《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》第七部分 近代物理 實(shí)驗(yàn)1-5

PAGEPAGE247第5章近代物理實(shí)驗(yàn)近代物理實(shí)驗(yàn)是介于普通物理實(shí)驗(yàn)和科學(xué)研究之間的一種實(shí)踐環(huán)節(jié)，其中有些實(shí)驗(yàn)在近代物理學(xué)發(fā)展歷程中起過重要的作用，還有一些實(shí)驗(yàn)則涉及到現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)研究中的一些專門技術(shù)。也有一些實(shí)驗(yàn)由計(jì)算機(jī)軟件協(xié)助完成。通過學(xué)習(xí)近代物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)思想和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，可以使我們了解前人的探索過程和物理學(xué)家的物理思想，掌握近代物理實(shí)驗(yàn)的某些原理和實(shí)驗(yàn)方法，掌握運(yùn)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的思想方法，鍛煉我們綜合運(yùn)用各種實(shí)驗(yàn)技術(shù)的能力。5.1密立根油滴實(shí)驗(yàn)美國物理學(xué)家密立根(R．A．Millikan)在1909年到1917年通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量微小帶電油滴在靜電場(chǎng)和重力場(chǎng)中的受力平衡情況及在空氣中的運(yùn)動(dòng)情況，巧妙的求出了微小帶電油滴所帶的電量，并且通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，得出了電荷量子化的結(jié)論。密立根油滴實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明巧妙，方法簡(jiǎn)單，而結(jié)論卻具有不容置疑的說服力，1923年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。因此現(xiàn)在我們重演這個(gè)實(shí)驗(yàn)仍具有一定的啟發(fā)性?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、通過實(shí)驗(yàn)了解、掌握密立根油滴實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想，實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技巧。2、驗(yàn)證電荷的量子化并測(cè)定基本電荷電量。3、通過對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的調(diào)整和油滴的選擇、跟蹤、測(cè)量以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實(shí)驗(yàn)態(tài)度。【實(shí)驗(yàn)原理】利用密立根油滴儀測(cè)定電子電量，關(guān)鍵在于測(cè)出油滴的帶電量。測(cè)定油滴的帶電量通常有兩種方法：靜態(tài)（平衡）測(cè)量法和動(dòng)態(tài)（非平衡）測(cè)量法。前者的測(cè)量原理、實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理都較簡(jiǎn)單，故這里主要介紹靜態(tài)（平衡）測(cè)量法。圖5-1-1圖5-1-1用噴霧器將油滴噴入電容器兩塊相距為d的水平放置平行電極板之間，油滴經(jīng)噴射后，一般都是帶電的。設(shè)油滴的質(zhì)量為m，所帶的電荷為q，兩極板間的電壓為U，則油滴在平行極板間將同時(shí)受到重力mg、靜電力qE和空氣浮力的作用。如圖5-1-1所示。如果調(diào)節(jié)兩極板間的電壓U，可使兩力達(dá)到二力平衡，這時(shí)（5-1-1）從上式可見，為了測(cè)出油滴所帶的電量q，除了需測(cè)定U和d外，還需要測(cè)量油滴質(zhì)量m。因m很小，需用如下特殊方法測(cè)定。平行極板不加電壓時(shí)，油滴受重力作用而加速下降，除受空氣浮力作用外，還受空氣粘滯阻力的作用，粘滯力可由斯托克斯定律給出：下降一段距離達(dá)到某一速度后，空氣粘滯阻力、空氣浮力與重力平衡，油滴將勻速下降。油滴勻速下降時(shí)（5-1-2）式中，η是空氣的粘滯系數(shù)，是油滴的半徑(由于表面張力的原因，油滴總是呈小球狀)。設(shè)油滴的密度為，空氣的密度為，油滴的質(zhì)量m、空氣浮力可用下式表示（5-1-3）（5-1-4）由式（5-1-2）、（5-1-3）、（5-1-4）得油滴半徑（5-1-5）式中，，對(duì)于半徑小到10-6米的油滴小球，與空氣分子的間隙相當(dāng)，空氣已不能看成是連續(xù)介質(zhì)，空氣的粘滯系數(shù)應(yīng)作如下修正此時(shí)的斯托克斯定律應(yīng)修正為式中b為修正常數(shù)，b=6.17×10-6米·厘米汞高，p（5-1-6）上式根號(hào)中還包含油滴的半徑，由于它處在修正項(xiàng)中，故不需十分精確，因此它可用（5-1-5）式計(jì)算即可。式（5-1-6）中的油滴勻速下降的速度，可用下述方法測(cè)出：在平行板未加電壓時(shí)，測(cè)出油滴下降長(zhǎng)度時(shí)所用的時(shí)間，即可知（5-1-7）將（5-1-7）、（5-1-6）、（5-1-3）、（5-1-4）代入（5-1-1）式，整理后得（5-1-8）上式是用平衡測(cè)量法測(cè)定油滴所帶電荷的理論公式。2、動(dòng)態(tài)（非平衡）測(cè)量法為解決靜態(tài)平衡法中由于空氣流擾動(dòng)而產(chǎn)生的非預(yù)期的影響以及油滴蒸發(fā)引起的誤差，可在平行極板上加以適當(dāng)?shù)碾妷篣，使油滴受靜電力作用加速上升。速度增加時(shí)，空氣對(duì)油滴的粘滯力也隨之增大，上升一段距離達(dá)到某一速度后，油滴將以勻速上升,油滴所受空氣粘滯阻力、空氣浮力、重力與靜電力達(dá)到平衡，這時(shí)當(dāng)去掉平行極板上所加的電壓U后，油滴受重力作用而加速下降。