現(xiàn)象，因此當(dāng)光子能量等于金屬的逸出功時(shí)，就是產(chǎn)生光電效應(yīng)的臨界條件，這時(shí)的頻率υ0就是產(chǎn)生光電效應(yīng)的最低頻率，通常稱作光電效應(yīng)的截止頻率，即?0?數(shù)。

以上是有關(guān)光電效應(yīng)的一些基本知識，下面我們分析實(shí)驗(yàn)原理。2．原理分析：

這就是實(shí)驗(yàn)原理圖，它的核心是一個(gè)光電管，一束頻率為?的入射光照射到光電管的陰極K，會發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象，就有電子從陰極K上逸出，這個(gè)回路就會產(chǎn)生光電流。當(dāng)給光電管的陰極K和陽極A之間加一個(gè)反向電壓UKA時(shí)，它對逸出的光電子起減速作用。調(diào)節(jié)滑線變阻器，逐漸增大光電管兩端的反向電壓，當(dāng)反向電壓UKA增至某一個(gè)值U0的時(shí)候，回路中的I光?0，這說明反向電壓U0剛好使陰極產(chǎn)生的光電子不能到達(dá)陽極，陰極光電子的初動(dòng)能全部消耗于到達(dá)陽極的路上，全部用來克服反向電場而做了功，把這時(shí)候的反向電壓U0叫做截止電壓，即eU0?12mv0。當(dāng)反向電壓大于等于截止電壓212mv0?A以及截止頻率2A，顯然某種金屬材料的截止頻率υ0也是一個(gè)常h時(shí)，光電流就等于零。把這個(gè)關(guān)系式和光電方程h??公式h?0?A聯(lián)立，就得到截止電壓的表達(dá)式U0?h(???0)。e我們對這個(gè)式子作幾點(diǎn)分析。首先從這個(gè)關(guān)系式里可以看出，對于某一光電管，h、e、υ0都是常數(shù)，因此截止電壓和入射光頻率是線性關(guān)系，斜率為h/e。做出U0~?的關(guān)系曲線，利用直線斜率求出普朗克常數(shù)。要做出U0~?的關(guān)系曲線，需要測出不同頻率光波入射時(shí)的截止電壓。因此，實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，首先要測出不同頻率的光入射時(shí)所對應(yīng)的截止電壓，做出U0~?的關(guān)系曲線，如果是直線，就驗(yàn)證了愛因斯坦的光電方程，并且根據(jù)直線的斜率就可以求出普朗克常數(shù)。所以，本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于正確地測出不同頻率光波入射時(shí)對應(yīng)的截止電壓。下面我們來分析截止電壓的測量。這是光電管的伏安特性曲線，橫軸是光電管兩端的電壓，縱軸是光電管陰極所產(chǎn)生的光電流，虛線部分是給光電管加正向電壓時(shí)的曲線，隨著正向電壓的增大，光電流逐漸增大，當(dāng)正向電壓增大到某個(gè)值時(shí)，電流就達(dá)到了飽和，這個(gè)就是飽和電流，這是正向電壓的部分曲線。隨著反向電壓的增大，光電流逐漸減小，那么當(dāng)光電流剛好降為零時(shí)所對應(yīng)的電壓值就是我們要求的截止電壓，而且當(dāng)反向電壓大于等于截止電壓時(shí)，光電流始終是零，這部分應(yīng)該是水平的。因此，要求某一頻率的光入射時(shí)的截止電壓，就要通過實(shí)驗(yàn)測出不同電壓下的光電流的值，得到一系列對應(yīng)的UKA和IKA，做出伏安特性曲線。對于這個(gè)實(shí)驗(yàn)，我們只要做出反向特性曲線就足夠了，利用這段曲線就可以求出截止電壓U0。

這是在理論上分析的利用反向伏安特性曲線測量截止電壓的方法。實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)用光照射光電管的陰極時(shí)，陽極也會產(chǎn)生一些光電子，還有陽極光電流的存在。另外，光電管在沒有光照的情況下還會產(chǎn)生暗電流，它們對測量得到的光電流的值都有影響。由于暗電流和陽極光電流的方向與陰極光電流的方向相反，這會使光電管的反向伏安特性曲線向下平移，實(shí)驗(yàn)中當(dāng)反向電壓等于截止電壓時(shí)，光電流并不為零，而是一個(gè)負(fù)值電流。因此，實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，光電流為零時(shí)的反向電壓不是截止電壓了。那截止電壓在什么位置哪？截止電壓仍然是曲線從接近水平的地方抬頭的拐點(diǎn)處，也就是光電流從不變化到突變時(shí)的電壓才是我們要測的截止電壓U0。下邊我們來看實(shí)驗(yàn)儀器。

[實(shí)驗(yàn)儀器] GD-III型光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀主要由高壓汞燈、光電管暗盒、微電流測量儀三部分組成。高壓汞燈的譜線范圍大約是300nm到870nm，為實(shí)驗(yàn)提供需要的光波。為了避免雜散光和外界電磁場對微弱光電流的干擾，把光電管安裝在光電管暗盒里，在暗盒的窗口上安裝有濾色鏡和通光孔兩個(gè)轉(zhuǎn)盤，濾色鏡用來從光源濾選出不同頻率的光波；通光孔轉(zhuǎn)盤可以選擇不同的孔徑，改變孔徑就可以改變光強(qiáng)大小。微電流測量儀可以精確的測量微小電流，在本實(shí)驗(yàn)中它有兩個(gè)的作用，一個(gè)是為光電管提供電壓，一個(gè)是用來測量光電管產(chǎn)生的微弱光電流的大小。我們來詳細(xì)看看微電流測量儀的結(jié)構(gòu)。