當(dāng)空氣粘滯阻力、空氣浮力和重力平衡時(shí)，兩式相除得所以（5-1-9）如果油滴所帶的電量從變到，油滴在電場(chǎng)中勻速上升的速度將由變成，而勻速下降的速度不變，這時(shí)油滴所帶的電量顯然電荷的改變量（5-1-10）實(shí)驗(yàn)時(shí)取油滴勻速下降和勻速上升的距離相等，都設(shè)為，測(cè)得油滴勻速下降所用時(shí)間為，勻速上升所用時(shí)間為和，即（5-1-11）將式（5-1-6）和式（5-1-11）代入式（5-1-9）和式（5-1-10）得（5-1-12）令則從實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的結(jié)果，可以分析出與只能為某一數(shù)值的整數(shù)倍，由此可以得出油滴所帶電子的總數(shù)和電子的改變數(shù)，從而得到一個(gè)電子的電荷為（5-1-13）【實(shí)驗(yàn)儀器】HLD-MOD-Ⅸ型油滴儀，噴霧器，油，MOD-5型立根油滴儀1、MOD-5型立根油滴儀如圖5-1-2和圖5-1-3所示。圖5-圖5-1-3油滴盒圖5-1-41-噴霧口；2-油霧口開關(guān)；3-油霧孔；4-上電極板壓簧5-外接電源插孔；6-油滴盒基座；7-油滴儀版面圖5-1-21-油滴盒；2-防風(fēng)罩；3-油霧室；4-照明燈；5-導(dǎo)光棒；6-照明燈電源插座；7-調(diào)平螺絲；8-水平儀；9-顯微鏡；10-目鏡頭；11-接目鏡；12-調(diào)焦手輪；13-數(shù)字電壓表；14-工作電壓調(diào)節(jié)旋鈕；15-工作電壓反向開關(guān)；16-升降電壓調(diào)節(jié)旋鈕；17-升降電壓反向開關(guān)；18-低壓汞燈；19-CCD；20-CCD托板；21-CCD接筒；22-CCD電源插座；23-視頻電纜；24-監(jiān)視器；25-計(jì)時(shí)器插座油滴儀包括油滴盒、照明裝置、調(diào)平裝置、測(cè)量顯示鏡、電源、計(jì)時(shí)器、噴霧器等。MOD-5B型密立根油滴儀帶有低壓汞燈，可改變油滴所帶的電荷量。MOD-5BC型密立根油滴儀還配有電荷耦合器件（CCD）的電子顯示裝置。油滴盒由兩塊經(jīng)過精磨的平行板（上、下電極）和中間墊的膠木圓環(huán)組成。膠木圓環(huán)上有進(jìn)光孔、觀察孔和石英玻璃窗口，油滴盒放在防風(fēng)罩中，上極板中央有一個(gè)直徑0.4mm油滴盒防風(fēng)罩前裝有測(cè)量顯微鏡，用以觀察平行板間的油滴。測(cè)量顯微鏡目鏡中裝有分劃板（如圖5-1-4所示），其垂直總刻度相當(dāng)于視場(chǎng)中的0.3cm電源部分提供4種電壓：①3.6V油滴照明電壓；②500V直流工作電壓，該電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)，從數(shù)字電壓表上直接讀數(shù)，并由工作電壓的反向開關(guān)改變上下電極板的極性；③200V左右的直流升降電壓，該電壓疊加在工作電壓上，以控制油滴在視場(chǎng)中的合適位置。升降電壓高，油滴移動(dòng)速度快，反之則慢，該電壓在電壓表上無指示；④12VCCD電源電壓。2、HLD-MOD-Ⅸ型油滴儀HLD-MOD-Ⅸ型油滴儀由主機(jī)和實(shí)驗(yàn)軟件兩部分構(gòu)成，主機(jī)部分主要由機(jī)箱面板、油滴盒和復(fù)雜的電子電路構(gòu)成。這里僅對(duì)機(jī)箱面板、油滴盒、實(shí)驗(yàn)軟件界面及軟件操作控件做以簡(jiǎn)易的介紹。圖5-1-5HLD-MOD-IX型油滴儀面板俯視圖1-電壓顯示；2-時(shí)間顯示；3-視頻輸出插座；4-水準(zhǔn)泡；5-油霧室和照明燈室：6-電源開關(guān)按鈕；7-顯微鏡；8-“正負(fù)電荷”按鈕；9-圖5-1-51-電壓顯示；2-時(shí)間顯示；3-視頻輸出插座；4-水準(zhǔn)泡；5-油霧室和照明燈室：6-電源開關(guān)按鈕；7-顯微鏡；8-“正負(fù)電荷”按鈕；9-“復(fù)位”按鈕；10-CCD攝像頭；11-“清零”按鍵；12-“計(jì)/?！卑存I；13-“測(cè)量”按鍵；14-“平衡”按鍵：；15-“提升”按鍵；16-平衡電壓調(diào)節(jié)旋鈕。機(jī)箱面板如圖5-1-5所示，旋鈕功能請(qǐng)看圖注。需要指出的是：“3-視頻輸出插座”是在本機(jī)配用CCD攝像頭時(shí)使用，輸出至監(jiān)視器，監(jiān)視器阻抗選擇開關(guān)拔至75Ω處；“12-計(jì)/停按鍵”是在油滴下落到預(yù)定開始位置時(shí)按一下此鍵，開始計(jì)時(shí)，到達(dá)預(yù)定距離時(shí)，再按一次該鍵，停止計(jì)時(shí)；“15-提升按鍵”，按下該鍵時(shí)，上下電極在平衡電壓的基礎(chǔ)上自動(dòng)增加DC200V～300V的提升電壓；“16-平衡電壓調(diào)節(jié)旋鈕”，可調(diào)節(jié)“平衡”按鍵時(shí)的極板間電壓，調(diào)節(jié)電壓DC0～500V左右。圖5-1-6HLD-MOD-IX型油滴儀油滴盒1-上蓋板;2-油霧孔開關(guān);3-油霧室;4-油霧孔5-噴霧口;6-上電極板壓簧;7-上電極板;8-防風(fēng)罩;9-膠木圓環(huán);10-下電極板;11-油滴盒基座;12-底板=2\*GB2⑵圖5-1-61-上蓋板;2-油霧孔開關(guān);3-油霧室;4-油霧孔5-噴霧口;6-上電極板壓簧;7-上電極板;8-防風(fēng)罩;9-膠木圓環(huán);10-下電極板;11-油滴盒基座;12-底板油滴盒示意圖如圖5-1-6所示，油滴盒的防風(fēng)罩前裝有測(cè)量顯微鏡，通過膠木圓環(huán)上的觀察孔觀察平行極板間的油滴，顯示屏上裝有分劃板，其總刻度相當(dāng)于線視場(chǎng)中0.2cm，用以測(cè)量油滴運(yùn)動(dòng)的距離L，分劃板中間的橫向刻度尺是用來測(cè)量布朗運(yùn)動(dòng)的。=3\*GB2⑶實(shí)驗(yàn)軟件界面軟件界面如圖5-1-7，各按鈕功能看圖注。圖5-1-7密里根油滴儀實(shí)驗(yàn)界面1-菜單按鈕：2-標(biāo)題欄：3-圖像采集區(qū)：4-最小化按鈕：5-關(guān)閉按鈕：6-數(shù)值顯示區(qū)：7-實(shí)驗(yàn)控制區(qū)：8-圖像控制區(qū)：9-實(shí)驗(yàn)原理提示：10-數(shù)據(jù)操作區(qū)：11-數(shù)據(jù)記錄區(qū)。=4\*GB2⑷圖5-1-71-菜單按鈕：2-標(biāo)題欄：3-圖像采集區(qū)：4-最小化按鈕：5-關(guān)閉按鈕：6-數(shù)值顯示區(qū)：7-實(shí)驗(yàn)控制區(qū)：8-圖像控制區(qū)：9-實(shí)驗(yàn)原理提示：10-數(shù)據(jù)操作區(qū)：11-數(shù)據(jù)記錄區(qū)。實(shí)驗(yàn)控制區(qū)內(nèi)有如下按鈕：“提升”、“平衡”、“測(cè)量”、“計(jì)時(shí)”、“停止”、“清零”，這些按鈕只有在設(shè)備打開成功后才可使用。在具體操作時(shí)，其作用與油滴儀面板上的按鈕的作用大致相同?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】1、用MOD-5型立根油滴儀測(cè)量=1\*GB2⑴調(diào)整儀器將儀器放平穩(wěn)，調(diào)節(jié)儀器底部左右兩只調(diào)平螺絲，使水平儀指示水平，這時(shí)平行極板處于水平位置。先預(yù)熱10min，利用預(yù)熱時(shí)間，從測(cè)量顯微鏡中觀察。如果分劃板位置不正，則轉(zhuǎn)動(dòng)目鏡頭，將分劃板放正，目鏡頭要轉(zhuǎn)到底。調(diào)節(jié)目鏡，使分劃板刻線清晰。將油從油霧室旁的噴霧口噴入（噴霧器持平噴一次即可），微調(diào)測(cè)量顯微鏡的調(diào)焦手輪，使視場(chǎng)中出現(xiàn)大量清晰的油滴。如果視場(chǎng)太暗，油滴不夠清晰，或視場(chǎng)上下亮度不均勻，可略微轉(zhuǎn)動(dòng)油滴照明燈的方向節(jié)，使小燈泡前面的聚光燈正對(duì)前方。若用CCD（連同監(jiān)視器），則將CCD對(duì)準(zhǔn)顯微鏡，并進(jìn)行調(diào)節(jié)，使監(jiān)視器中看到清晰明亮的油滴。注意：調(diào)整儀器時(shí)，如果打開有機(jī)玻璃油霧室，必須先將平衡電壓反向開關(guān)置“0”=2\*GB2⑵練習(xí)測(cè)量=1\*GB3①練習(xí)控制油滴：用平衡法實(shí)驗(yàn)時(shí)，在平行極板上加工作（平衡）電壓250V左右，反向開關(guān)放在“+”或“-”側(cè)均可，放走不需要的油滴，直到剩下幾顆緩慢運(yùn)動(dòng)的油滴為止。注視其中的某一顆，仔細(xì)調(diào)節(jié)平衡電壓，使這顆油滴靜止不動(dòng)。然后去掉平衡電壓，讓它勻速下降，下降一段距離后再加上平衡電壓和升降電壓，使油滴上升。如此反復(fù)多次地進(jìn)行練習(xí)，以掌握控制油滴的方法。=2\*GB3②練習(xí)測(cè)量油滴運(yùn)動(dòng)的時(shí)間：任意選擇幾顆運(yùn)動(dòng)速度快慢不同的油滴，用秒表測(cè)出它們下降一位移段所需要的時(shí)間?；蛘呒由弦欢ǖ碾妷?，測(cè)出他們上升一段距離所需要的時(shí)間。如此反復(fù)多練幾次，以掌握測(cè)量油滴運(yùn)動(dòng)時(shí)間的方法。=3\*GB3③練習(xí)選擇油滴：要做好本實(shí)驗(yàn)，很重要的一點(diǎn)是選擇合適的油滴。選的油滴體積不能太大，太大的油滴雖然比較亮，但帶電荷比較多，下降速度也比較快，時(shí)間不容易測(cè)準(zhǔn)確。油滴也不能選得太小，否則布朗運(yùn)動(dòng)明顯。通常平衡電壓在200V以上，在20~30s時(shí)間內(nèi)勻速下降2mm的油滴，其大小和帶電量都比較合適。=4\*GB3④練習(xí)改變油滴的帶電量：對(duì)MOD-5B型密立根油滴儀，可以改變油滴的帶電量。按下汞燈按紐，低壓汞燈亮約5s，油滴的運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生改變，這時(shí)油滴的帶電量已經(jīng)改變了。=3\*GB2⑶正式測(cè)量=1\*GB3①平衡測(cè)量法：從式（5-1-8）可知，用靜態(tài)平衡測(cè)量法實(shí)驗(yàn)時(shí)，要測(cè)量?jī)蓚€(gè)量，一個(gè)是平衡電壓U，另一個(gè)是油滴勻速下降一段距離所需要的時(shí)間tg。測(cè)量平衡電壓必須經(jīng)過仔細(xì)的調(diào)節(jié)，并將油滴置于分劃板上某條橫線附近，以便準(zhǔn)確判斷出這顆油滴是否平衡。測(cè)量油滴勻速下降一段距離所需要的時(shí)間時(shí)，應(yīng)先讓油滴下降一段距離后再測(cè)量時(shí)間。選定測(cè)量的一段距離，應(yīng)該在平行板之間的中央部分，即視場(chǎng)中分劃板的中央部分。若太靠近上電極板，小孔附近有氣流，電場(chǎng)也不均勻，會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。若太靠近下電極板，測(cè)量完時(shí)間tg后，油滴容易丟失，影響測(cè)量。一般取為0.2cm比較合適。對(duì)同一顆油滴應(yīng)進(jìn)行5~6次測(cè)量，而且每次測(cè)量都要重新調(diào)整平衡電壓。如果油滴逐漸變得模糊，要微調(diào)測(cè)量顯微鏡跟蹤油滴，防止油滴丟失。用同樣方法分別對(duì)1~2顆油滴進(jìn)行測(cè)量，對(duì)MOD-5B型密立根油滴儀，也可用改變油滴帶電量的辦法，反復(fù)對(duì)同一顆油滴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，求得電子電荷。=2\*GB3②動(dòng)態(tài)非平衡測(cè)量法：具體方法可由學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理自擬（供選做）。=3\*GB3③改變油滴帶電量的研究與測(cè)量（供選做）方法自擬。2、用HLD-MOD-Ⅸ型油滴儀測(cè)量=1\*GB2⑴儀器調(diào)節(jié)=1\*GB3①將儀器放平穩(wěn)，調(diào)節(jié)底座上的三個(gè)調(diào)平手輪，使水準(zhǔn)泡指示水平，這時(shí)平行極板處于水平位置。=2\*GB3②打開油滴儀電源，先預(yù)熱儀器，預(yù)熱時(shí)間不少于10分鐘。打開監(jiān)視器電源，5秒后自動(dòng)進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)。=2\*GB2⑵靜態(tài)（平衡）測(cè)量法=1\*GB3①按“清零”鍵，使計(jì)時(shí)秒表清零。