先看它的背面板，背面有電源開關(guān)，電壓輸出接口給光電管提供電源，電流輸入接口測量光電流的大小。正面板上有兩個(gè)顯示屏，一個(gè)顯示待測光電流的值，它的左邊是電流倍率調(diào)節(jié)旋鈕，一個(gè)顯示光電管兩端的電壓，利用電壓調(diào)節(jié)旋鈕可以連續(xù)調(diào)節(jié)電壓的大小。中間是調(diào)零校準(zhǔn)和測量轉(zhuǎn)換開關(guān)，調(diào)零校準(zhǔn)時(shí)，扳到調(diào)零校準(zhǔn)檔，把它扳到測量檔，就可以測量。

[實(shí)驗(yàn)步驟] 1．開機(jī)預(yù)熱。將光源、光電管暗盒、微電流放大器安放在適當(dāng)位置，將微電流測量放大器面板上“電流倍率調(diào)節(jié)”旋鈕置《短路》檔，“電壓調(diào)節(jié)”旋鈕逆時(shí)針調(diào)到底。

然后打開微電流測量儀電源開關(guān)和高壓汞燈預(yù)熱，預(yù)熱大約20min-40min。

2．調(diào)零校準(zhǔn)。首先要將“調(diào)零校準(zhǔn)、測量”轉(zhuǎn)換開關(guān)置《調(diào)零校準(zhǔn)》檔，把“電流倍率調(diào)節(jié)”旋鈕置《短路》檔，調(diào)節(jié)“調(diào)零”旋鈕，使電流表指示為零，再將“電流倍率調(diào)節(jié)”旋鈕放在《校準(zhǔn)》檔，調(diào)“校準(zhǔn)”旋鈕使電流指示“-100”。因?yàn)檎{(diào)零和校準(zhǔn)電路的互相影響，“調(diào)零”和“校準(zhǔn)”應(yīng)反復(fù)調(diào)整。儀器調(diào)整好，可以開始測量。

3．測量

（1）連線。將好光電管暗盒與微電流測量儀上的電壓和電流輸入輸出插孔對應(yīng)地連接起來。

（2）預(yù)置。使光源和暗盒間距在20~40 cm之間，使高壓汞燈的光出射孔對準(zhǔn)暗盒窗口。注意在放置實(shí)驗(yàn)儀器時(shí)，光電管暗盒入射窗口請勿面對其他強(qiáng)光源(如窗戶等)以減少雜散光干擾。然后將微電流測量儀上的“調(diào)零校準(zhǔn)-測量”換向開關(guān)放置在測量檔，“電流倍率調(diào)節(jié)”旋鈕置10-6檔。調(diào)節(jié)光源和暗盒之間的距離以及通光孔的大小，使光電流顯示屏在-40~-20數(shù)值之間。

（3）測量。改變光電管兩端的反向電壓，記錄光電流的值。

第一步粗測。就是要觀察一遍各頻率光波入射時(shí)光電流明顯變化的電壓范圍，記下來，然后再在這段電壓范圍內(nèi)進(jìn)行細(xì)測。注意不同頻率光波入射時(shí)，光電流明顯變化的電壓范圍是不同的，所以每個(gè)都要記下來。

第二步細(xì)測。先測短波365nm，為了準(zhǔn)確地在曲線上找到截止電壓，一定要在電流突變處應(yīng)多測幾個(gè)值，如每增加0.02V或0.01V測一次IKA，列表記錄。應(yīng)該測多少組值不是固定的，這要根據(jù)實(shí)際情況來定。并且用同樣的方法依次測出405nm、436nm、546nm、577nm入射光的一系列的電流、電壓值。

[數(shù)據(jù)處理] 1．繪圖。根據(jù)每一頻率光波入射時(shí)實(shí)驗(yàn)所測得的一系列電壓電流的值，做出光電管的伏安特性曲線，找出截止電壓U0。

2．列表。實(shí)驗(yàn)中給出的是光波的波長，把它轉(zhuǎn)換成頻率，列出截止電壓U0和對應(yīng)的頻率的數(shù)據(jù)表格。

3．計(jì)算。根據(jù)這個(gè)表格的數(shù)據(jù)就可以做出U0~?的關(guān)系曲線，如果是一條直線，就驗(yàn)證愛因斯坦的光電效應(yīng)方程。然后利用一元線性回歸法，根據(jù)所測的U0~?數(shù)據(jù)就可以求出斜率k?h，從而求出普朗克常數(shù)來。另外，和

e理論值比較求出誤差。

用光電效應(yīng)測定普朗克常數(shù)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩?shí)驗(yàn)原理]

1.基本概念（1）光電效應(yīng)（2）“光量子”假說：

??h?