=2\*GB3②按下“平衡”按鍵，調(diào)節(jié)電壓在200V左右，將油霧從油霧室旁的噴霧口噴入(噴1—2次即可)，，打開油霧孔開關(guān)，油滴從上電極板中間直徑0.4mm的小孔落入電場(chǎng)中。微調(diào)測(cè)量顯微鏡的調(diào)焦手輪，這時(shí)在監(jiān)視屏上將出現(xiàn)大量清晰的油滴，如果視場(chǎng)太暗，油滴不夠明亮，亮度不均勻，可打開監(jiān)視器左邊小盒，內(nèi)有4個(gè)調(diào)節(jié)旋鈕。對(duì)比度一般置于較大，亮度不要太亮。=3\*GB3③通過調(diào)節(jié)“平衡電壓調(diào)節(jié)旋鈕”驅(qū)走不需要的油滴，直到剩下幾顆緩慢運(yùn)動(dòng)、大小適中的油滴為止，選擇其中一顆，仔細(xì)調(diào)節(jié)平衡電壓，使油滴靜止不動(dòng)。記下“電壓表”上顯示的數(shù)U。=4\*GB3④通過按“提升”按鍵把油滴提升到顯示屏最上端，再按下“測(cè)量”鍵，使油滴開始下降。=5\*GB3⑤當(dāng)油滴轉(zhuǎn)為勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)（正常須在按下“測(cè)量”鍵1秒鐘后），可根據(jù)需要按下“計(jì)/停”按鍵計(jì)時(shí)。=6\*GB3⑥通過按“計(jì)/?！辨I，測(cè)量油滴下落為2mm（在刻度板為4大格）的距離所經(jīng)過的時(shí)間。停止計(jì)時(shí)，并立即按“平衡”鍵或“提升”鍵，以免油滴逃逸出本電場(chǎng)，此時(shí)完成一顆油滴的測(cè)量，此時(shí)“秒表”上的時(shí)間為油滴在2mm距離勻速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。=7\*GB3⑦如此對(duì)同一顆油滴重復(fù)5次測(cè)量，每次測(cè)量時(shí)都要檢查和調(diào)整平衡電壓，如果油滴逐漸變得模糊，要微調(diào)測(cè)量顯微鏡，跟蹤油滴，勿使丟失。=8\*GB3⑧用同樣方法，選擇2顆油滴分別進(jìn)行測(cè)量。得到該實(shí)驗(yàn)所需多組數(shù)據(jù)。=9\*GB3⑨按公式對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理?！緮?shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)處理】1、MOD-5型立根油滴儀測(cè)量數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理參照表格5-1-12、HLD-MOD-Ⅸ型油滴儀測(cè)量(1)手動(dòng)測(cè)量靜態(tài)（平衡）測(cè)量法表5-1-1油滴(s)(V)()()()()123451234512相關(guān)計(jì)算：根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算，式中油滴的半徑，各常數(shù)分別如下：油的密度重力加速度空氣粘滯系數(shù)油滴勻速下降距離修正常數(shù)大氣壓強(qiáng)平行極板間距離目前e的公認(rèn)值可以得到油滴帶電量：，油滴半徑：，油滴質(zhì)量：。動(dòng)態(tài)（非平衡）測(cè)量法表格自擬，并計(jì)算測(cè)量結(jié)果。電量的計(jì)算以上計(jì)算公式中取近似等于油滴在溫度為的密度，取t=20℃時(shí)油的密度計(jì)算，引起的最大相對(duì)誤差為為了證明電荷的不連續(xù)性和所有電荷都是基本電荷的整數(shù)倍，并得到基本電荷值，我們就應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的各個(gè)電荷值用差值法求出它們的最大公約數(shù)，此最大公約數(shù)就是基本電荷值。但由于實(shí)驗(yàn)所帶來的誤差，求最大公約數(shù)比較困難，因此我們常用“倒過來驗(yàn)證”的辦法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即用實(shí)驗(yàn)測(cè)得的每個(gè)電荷值除以公認(rèn)的電子電荷值C，得到一個(gè)接近于某一個(gè)整數(shù)的數(shù)值，對(duì)這個(gè)數(shù)值四舍五入取整，這個(gè)整數(shù)就是油滴所帶的基本電荷的數(shù)目，再用實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電荷值除以相應(yīng)的，即得到電子的電荷值。(2)自動(dòng)操作實(shí)驗(yàn)室用HLD-MOD-Ⅸ型油滴儀附有一套快速數(shù)據(jù)處理軟件(平衡法)，同學(xué)們可在計(jì)算機(jī)上操作，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果可一并打印出來，詳見軟件介紹。【注意事項(xiàng)】1、實(shí)驗(yàn)前必須調(diào)節(jié)儀器底座上的三只調(diào)平手輪，使底座上的水準(zhǔn)儀指示水平。2、噴霧時(shí)噴霧器應(yīng)豎拿，噴霧器對(duì)準(zhǔn)油霧室的噴霧口，輕輕噴入少許油即可，切勿將噴霧器插入油霧室，甚至將油倒出來，更不應(yīng)該將油霧室拿掉后對(duì)準(zhǔn)上電極板落油小孔噴油。否則會(huì)把油滴盒周圍搞臟，甚至堵塞落油孔。3、油滴盒上下電極間有高壓產(chǎn)生，請(qǐng)不要將油霧杯取下來，以防觸電。5.2夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)20世紀(jì)初，在原子光譜的研究中確定了原子能級(jí)的存在。原子光譜中的每根譜線就是原子從較高能級(jí)向較低能級(jí)躍遷時(shí)的輻射形成的。原子能級(jí)的存在，除了可由光譜研究證實(shí)外，還可利用慢電子轟擊稀薄氣體原子的方法來證明。1914年夫蘭克-赫茲采用這種方法研究了電子與原子碰撞前后電子能量改變的情況，測(cè)定了汞原子的第一激發(fā)電位，從而證明了原子分立態(tài)的存在。后來他們又觀測(cè)了實(shí)驗(yàn)中被激發(fā)的原子回到正常態(tài)時(shí)所輻射的光，測(cè)出的輻射光的頻率很好地滿足了玻爾假設(shè)中的頻率定則。夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)的結(jié)果為玻爾的原子模型理論提供了直接證據(jù)，他們因此獲得了1925年度的諾貝爾物理獎(jiǎng)。夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)至今仍是探索原子結(jié)構(gòu)的重要手段之一，實(shí)驗(yàn)中用的“拒斥電壓”篩去小能量電子的方法，已成為廣泛應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)定氬或汞原子的第一激發(fā)電位，從而證明原子分立態(tài)的存在。2、練習(xí)使用微機(jī)控制的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。【實(shí)驗(yàn)原理】圖5-2-1原子結(jié)構(gòu)示意圖根據(jù)玻爾的原子模型理論，原子是由原子核和以核為中心沿各種不同軌道運(yùn)動(dòng)的一些電子構(gòu)成的（圖5-2-1）。對(duì)于不同的原子，這些軌道上的電子數(shù)分布各不相同。一定軌道上的電子具有一定的能量。當(dāng)同一原子的電子從低能量的軌道躍遷到高能量的軌道時(shí)（如圖5-2-1中從?到Ⅱ），原子就處于受激狀態(tài)。若軌道Ⅰ為正常狀態(tài)，則較高能量的Ⅱ圖5-2-1原子結(jié)構(gòu)示意圖1、定態(tài)假設(shè)。原子只能處在穩(wěn)定狀態(tài)中，其中每一狀態(tài)對(duì)應(yīng)于一定的能量值Ei(i=1,2,3,…),這些能量值是彼此獨(dú)立的，不連續(xù)的。2、頻率定則。當(dāng)原子從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，就吸收或釋放出一定頻率的電磁輻射。頻率的大小取決于原子所處兩定態(tài)之間的能量差，并滿足如下關(guān)系（5-2-1）其中h=6.63×10-34J·s,稱作普朗克常數(shù)。通常在兩種情況下可讓原子狀態(tài)改變：一是當(dāng)原子吸收或發(fā)射電磁輻射時(shí)；二是用其他粒子碰撞原子而交換能量時(shí)。用電子轟擊原子實(shí)現(xiàn)能量交換最方便，因?yàn)殡娮拥哪芰縠U可通過改變加速電勢(shì)U來控制。夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)就是用這種方法證明原子能級(jí)的存在。如果電子的能量eU很小時(shí)，電子和原子只能發(fā)生彈性碰撞，幾乎不發(fā)生能量交換。設(shè)初速度為零的電子在電位差為U0的加速電場(chǎng)作用下，獲得能量eU0。當(dāng)具有這種能量的電子與稀薄氣體原子發(fā)生碰撞時(shí)，電子與原子發(fā)生非彈性碰撞，實(shí)現(xiàn)能量交換。氬原子吸收從電子傳遞來的能量恰好為（5-2-2）圖5-2-2夫蘭克-赫茲原理圖這時(shí)，氬原子就會(huì)從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)。而且相應(yīng)的電位差稱為氬的第一激發(fā)電位。測(cè)出這個(gè)電位差U0，就可以根據(jù)（5-2-2）式求出氬原子的基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)之間的能量差（其他元素氣體原子的第一激發(fā)電位亦可依此法求得）。夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)的原理如圖圖5-2-2夫蘭克-赫茲原理圖圖5-2-3夫蘭克-赫茲管管內(nèi)空間電位在充氬的夫蘭克-赫茲管中，電子由熱陰極K出發(fā)，陰極K和第二柵極G2之間的加速電壓VG2K使電子加速。在板極A和第二柵極G2之間加有反向拒斥電壓VG2A。管內(nèi)空間電位分布如（圖5-2-3）所示。當(dāng)電子通過KG2空間進(jìn)入G2A空間時(shí)，如果有較大的能量（eVG2A），就能沖過反向拒斥電場(chǎng)而達(dá)板極形成電流，為微電流計(jì)檢出。如果電子在KG2空間與氬原子碰撞，把自己的一部分能量傳給氬原子而使后者激發(fā)的話，電子本身所剩余的能量就很小，以致通過第二柵極后已不足以克服拒斥電場(chǎng)而被折回到第二柵極，這時(shí)，通過微電流計(jì)的電流將顯著減小。實(shí)驗(yàn)時(shí)，使VG2K電壓逐漸增加并仔細(xì)觀察微電流計(jì)的電流指示，如果原子能級(jí)確實(shí)存在，而且基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)之間存在確定的能量差的話，就能觀察到如（圖5-2-4）所示的IA～VG2K曲線。該曲線反映了氬原子在KG2空間與電子進(jìn)行能量交換的情況。當(dāng)KG2空間電壓逐漸增加時(shí)，電子在KG2空間被加速而取得越來越大的能量。但起始階段，由于電壓較低，電子的能量較少，即使在運(yùn)動(dòng)過程中它與原子相碰撞也只有微小的能量交換（為彈性碰撞）。穿過第二柵極的電子所形成的電流IA將隨第二柵極電壓VG2K的增加而增大（圖5-2-4的Oa段）；當(dāng)KG2間的電壓達(dá)到氬原子的第一激發(fā)電位圖5-2-3夫蘭克-赫茲管管內(nèi)空間電位圖5-2-5DH4507A型夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)儀實(shí)物圖圖5-2-4夫蘭克-赫茲管IA—VG2K曲線所以板極電流將顯著減?。▓D5-2-4所示ab段）。隨著第二柵極電壓的增加，電子的能量也隨之增加，在與氬原子相碰撞后還留下足夠的能量，可以克服反向拒斥電場(chǎng)而達(dá)到板極A，這時(shí)電流又開始上升（bc段）。直到KG2間電壓是二倍氬原子的第一激發(fā)電位時(shí)，電子在KG2間又會(huì)二次碰撞而失去能量，因而又會(huì)造成第二次板極電流的下降（cd段），同理，凡在的地方板極電流IA都會(huì)相應(yīng)下跌，形成規(guī)則起伏變化的IA～V圖5-2-5DH4507A型圖5-2-4夫蘭克-赫茲管IA—VG2K曲線本實(shí)驗(yàn)就是要通過實(shí)際測(cè)量來證實(shí)原子能級(jí)的存在，并測(cè)出氬原子的第一激發(fā)電位（公認(rèn)值為U0＝11.5V）。原子處于激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的。在實(shí)驗(yàn)中被慢電子轟擊到第一激發(fā)態(tài)的原子要跳回基態(tài)，進(jìn)行這種反躍遷時(shí)，就應(yīng)該有eU0電子伏特的能量發(fā)射出來。