（3）光電效應(yīng)方程： h??12m?20?A（4）截止頻率：

?0?Ah

2.原理分析：

遏止電壓：eU0?12m?20

Uh0?e(???0)

三、實(shí)驗(yàn)儀器

GD-III型光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀

四、實(shí)驗(yàn)步驟

1.開機(jī)預(yù)熱 2.調(diào)零校準(zhǔn) 3.測量：（1）預(yù)置；

（2）測量：①粗測；②精測

五、數(shù)據(jù)處理

1．繪制光電管的伏安特性曲線，求遏止電壓；2．作U0~?的關(guān)系曲線，驗(yàn)證愛因斯坦光電

效應(yīng)方程；

3．利用一元線性回歸法求k； 4．計(jì)算普朗克常數(shù)h；

5．與理論值比較，計(jì)算相對誤差。

第三篇：普朗克常數(shù)本質(zhì)和空間相對論

普朗克常數(shù)本質(zhì)和空間相對論

胡良

深圳市宏源清防偽材料有限公司

摘要: 對某變量求導(dǎo)(無窮多次),如果,最終結(jié)果為零,該變量體現(xiàn)了維度空間的絕對靜止屬性,或者說,具有絕對的對稱性.如果,對某變量求導(dǎo)(有限多次),結(jié)果不為零(但對該變量求導(dǎo)無窮多次,最終結(jié)果為零),該變量此時(shí)體現(xiàn)了維度空間的相對靜止屬性,或者說此時(shí)具有相對的對稱性.對某變量求導(dǎo),如果不能求導(dǎo), 該變量體現(xiàn)了維度空間的絕對運(yùn)動(dòng)屬性,或者說,具有絕對的對稱性破缺.對某變量求導(dǎo)(無窮多次),如果,最終結(jié)果不是零,該變量體現(xiàn)了維度空間的相對運(yùn)動(dòng)屬性.時(shí)間(速度)體現(xiàn)了空間的運(yùn)動(dòng)屬性.宇宙常數(shù)的本質(zhì)體現(xiàn)了空間的靜止屬性和運(yùn)動(dòng)屬性的對立統(tǒng)一.關(guān)鍵詞:空間,空間相對論,相對論,物質(zhì),時(shí)間,量綱,速度 作者簡介:總工程師,高級工程師,深圳專家

1.前言

普朗克常數(shù)是一個(gè)物理常數(shù)，用以描述量子大小.普朗克在研究物體熱輻射的規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，只有假定電磁波的發(fā)射和吸收不是連續(xù)的，而是一份一份地進(jìn)行的，計(jì)算的結(jié)果才能和試驗(yàn)結(jié)果是相符.這樣的一份能量叫做能量子，每一份能量子等于hv，v為輻射電磁波的頻率，h為一常量，叫為普朗克常數(shù).為了推導(dǎo)出這一定律，必須假設(shè)在光波的發(fā)射和吸收過程中，物體的能量變化是不連續(xù)的，或者說，物體通過分立的跳躍非連續(xù)地改變它們的能量，能量值只能取某個(gè)最小能量元的整數(shù)倍.普朗克常數(shù)的量綱為能量乘上時(shí)間，也可視為動(dòng)量乘上位移.普朗克常數(shù)用以描述量子化，微觀下的粒子，例如電子及光子，在一確定的物理性質(zhì)下具有一連續(xù)范圍內(nèi)的可能數(shù)值.普朗克常數(shù)也使用于海森堡不確定原理.普朗克常數(shù)是量子理論的基石.海森堡的矩陣力學(xué)與薛定諤的波動(dòng)力學(xué)是等價(jià)的.但都是將普朗克常數(shù)引入才建立的量子力學(xué)理論.玻爾提出了原子內(nèi)電子的能級條件與電子運(yùn)動(dòng)的軌道角動(dòng)量量子化條件.微觀粒子的狀態(tài)須受到量子化條件的制約.描述原子,電子等微觀粒子的行為須用到量子化條件.普朗克空間、普朗克時(shí)間意味著空間、時(shí)間并非無限可分，依然存在著最小單元.帶電粒子做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，只要向心力是與到圓心的距離的三次方成反比，就會產(chǎn)生一個(gè)常數(shù)，這個(gè)常數(shù)乘以圓周運(yùn)動(dòng)頻率等于帶電粒子動(dòng)能;如果電子受到這種向心力，這個(gè)常數(shù)就是普朗克常數(shù).物理學(xué)中有許多基本常數(shù).光在自由空間的速度,電子電量,萬有引力恒量、普朗克常數(shù)h.真正的自然常數(shù)(宇宙常數(shù))應(yīng)當(dāng)是與參照系無關(guān)系的, 自然常數(shù)(宇宙常數(shù))構(gòu)成了宇宙的基石.2四種力的本質(zhì)

2.1強(qiáng)作用力

宇宙中有四種基本作用力,相互作用分別是強(qiáng)相互作用, 弱相互作用, 電磁力及萬有引力.質(zhì)子中子間的核力屬于強(qiáng)相互作用(是質(zhì)子中子結(jié)合成原子核的作用力).是所知四種宇宙間基本作用力最強(qiáng)的.強(qiáng)相互作用克服了電磁力產(chǎn)生的強(qiáng)大排斥力，把強(qiáng)子緊緊粘合為原子核.強(qiáng)相互作用比其它三種基本作用有更大的對稱性.強(qiáng)子是由夸克構(gòu)成的，強(qiáng)作用是夸克之間的相互作用力;強(qiáng)作用最強(qiáng)并且是一種短程力.其理論是量子色動(dòng)力學(xué)，強(qiáng)作用是一種色相互作用，具有色荷的夸克所具有的相互作用，色荷通過交換8種膠子而相互作用，在能量不是非常高的情況下,強(qiáng)相互作用的媒介粒子是介子.強(qiáng)作用引起的粒子衰變稱為強(qiáng)衰變，強(qiáng)衰變粒子的平均壽命最短，強(qiáng)衰變粒子稱為不穩(wěn)定粒子或共振態(tài).核子間的核力就是強(qiáng)相互作用，抵抗了質(zhì)子之間的強(qiáng)大的電磁力，維持了原子核的穩(wěn)定.量子色動(dòng)力學(xué)是根據(jù)強(qiáng)子夸克模型和規(guī)范場概念提出的.2.2弱作用力

弱相互作用力也稱為弱作用力.是基本四種作用力之一.弱力屬于微觀力.在微觀粒子世界里，粒子相互之間的作用是通過碰撞而實(shí)現(xiàn)的.由于作用強(qiáng)度的大小不同,而表現(xiàn)為弱、電、強(qiáng)作用力.對于弱相互作用力來說，表現(xiàn)為中子的β衰變(中子衰變成質(zhì)子、電子與電子中微子).參與碰撞的粒子稱為費(fèi)米子，其自旋為半整數(shù).弱相互作用會影響所有費(fèi)米子(自旋為半奇數(shù)的粒子).弱相互作用有一種獨(dú)一無二的特性(夸克味變).由于兩粒子間碰撞是間隔有一定距離的，這種碰撞并不是超距作用，而是通過媒介粒子來傳遞，這個(gè)起傳遞作用的粒子被稱為玻色子，其自旋為整數(shù).在量子力學(xué)中，粒子從初態(tài)到末態(tài)的躍遷，涉及到粒子的湮滅與產(chǎn)生.可以用費(fèi)米公式和量子場論的相應(yīng)公式計(jì)算.電磁力與弱相互作用現(xiàn)已統(tǒng)一，它們實(shí)質(zhì)上是同一種力的兩個(gè)方面.宇稱守恒定理是指自然定律在鏡像反射后會維持不變，鏡像反射等同把所有空間軸反轉(zhuǎn).經(jīng)典引力、電磁及強(qiáng)相互作用都遵守這條定律.但弱相互作用可能會破壞這一條定律.弱相互作用只作用于左手粒子（或右手反粒子）,由于左手粒子的鏡像反射是右手粒子，這可解釋宇稱的最大破壞.在粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型中，弱相互作用與電磁相互作用是同一種相互作用的不同方面，叫弱電相互作用.根據(jù)電弱理論，在能量非常高的時(shí)候，宇宙共有四種無質(zhì)量的規(guī)范玻色子場(跟光子類似)，還有復(fù)矢量希格斯場雙重態(tài).但在能量低的時(shí)候，規(guī)范對稱會出現(xiàn)自發(fā)破缺，變成電磁相互作用.這種對稱破缺會產(chǎn)生三種無質(zhì)量玻色子，但是它們會與三股光子類場融合，這樣希格斯機(jī)制會為它們帶來質(zhì)量.這三股場就成為了弱相互作用，而第四股規(guī)范場則繼續(xù)保持無質(zhì)量，也就是電磁相互作用的光子.2.3電磁力, 電磁力，是一種相當(dāng)強(qiáng)的作用力，在宇宙的四個(gè)基本的作用力中,它的強(qiáng)度僅次于強(qiáng)核作用力.電磁力是電荷、電流在電磁場中所受力的總稱;也可以稱載流導(dǎo)體在磁場中受的力為電磁力，而稱靜止電荷在靜電場中受的力稱為靜電力.原子的尺度時(shí),所有的物質(zhì)都是由不同的原子構(gòu)成，而原子則是由不同的原子核與電子構(gòu)成，帶負(fù)電的電子與帶正電的原子核（由質(zhì)子與中子構(gòu)成）經(jīng)由電磁作用結(jié)合在一起.但在原子的尺度時(shí)，必須用量子化的電磁場來描述，也就是把兩粒子之間的作用看成是在交換光子.光就是一種電磁波，量子化的電磁作用也就是光電作用.在某些狀況下，電磁力和弱核作用力會統(tǒng)一.2.4萬有引力

萬有引力定律是指任何物體之間都有相互吸引力，這個(gè)力的大小與各個(gè)物體的質(zhì)量成正比例，而與它們之間的距離的平方成反比.萬有引力常數(shù)（G），是一個(gè)包含在對有質(zhì)量的物體間的萬有引力的計(jì)算中的實(shí)驗(yàn)物理常數(shù).重力是由于地面附近的物體受到地球的萬有引力而產(chǎn)生的.需要注意的是，因?yàn)榈厍蛟谧赞D(zhuǎn)(除了在南極北極端點(diǎn))，在地球上任意一點(diǎn)的物體，其重力并不等于萬有引力.此時(shí)可看作繞地球的向心力和重力合成萬有引力.由于繞地球自轉(zhuǎn)的向心力遠(yuǎn)小于重力，故一般就認(rèn)為重力就略等于萬有引力了.重力和萬有引力的方向不同，重力是豎直向下，萬有引力是指向地心.每個(gè)物體都會吸引其他物體，而這股引力的大小只跟物體的質(zhì)量與物體間的距離有關(guān).牛頓的萬有引力定律說明，每一個(gè)物體都吸引著其他每一個(gè)物體，而兩個(gè)物體間的引力大小，正比于這它們的質(zhì)量，會隨著兩物體中心連線距離的平方而遞減.四種基本相互作用力對立統(tǒng)一的，是由基本粒子的振動(dòng)波來傳遞的，但是波的形式不同.愛因斯坦認(rèn)為引力是時(shí)空扭曲的表現(xiàn).萬有引力從牛頓力學(xué)角度來說是力,從相對論來說是時(shí)空彎曲的表現(xiàn).3.空間相對論與普朗克常數(shù)