反躍遷時(shí)，原子是以放出光量子的形式向外輻射能量。這種光輻射的波長(zhǎng)為(5-2-3)對(duì)于氬原子來說，λ=1081??！緦?shí)驗(yàn)儀器】1、DH4507A型夫蘭克圖5-2-6夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)原理圖DH4507A型夫蘭克—赫茲實(shí)驗(yàn)儀是一種智能型實(shí)驗(yàn)儀器（圖5-2-5），該實(shí)驗(yàn)儀需要依托微機(jī)和配套軟件來完成實(shí)驗(yàn)，可以對(duì)圖5-2-6夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)原理圖2、夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)儀普通型夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)用線路如圖5-2-6=1\*GB2⑴夫蘭克-赫茲管。這是一個(gè)具有雙柵結(jié)構(gòu)的柱面的充汞四極管。其工作溫區(qū)為100℃~210℃，在180℃時(shí)獲得明顯的第一譜峰。圖5-2-7加熱爐外形及面板圖1-極板；2-接地端；3-柵極；4、燈絲；5-燈絲陰極；6-控制柵極；7-感溫探頭；8-加熱爐電源=2\*GB2⑵加熱爐。加熱爐外形面板圖如圖5-2-7所示，加熱爐加熱溫度約400℃，爐內(nèi)保溫性好，溫度均勻。面板為實(shí)驗(yàn)用接線板圖5-2-7加熱爐外形及面板圖1-極板；2-接地端；3-柵極；4、燈絲；5-燈絲陰極；6-控制柵極；7-感溫探頭；8-加熱爐電源=3\*GB2⑶溫度控制儀。它由交流控溫電橋、交流放大器、相敏放大器、控溫執(zhí)行繼電器四部分組成。控溫范圍20℃~300℃，控溫精度±1℃，同時(shí)也能指示被控溫度大小。=4\*GB2⑷穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓電源輸出分為三組，均可調(diào)節(jié)。第一組作為燈絲電壓，第二組作為拒斥場(chǎng)電壓，第三組作為控制柵電壓。=5\*GB2⑸掃描電源。用以改變加速電壓Ua。輸出波形：鋸齒波、三角波。掃描方式：手動(dòng)、自動(dòng)。掃描電源上有電壓表指示掃描電壓大小。為使讀數(shù)精確，同時(shí)再外接一個(gè)量程200V的數(shù)字電壓表，指示該電壓大小。=6\*GB2⑹微電流放大器。該儀器是利用高輸入阻抗運(yùn)算放大器支撐的I-U變換器，可測(cè)量10-10A~10-8A的電流，在本實(shí)驗(yàn)用來測(cè)量板極電流。使用時(shí)電路中接入一個(gè)微安表，指示被測(cè)電流的相對(duì)大小。測(cè)量開始前調(diào)節(jié)“調(diào)零”旋鈕，使電流表指針指零。由于電流為電子流，應(yīng)將極性開關(guān)扳到“-”。【實(shí)驗(yàn)步驟】1、智能型夫蘭克—赫茲實(shí)驗(yàn)儀對(duì)氬原子能級(jí)的測(cè)量=1\*GB2⑴用示波器觀察IA—VG2K曲線=1\*GB3①將面板上的四對(duì)插座（燈絲電壓；第二柵壓VG2K；第一柵壓VG1K；拒斥電壓VG2A）按面板上的接線圖與電子管測(cè)試架上的相應(yīng)插座用專用連接線連好。將“信號(hào)輸出”及“同步輸出”與示波器相連?；蛑粚ⅰ靶盘?hào)輸出”與示波器相連，使用示波器的內(nèi)同步。微電流檢測(cè)器已在內(nèi)部連好。按“set”鍵+“>”鍵,使四組電壓加載，此時(shí)加載燈亮。=2\*GB3②加載10分鐘以后，按下“自動(dòng)/手動(dòng)”鍵，此時(shí)“自動(dòng)”燈點(diǎn)亮。=3\*GB3③此時(shí)第二柵壓值開始從0V到85.3V自動(dòng)掃描，共512個(gè)步進(jìn)值，每一伏有6個(gè)步進(jìn)值，一個(gè)步進(jìn)值為0.166V（顯示時(shí)的十位和個(gè)位按原值顯示，而小數(shù)點(diǎn)后一位的6個(gè)步進(jìn)值顯示為0.0，0.2，0.3，0.5，0.7和0.8），自動(dòng)掃描時(shí)，電流表的讀數(shù)應(yīng)不斷變化。=4\*GB3④調(diào)整示波器的幅度及掃描旋鈕，使其波形穩(wěn)定。在第二柵壓自動(dòng)掃描時(shí)，可在示波器上觀察到實(shí)時(shí)生成的六個(gè)峰，在自動(dòng)掃描完成后，這六個(gè)峰仍穩(wěn)定地顯示在屏幕上，若要清除這六個(gè)峰，可在手動(dòng)方式下按“set”鍵+“自動(dòng)/手動(dòng)”鍵。=5\*GB3⑤在自動(dòng)掃描時(shí)，可按“set”鍵+“10-6”鍵，以改變掃描的速度。掃描的速度共分為三檔：低、中、高。開機(jī)缺省設(shè)置為高。=6\*GB3⑥若要進(jìn)行下一次自動(dòng)掃描，可按“自動(dòng)/手動(dòng)”鍵，轉(zhuǎn)到手動(dòng)方式，再按“set”鍵+“自動(dòng)/手動(dòng)”鍵,清除上次掃描得到的數(shù)據(jù)，再按“自動(dòng)/手動(dòng)”鍵轉(zhuǎn)到自動(dòng)掃描。=2\*GB2⑵用微機(jī)測(cè)量=1\*GB3①將實(shí)驗(yàn)儀與微機(jī)相連。=2\*GB3②在“自動(dòng)”測(cè)試時(shí)，第二柵壓值從0V到85.3V自動(dòng)掃描，這時(shí)電流表示數(shù)也不斷地有規(guī)律的變化，然后在電腦中進(jìn)入“夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)”界面，再單擊“設(shè)置”→“工作方式”→“自檢”，此時(shí)屏幕上出現(xiàn)一小段曲線，表示夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)儀工作基本正常。=3\*GB3③單擊“設(shè)置”→“工作方式”→“正常操作”，然后單擊一下“發(fā)送”，再單擊一下“畫圖”，這時(shí)屏幕上就出現(xiàn)實(shí)際采集到的爬坡曲線。若爬坡曲線不太理想，可進(jìn)行“放大”或“縮小”操作，這些操作不影響氬原子第一激發(fā)電位的測(cè)量。=4\*GB3④在爬坡曲線上，從左到右點(diǎn)擊六個(gè)峰值(或谷值)，再點(diǎn)擊一下“手動(dòng)計(jì)算”，這時(shí)屏幕的下邊及右面的“采樣值及結(jié)果”中立即顯示出計(jì)算結(jié)果。=5\*GB3⑤選擇“設(shè)置”→“工作方法”→“掃描速率”中的“高”、“中”、“低”三檔中的一檔，再點(diǎn)擊“發(fā)送”，以改變第二柵壓的掃描速率。=6\*GB3⑥可將采集到的爬坡曲線存盤（應(yīng)取一個(gè)名字：xxx.dat)或從硬盤中調(diào)出?？蓪⒄麄€(gè)屏幕全部打印出來。=7\*GB3⑦還可對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行各種操作，如更改“編號(hào)”，“姓名”，增加記錄等。尤其可在“采樣值及結(jié)果”的文本框中加入各種文字說明。2、普通型夫蘭克—赫茲實(shí)驗(yàn)儀對(duì)汞原子能級(jí)的測(cè)量=1\*GB2⑴接線和檢查線路：參考圖5-2-6電路接線，將各電壓調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)整到電壓最??；檢查控溫儀與加熱爐之間的連線。請(qǐng)教師檢查后，方可通電。=2\*GB2⑵加熱爐和微電流放大器通電：根據(jù)實(shí)驗(yàn)室給定的爐溫控制值，在控溫儀上預(yù)置爐溫值，接通加熱爐，控溫儀電源，同時(shí)開啟微電流放大器的電源。=3\*GB2⑶摸索實(shí)驗(yàn)條件，定性觀察IP—Ua變化情況：開啟穩(wěn)壓電源和掃描電源。根據(jù)給定的Uf、UG、UR控制值，先預(yù)置一組數(shù)。掃描電源置“手動(dòng)”。緩慢增加Ua，觀察板極電流IP的變化情況，此時(shí)應(yīng)看到IP的起伏變化。分別改變Uf、UG、UR及爐溫值，觀察每個(gè)參量對(duì)IP-Ua曲線的影響。最后，要求隨著Ua的增加能觀察到IP有8—10個(gè)峰，峰與谷差別應(yīng)比較明顯，最大峰值應(yīng)接近于電流的滿量程處，但不要過載并且在三五分鐘時(shí)間內(nèi)IP—Ua變化規(guī)律無明顯改變。在改變條件過程中，要注意以下幾點(diǎn)：①每個(gè)參量不能超過最大允許值；②電流表不要過載；③Uf和爐溫改變時(shí)，對(duì)IP的影響有一段滯后時(shí)間，不要一下子改變很多。每改變一次，等2min~3min再觀察IP的變化；④若電流IP迅速增大，表明汞原子已明顯電離，此時(shí)應(yīng)減小Ua；⑤有時(shí)掃描電源也可置于“自動(dòng)”，周期選用“40s”。=4\*GB2⑷測(cè)量IP-Ua曲線：在得到了滿足=3\*GB2⑶中要求的最佳條件，并待IP-Ua變化規(guī)律也已穩(wěn)定后，可開始逐點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)。利用“手動(dòng)”掃描方式，緩慢增加UA，從0V到60V左右，逐點(diǎn)記錄Ua及相應(yīng)的IP值。合理選擇測(cè)量間隔，峰值點(diǎn)附近測(cè)量點(diǎn)要多些。=5\*GB2⑸利用“自動(dòng)”掃描方式和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得IP—Ua曲線。【數(shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)處理】1、智能型實(shí)驗(yàn)儀對(duì)氬原子能級(jí)的測(cè)量=1\*GB2⑴自動(dòng)操作時(shí)，觀察示波器所畫出的完整的曲線，根據(jù)曲線特點(diǎn)確認(rèn)原子能級(jí)的存在。=2\*GB2⑵與微機(jī)相連后在微機(jī)上觀察（描繪）IA～VG2K曲線，由微機(jī)計(jì)算出U0和λ及誤差。=3\*GB2⑶由打印機(jī)打印最后結(jié)果。2、普通型實(shí)驗(yàn)儀對(duì)汞原子的測(cè)量=1\*GB2⑴自擬表格，記錄IP、Ua數(shù)值，IP要有8～10個(gè)峰。=2\*GB2⑵由前面的討論可知，IP-Ua曲線上相鄰兩峰值之間的電位差就是汞原子的第一激發(fā)電位Ug。實(shí)驗(yàn)得到幾個(gè)峰值，用逐差法或線性擬合方法數(shù)據(jù)，可使Ug求得更準(zhǔn)確。計(jì)算方法自選。=3\*GB2⑶關(guān)于Ug的誤差，應(yīng)從測(cè)量過程中的隨機(jī)誤差和外接電壓表的儀器誤差兩方面來考慮。希望同學(xué)們能自己計(jì)算出?Ug值。數(shù)字電壓表精度為0.1%U0.1V?！咀⒁馐马?xiàng)】1、各對(duì)插線應(yīng)一一對(duì)號(hào)入座，切不可插錯(cuò)，否則會(huì)損壞電子管或儀器，連好后至少檢查三遍。2、燈絲電壓不要超過4.5V；第二柵壓不要超過86V。3、盡量避免使各組電源線短路。4、實(shí)驗(yàn)結(jié)束后切斷電源，保管好被測(cè)電子管?！舅伎碱}】1、如何確認(rèn)原子能級(jí)的存在？2、根據(jù)IA～VG2K曲線怎么測(cè)出氬原子的第一激發(fā)電位？3、為什么IP-Ua呈周期性變化？4、爐溫的大小直接影響管內(nèi)什么參量？5.3光學(xué)全息照相全息照相的基本原理是以波的干涉和衍射為基礎(chǔ)的。它的物理思想早在1948年就由伽博首先提出。但由于當(dāng)時(shí)缺乏相干性好的光源，因而幾乎沒有引起人們的注意。直到1960年激光器問世后，才使全息照相技術(shù)得到迅速發(fā)展，成為科學(xué)技術(shù)上一個(gè)嶄新的領(lǐng)域。由于全息照相比普通照相具有更多的優(yōu)點(diǎn)，所以在干涉計(jì)量、無損檢測(cè)、信息存儲(chǔ)與處理、遙感技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)和國防科研中獲得了極其廣泛的應(yīng)用。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?.了解光學(xué)全息照相的基本原理和它的主要特點(diǎn)。2.學(xué)習(xí)靜態(tài)全息照相的拍攝方法和有關(guān)技術(shù)。3.掌握全息圖再現(xiàn)物像的性質(zhì)和觀察方法。【實(shí)驗(yàn)原理】全息照相與全息照相技術(shù)照相是將物體上各點(diǎn)發(fā)出或反射的光記錄在感光材料上,由光的波動(dòng)理論知道,光波是電磁波,一列單色波可表示為式中,為振幅,為圓頻率,為波長(zhǎng),為波源的初相位,一個(gè)實(shí)際物體發(fā)射或反射的光波比較復(fù)雜,但是一般可以看成是由許多不同頻率的單色光光波的疊加因此,任何一定頻率的光波都包含著振幅和相位()兩類信息.