3.1光量子及實(shí)物基本粒子的量綱

光量子量綱是{L^(3)[L^(3)T^(-1)]}[L^(2)T^(-2)], {L^(3)[L^(3)T^(-1)]}體現(xiàn)質(zhì)量屬性(沒有靜止質(zhì)量), [L^(2)T^(-2)]體現(xiàn)能量屬性.{L^(3)[L^(3)T^(-1)]}[L^(2)T^(-2)]體現(xiàn)光量子的質(zhì)量能量守恒屬性.實(shí)物基本粒子的量綱是{L^(4)[L^(3)T^(-1)]}[L^(2)T^(-2)], {L^(4)[L^(3)T^(-1)]}體現(xiàn)質(zhì)量屬性, [L^(2)T^(-2)]體現(xiàn)能量屬性.{L^(4)[L^(3)T^(-1)]}[L^(2)T^(-2)]體現(xiàn)實(shí)物基本粒子的質(zhì)量能量守恒屬性.三維空間的點(diǎn)內(nèi)空間的本質(zhì)是點(diǎn)維空間(或一維空間,或二維空間)在三維空間以三維空間速度運(yùn)動(dòng).換句話說, 點(diǎn)內(nèi)空間的本質(zhì)是三維空間在點(diǎn)維空間(或一維空間,或二維空間)以點(diǎn)維空間速度(或一維空間速度,或二維空間速度)運(yùn)動(dòng).三維空間的點(diǎn)外空間的本質(zhì)是四維空間(或四維空間以上空間)在三維空間以三維空間速度運(yùn)動(dòng).換句話說, 點(diǎn)外空間的本質(zhì)是三維空間在四維空間(或四維以上空間)以三維空間速度運(yùn)動(dòng).三維空間的原空間就是三維空間在三維空間以三維空間速度運(yùn)動(dòng).虛數(shù)的四次方是自然數(shù)1,這說明四維空間宇宙是穩(wěn)定的.四維的倍數(shù)空間宇宙(例如:八維空間宇宙,十二維空間宇宙)也都是穩(wěn)定的.3.2普朗克常數(shù)

普朗克常數(shù)的量綱是(能量乘時(shí)間).普朗克的能量子和愛因斯坦的光量子,其最小能量與頻率之比總要等于自然常數(shù)普朗克常數(shù).波粒二象性是微觀粒子的基本屬性.在粒子物理學(xué)中,動(dòng)量公式為：P=h/λ;能量公式為：E=hν.動(dòng)量P與能量E都是描述粒子行為的物理量，波長λ與頻率ν描述波動(dòng)行為的物理量.描述波動(dòng)行為的物理量可與描述粒子行為的物理量可通過同一個(gè)公式聯(lián)系起來，這體現(xiàn)了粒子的波粒二象性.而二者聯(lián)系的核心就是普朗克常數(shù).根據(jù)以上公式可知?jiǎng)恿繛镻,能量為E的粒子的波長與頻率，從而判斷是粒子性呈主要特征，還是波動(dòng)性呈主要特征.因?yàn)楣饬孔拥牧烤V是L^(3)[L^(3)T^(-1)][L^(2)T^(-2)].實(shí)物基本粒子的量綱是L^(4)[L^(3)T^(-1)][L^(2)T^(-2)].由于光子的量綱L^(3)[L^(3)T^(-1)][L^(2)T^(-2)].而能量公式為：E=hν,故普朗克常數(shù)的量綱是:L^(1)*{ L^(3)[L^(3)T^(-1)][L^(2)T^(-2)]}等效于L^(4)[L^(3)T^(-1)][L^(2)T^(-2)],實(shí)質(zhì)上與實(shí)物基本粒子的量綱相同.4.空間相對論本質(zhì)

導(dǎo)數(shù)的本質(zhì)就是函數(shù)值增量與自變量增量之比的極限.對于變量為復(fù)數(shù)的函數(shù)，也可以定義導(dǎo)數(shù)的概念.弱微分的概念使得對更多嚴(yán)格意義上無法求導(dǎo)的函數(shù)也可以定義導(dǎo)函數(shù).方向?qū)?shù)在無窮維矢量空間可以推廣應(yīng)用在量子場論中.對某變量求導(dǎo)(無窮多次),如果,最終結(jié)果為零,該變量體現(xiàn)了維度空間的絕對靜止屬性,或者說,具有絕對的對稱性.如果,對某變量求導(dǎo)(有限多次),結(jié)果不為零(但對該變量求導(dǎo)無窮多次,最終結(jié)果為零),該變量此時(shí)體現(xiàn)了維度空間的相對靜止屬性,或者說此時(shí)具有相對的對稱性.對某變量求導(dǎo),如果不能求導(dǎo), 該變量體現(xiàn)了維度空間的絕對運(yùn)動(dòng)屬性,或者說,具有絕對的對稱性破缺.對某變量求導(dǎo)(無窮多次),如果,最終結(jié)果不是零,該變量體現(xiàn)了維度空間的相對運(yùn)動(dòng)屬性.時(shí)間(速度)體現(xiàn)了空間的運(yùn)動(dòng)屬性.宇宙常數(shù)的本質(zhì)體現(xiàn)了空間的靜止屬性和運(yùn)動(dòng)屬性的對立統(tǒng)一.Planck's constant nature and space relativistic

HU Liang

Shenzhen Hongyuanqing Security Materials Co.Ltd., Shenzhen 518004, China

Abstract: The derivation of a variable(infinitely many times), if the end result is zero, this variable reflects the absolute rest of the space dimension attributes, or say with absolute symmetry if the derivative of a variable(and more limited times), the result is not zero(the variable derivation infinitely many times, the end result is zero), the variables at this time reflects the relatively static properties of the dimension of space, or relative symmetry of a variable derivation, if not the derivative of the variable reflects the absolute motion of the space dimension attributes, or say with absolute symmetry breaking.derivation of a variable(infinite times), if the end result is not zero, the variable embodies the properties of the relative motion of the dimension of space time(speed)embodies the attributes of the spatial movement.cosmological constant represents the essence of the unity of opposites still property of space and movement properties.Keywords: space, space theory of relativity, the theory of relativity, matter, time, dimension, speed

第四篇：《目測法測透射光柵常數(shù)》實(shí)驗(yàn)提要

實(shí)驗(yàn)15《目測法測透射光柵常數(shù)》實(shí)驗(yàn)提要

實(shí)驗(yàn)課題及任務(wù)

《目測法測透射光柵常數(shù)》實(shí)驗(yàn)課題任務(wù)是，給定一個(gè)光柵和光源(如汞燈、鈉燈或激光器等)，根據(jù)光源的已知光譜，在沒有分光計(jì)和其它測量儀器的情況下，僅利用米尺和自制實(shí)驗(yàn)器材，結(jié)合直接目視法，測量透射光柵的光柵常數(shù)。該實(shí)驗(yàn)還可以已知光柵常數(shù)測量未知譜線的波長。

學(xué)生根據(jù)自己所學(xué)知識，設(shè)計(jì)出《目測法測透射光柵常數(shù)》的整體方案，內(nèi)容包括：(寫出實(shí)驗(yàn)原理和理論計(jì)算公式；選擇測量儀器；研究測量方法；寫出實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟。)然后根據(jù)自己設(shè)計(jì)的方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，記錄數(shù)據(jù)，做好數(shù)據(jù)處理，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，寫出完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，也可按書寫科學(xué)論文的格式書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

設(shè)計(jì)要求

⑴ 通過在實(shí)驗(yàn)室用目測的方式觀察光柵的衍射現(xiàn)象，繪制出光路圖，通過對光路圖的分析，找出光柵方程與光路圖中的那些物理量(即待測量的物理量)有關(guān)，根據(jù)光柵方程和待測物理量的關(guān)系推導(dǎo)出計(jì)算公式，寫出該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理。(注：這一步是本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵所在，得先到實(shí)驗(yàn)室觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，繪制出光路圖，分析論證，找出規(guī)律，才能寫出實(shí)驗(yàn)原理。)

⑵ 選擇實(shí)驗(yàn)測量儀器，僅限于光柵、米尺(10m/0.005m或3m/0.001m)、光源(汞燈、鈉燈或激光器)的選擇，可以自制輔助器件。

⑶ 設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)步驟，要具有可操作性。

⑷ 測量時(shí)那些物理量可以測量一次，那些物理量必須得多次測量，說明原理。⑸ 實(shí)驗(yàn)結(jié)果用標(biāo)準(zhǔn)形式表達(dá)，即用不確定度來表征測量結(jié)果的可信賴程度。實(shí)驗(yàn)儀器的選擇及提示

⑴ 光柵：實(shí)驗(yàn)室給定，光柵參數(shù)為：300/mm

⑵ 米尺：3m/0.001m或10m/0.005m任選，⑶ 光源：鈉燈、激光器.⑷ 可以自制實(shí)驗(yàn)器材，如帶刻度的條型光屏，也可以借助現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室的條件。實(shí)驗(yàn)所用公式及物理量符號提示

⑴ 光柵方程:d?sin??k?(k=0、?

1、?

2、?

3、……)

式中d?a?b(其中a為光柵縫寬，b為相鄰縫間不透明部分的寬度)為相鄰狹縫之間的距離，稱為光柵常數(shù)，?為光波波長，k為衍射光譜線的級次。

⑵ 用x表示譜線到0級譜線的距離，用y表示光柵到0級譜線的垂直距離。提交整體設(shè)計(jì)方案時(shí)間

學(xué)生自選題后2~3周內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)整體設(shè)計(jì)方案并提交。提交整體設(shè)計(jì)方案，要求用紙質(zhì)版供教師修改。

思考題

⑴ 光柵與光源之間的距離多遠(yuǎn)比較合適？

⑵ 眼睛與光柵的距離對測量有沒有影響？

⑶ 光屏和光源是否一定要在一個(gè)平面內(nèi)？

⑷ 光柵與光屏的距離測量，該實(shí)驗(yàn)應(yīng)采用單次測量還是多次測量？單次測量能否滿足測量精度的要求？

參考文獻(xiàn)

參閱各實(shí)驗(yàn)書籍中的夫瑯和菲衍射原理及光柵衍射原理。幾何光學(xué)，人眼睛的光學(xué)原理。

第五篇：測螺線管磁場實(shí)驗(yàn)報(bào)告

測螺線管磁場———實(shí)驗(yàn)原理

圖1 圖1是一個(gè)長為2l，匝數(shù)為N的單層密繞的直螺線管產(chǎn)生的磁場。當(dāng)導(dǎo)線中流過電流I時(shí)，由畢奧—薩伐爾定律可以計(jì)算出在軸線上某一點(diǎn)P的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

式中，為單位長度上的線圈匝數(shù)，R為螺線管半徑，x為P點(diǎn)到螺線管中心處的距離。在SI單位制中，B的單位為特斯拉（T）。圖1同時(shí)給出B隨x的分布曲線。

磁場測量的方法很多。其中最簡單也是最常用的方法是基于電磁感應(yīng)原理的探測線圈法。本實(shí)驗(yàn)采用此方法測量直螺線管中產(chǎn)生的交變磁場。下圖是實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。

圖2 當(dāng)螺線管A中通過一個(gè)低頻的交流電流i(t)= I0sinωt時(shí)，在螺線管內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)與電流成正比的交變磁場B(t)= Cpi(t)= B0sinωt其中Cp是比例常數(shù)，把探測線圈A1放到螺線管內(nèi)部或附近，在A1中將產(chǎn)生感生電動(dòng)勢，其大小取決于線圈所在處磁場的大小、線圈結(jié)構(gòu)和線圈相對于磁場的取向。探測線圈的尺寸比較小，匝數(shù)比較多。若其截面積為S1，匝數(shù)為N1，線圈平面的法向平面與磁場方向的夾角為θ，則穿過線圈的磁通鏈數(shù)為:

Ψ = N1S1B(t)cosθ

根據(jù)法拉第定律，線圈中的感生電動(dòng)勢為：

通常測量的是電壓的有效值，設(shè)E(t)的有效值為V，B(t)的有效值為B，則有，由此得出磁感應(yīng)強(qiáng)度：

其中r1是探測線圈的半徑，f是交變電源的頻率。在測量過程中如始終保持A和A1在同一軸線上，此時(shí)，則螺線管中的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

在實(shí)驗(yàn)裝置中，在待測螺線管回路中串接毫安計(jì)用于測量螺線管導(dǎo)線中交變電流的有效值。在探測線圈A1兩端連接數(shù)字毫伏計(jì)用于測量A1中感應(yīng)電動(dòng)勢的有效值。

使用探測線圈法測量直流磁場時(shí)，可以使用沖擊電流計(jì)作為探測儀器，同學(xué)們可以參考沖擊電流計(jì)原理設(shè)計(jì)出測量方法。

測螺線管磁場———實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1．研究螺線管中磁感應(yīng)強(qiáng)度B與電流I和感生電動(dòng)勢V之間的關(guān)系，測量螺線管中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。2．測量螺線管軸線上的磁場分布。

測螺線管磁場———實(shí)驗(yàn)儀器

圖 1 : 測量螺線管內(nèi)磁場實(shí)驗(yàn)裝置全貌

測量螺線管內(nèi)磁場實(shí)驗(yàn)儀器包括：銅導(dǎo)線螺線管、霍爾元件（軸向磁場探針）、（毫）

特斯拉計(jì)、電流源。

圖 2 : 銅導(dǎo)線螺線管

圖 3 : 霍爾元件（軸向磁場探針）

上圖為軸向磁場探針，伸入螺線管中用于測量磁場強(qiáng)度，探針的另一端接在特斯拉計(jì)之

上，由特斯拉計(jì)給出磁場強(qiáng)度的讀數(shù)。

圖 4 :（毫）特斯拉計(jì)

給出磁場強(qiáng)度的讀數(shù)。與測量直流導(dǎo)體外磁場中使用的特斯拉計(jì)相似。

圖 5 : 電流源 為銅導(dǎo)線螺線管供電，產(chǎn)生磁場。

實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)

1．掌握探測線圈法測量交變磁場的方法。2．測量螺線管軸線上的磁場分布。3．加深理解電磁感應(yīng)定律及磁場的特征。實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)

1．探測線圈法測量磁場的線路設(shè)計(jì)與連接，包括單刀雙擲開關(guān)及交流毫伏計(jì)的使用。

2．低頻信號發(fā)生器的使用。3．互感現(xiàn)象的觀察及線路設(shè)計(jì)。操作指導(dǎo)

一、主窗口

在系統(tǒng)主界面上選擇“螺線管磁場及其測量實(shí)驗(yàn)”并單擊，即可進(jìn)入本仿真實(shí)驗(yàn)平臺，顯示平臺主窗口——實(shí)驗(yàn)室場景，看到實(shí)驗(yàn)臺和實(shí)驗(yàn)儀器。

二、主菜單

在主窗口上單擊鼠標(biāo)右鍵，彈出主菜單。主菜單下還有子菜單。鼠標(biāo)左鍵單擊相應(yīng)的主菜單項(xiàng)或子菜單項(xiàng)，則進(jìn)入相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)部分（圖1）。

圖1 實(shí)驗(yàn)應(yīng)按照主菜單的條目順序進(jìn)行。1．實(shí)驗(yàn)簡介

選擇主菜單的“簡介”并單擊可打開實(shí)驗(yàn)簡介文檔（圖2）。

圖2 鼠標(biāo)移到上面藍(lán)條處將顯示操作提示，雙擊即可返回實(shí)驗(yàn)平臺。2．實(shí)驗(yàn)儀器

選擇主菜單的“實(shí)驗(yàn)儀器”并單擊可打開實(shí)驗(yàn)儀器文檔，操作與查看實(shí)驗(yàn)簡介完全類似。3．實(shí)驗(yàn)原理

包括子菜單項(xiàng)“實(shí)驗(yàn)原理一”和“實(shí)驗(yàn)原理二”。

選中“實(shí)驗(yàn)原理”的“實(shí)驗(yàn)原理一”子菜單項(xiàng)并單擊，將顯示實(shí)驗(yàn)原理一，如圖3。

圖3 用鼠標(biāo)操作滾動(dòng)條，可使畫面上下滾動(dòng)。

鼠標(biāo)移到上面藍(lán)條處將顯示操作提示，雙擊可返回實(shí)驗(yàn)平臺。

選擇“實(shí)驗(yàn)原理”的“實(shí)驗(yàn)原理二”子菜單項(xiàng)并單擊，將顯示實(shí)驗(yàn)原理二，與“實(shí)驗(yàn)原理一”操作相同。4．實(shí)驗(yàn)接線

選擇“接線”并單擊進(jìn)入接線界面。本實(shí)驗(yàn)中晶體管毫伏表讀數(shù)會隨時(shí)間產(chǎn)生漂移，所以做本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是要對晶體管毫伏表經(jīng)常短路調(diào)零以消除誤差。為方便計(jì)，宜加一單刀雙擲開關(guān)。正確接線圖（不止一種）可參見圖4。

圖4 接線時(shí)選定一個(gè)接線柱，按住鼠標(biāo)左鍵不放拖動(dòng)，一根直導(dǎo)線即從接線柱引出。將導(dǎo)線末端拖至另一個(gè)接線柱釋放鼠標(biāo)，即可連接這兩個(gè)接線柱。刪除兩個(gè)接線柱的連線，可將這兩個(gè)接線柱重新連接一次。

接線完畢單擊鼠標(biāo)右鍵彈出菜單，選擇“接線完畢”來判斷接線是否正確，接線正確后才能開始實(shí)驗(yàn)。選擇“重新接線”可刪除所有導(dǎo)線。5．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

接線正確后此菜單項(xiàng)才會有效。此菜單包括子菜單項(xiàng)“內(nèi)容一”、“內(nèi)容二”和“內(nèi)容三”。單擊子菜單項(xiàng)“內(nèi)容一”即可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖5。

圖5 儀器的基本操作方法

(1)旋鈕的操作方法：所有的旋鈕，其操作方法是一致的，即：用鼠標(biāo)右鍵單擊，則旋鈕順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；用鼠標(biāo)左鍵單擊，則旋鈕逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。包括旋鈕“輸出調(diào)節(jié)”，“調(diào)零旋鈕”，以及頻率調(diào)節(jié)。

(2)按鈕的操作方法：用鼠標(biāo)左鍵單擊即可按下或彈起按鈕。包括“衰減”和“頻率倍乘”按鈕。

(3)撥動(dòng)開關(guān)的操作方法：操作非常簡單，用鼠標(biāo)左鍵單擊開關(guān)即可改變開關(guān)的狀態(tài)。

(4)探測線圈的粗調(diào)和細(xì)調(diào)，單刀雙擲開關(guān)的操作和旋鈕的調(diào)節(jié)一樣。(5)毫伏表“量程”的調(diào)節(jié)和開關(guān)的操作一樣。(6)單刀雙擲開關(guān)的刀打到左邊是調(diào)零位置，可調(diào)節(jié)“調(diào)零旋鈕”調(diào)零；打到中間是斷路位置；打到右邊是測量位置，可以測量電路的電壓。

在此界面的上部單擊鼠標(biāo)右鍵將彈出主菜單，做完實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一后選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容三繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)時(shí)點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)參數(shù)”可打開實(shí)驗(yàn)參數(shù)文檔，雙擊其上的藍(lán)條關(guān)閉此文檔；點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)內(nèi)容”打開實(shí)驗(yàn)內(nèi)容文檔，雙擊其上的藍(lán)條關(guān)閉此文檔；實(shí)驗(yàn)時(shí)按實(shí)驗(yàn)內(nèi)容文檔的步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)記錄及處理”打開數(shù)據(jù)處理窗口，將測量數(shù)據(jù)記錄到相應(yīng)的位置，數(shù)據(jù)處理窗口如圖6。

圖6 輸入數(shù)據(jù)時(shí)在所要輸入的空格處單擊鼠標(biāo)左鍵，再用鍵盤輸入數(shù)據(jù)即可。畫線時(shí)先在坐標(biāo)圖上單擊鼠標(biāo)左鍵描點(diǎn)，描點(diǎn)完畢點(diǎn)擊“畫線”可畫線，如描點(diǎn)錯(cuò)誤可在錯(cuò)點(diǎn)處再單擊鼠標(biāo)左鍵即可刪除該點(diǎn)，點(diǎn)擊“清畫布”可刪除所有點(diǎn)，點(diǎn)擊“返回”返回實(shí)驗(yàn)操作界面。6．實(shí)驗(yàn)報(bào)告

選擇“實(shí)驗(yàn)報(bào)告”菜單項(xiàng)并單擊，可調(diào)用實(shí)驗(yàn)報(bào)告系統(tǒng)，將前面所得數(shù)據(jù)記錄到實(shí)驗(yàn)報(bào)告中以備教師檢查，具體操作見實(shí)驗(yàn)報(bào)告說明。7．退出：退出實(shí)驗(yàn)平臺。