光在傳播過程中,借助于它們的頻率、振幅和相位來區(qū)別物體的顏色(頻率)、明暗（振幅平方）、形狀和遠(yuǎn)近（相位）。普通照相是通過成像系統(tǒng)（照相機(jī)鏡頭）使物體成像在感光材料上，材料上的感光強(qiáng)度只與物體表面強(qiáng)度分布有關(guān)，因?yàn)楣鈴?qiáng)與振幅平方成正比，所以它只記錄了光波的振幅信息，無法記錄物體光波的相位差別。因此，普通照相記錄的只能是物體的一個(gè)二維平面像，缺乏立體感。全息照相不僅記錄了物體發(fā)出或反射的光波的振幅信息，而且把光波的相位信息也記錄下來，所以全息照相技術(shù)所記錄的并不是普通幾何光學(xué)方法形成的物體像，而是物體發(fā)出或反射光的光波本身。它記錄了光波的全部信息，而且在一定條件下，能將所記錄的全部信息完全再現(xiàn)出來，因而再現(xiàn)的物像是一個(gè)逼真的三維立體像。全息照相包含兩個(gè)過程：第一，把物體光波的全部信息記錄在感光材料上，稱為記錄（拍攝）過程。第二，照明已被記錄下全部信息的感光材料，使其再現(xiàn)原始物體的光波，稱為再現(xiàn)過程。全息照相的基本原理是以波的干涉為基礎(chǔ)的，所以除光波外，對(duì)其他的波動(dòng)過程如聲波、超聲波等也都適用。2．全息照相的基本過程—記錄和再現(xiàn)=1\*GB2⑴、全息照相記錄過程的原理—光的干涉怎樣才能把物光的全部信息同時(shí)記錄下來呢？由物理光學(xué)可知，利用干涉的方法，以干涉條紋的形式就可以記錄物光的全部信息。圖5-3-1是記錄過程中所使用的光路。相干性極好的氦氖激光器發(fā)出激光束，通過分束鏡分成兩束，其中一束光經(jīng)反射鏡反射，再由擴(kuò)束鏡將光束擴(kuò)大后均勻地照射到被射物體D上，圖5-3-1全息光路圖經(jīng)物體表面反射（或透射）后再照射到感光材料（實(shí)驗(yàn)中用全息感光膠片）H上，一般稱這束光為物光；另一束光經(jīng)反射鏡反射，擴(kuò)束后，直接均勻地照射到H上，一般稱這束光為參考光。這兩束光在膠片H上疊加干涉，出現(xiàn)了許多明暗不同的條紋、小斑點(diǎn)等干涉圖樣，被膠片H記錄下來，再經(jīng)過顯影、定影等處理，成了一張有干涉條紋的“全息照片”（或稱全息圖）。干涉圖樣的形狀反映了物光和參考光之間的相位關(guān)系。干涉條紋明暗對(duì)比程度（稱為反差）反映了光的強(qiáng)度，干涉條紋的疏密則反映了物光和參考光的夾角情況。圖5-3-1全息光路圖=2\*GB2⑵、全息照相再現(xiàn)過程的原理——光的衍射圖5-3-2全息再現(xiàn)圖圖5-3圖5-3-3不同方位的全息再現(xiàn)圖5-3-4不同角度觀察同一張全息圖的效果再現(xiàn)過程的觀察光路如圖5-3-2所示。一束從特定的方向或原來參考光方向相同的激光束（通常稱為再現(xiàn)光）照射全息圖。全息圖上每一組干涉條紋相當(dāng)于一個(gè)復(fù)雜的光柵，它使再現(xiàn)光發(fā)生衍射。我們沿著衍射方向透過全息圖朝原來被攝物的方位觀察時(shí)，就可以看到一個(gè)完全逼真的三維立體圖像。為討論方便起見，取全息圖上某一小區(qū)域ab為例，同時(shí)把再現(xiàn)光看成是一束平行光，且垂直照射于全息圖上。如圖5-3-3所示。按光柵衍射原理，再現(xiàn)光將發(fā)生衍射，其+1級(jí)衍射光是發(fā)散光；與物體在原來位置時(shí)發(fā)出的光波完全一樣，將形成一虛像，與原物體完全相同，稱為真像；-1級(jí)衍射光是會(huì)聚光，將形成一個(gè)共軛實(shí)像，稱為贗像。3．全息圖的主要特點(diǎn)和應(yīng)用=1\*GB2⑴、全息圖的視覺特性：全息圖再現(xiàn)的被攝物體是一幅完全逼真的三維立體圖像。因此，當(dāng)我們移動(dòng)眼睛從不同角度去觀察時(shí)，就好象面對(duì)原物體一樣，可看到原來被遮住的側(cè)面，圖5-3-4就是從不同角度去觀察同一張全息圖時(shí)的立體視覺效果。=2\*GB2⑵、全息圖的可分割性：全息圖上的任一小區(qū)域都分別記錄了從同一物點(diǎn)發(fā)出的不同傾角的物光信息。因此，通過全息圖的任一碎片仍能再現(xiàn)出完整的物像。=3\*GB2⑶、全息圖的多重記錄性：在一次全息照相拍攝曝光后，只要稍微改變感光膠片的方位，如轉(zhuǎn)過一定角度，或改變參考光的入射方向，就可以在同一張感光膠片上進(jìn)行第二次、第三次的重疊記錄。再現(xiàn)時(shí)，只要適當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)全息圖即可獲得各自獨(dú)立互不干涉的圖像。由于全息照相技術(shù)具有上述獨(dú)特的特點(diǎn)。所以，在各個(gè)領(lǐng)域中已得到較廣泛的應(yīng)用。如利用全息圖的立體視覺特性，可做三維顯示、立體廣告、立體電影、立體電視等，利用全息圖的可分割性和多重記錄特性，可做信息存儲(chǔ)、全息干涉計(jì)量、振動(dòng)頻譜分析、無損檢測(cè)和測(cè)量位移、應(yīng)力、應(yīng)變等。4．拍攝系統(tǒng)的技術(shù)要求為了拍攝合乎要求的全息圖，對(duì)拍攝系統(tǒng)有一定的技術(shù)要求。=1\*GB2⑴、對(duì)于全息照相的光學(xué)系統(tǒng)，要求有特別高的機(jī)械穩(wěn)定性。如果物光和參考光的光程稍有不規(guī)則的變化，就會(huì)使干涉圖樣模糊不清。而且地面震動(dòng)而引起工作臺(tái)面的震動(dòng)，光學(xué)元件及物體夾得不牢固而引起的抖動(dòng)，強(qiáng)烈聲波震動(dòng)而引起空氣密度的變化等，都會(huì)引起干涉條紋的不規(guī)則漂移而使圖像模糊。因此，拍攝系統(tǒng)必須安裝在具有防振裝置的平臺(tái)上，系統(tǒng)中光學(xué)元件和各種支架都要用磁鋼牢固地吸在鋼板上。在曝光過程中，人們不要走動(dòng)，不要高聲說話，以保證干涉條紋無漂移。=2\*GB2⑵、要有好的相干光源。一般實(shí)驗(yàn)中常采用氦氖激光器作為光源。同時(shí)物光和參考光的光程差要符合相干條件。一般常使兩者光程大致相等。=3\*GB2⑶、物光和參考光的光強(qiáng)比要合適。一般以1：4到1：10為宜；兩者間的夾角小于45°，因?yàn)閵A角越大，干涉條紋間距越?。粭l紋越密，對(duì)感光材料分辨率的要求越高?！緦?shí)驗(yàn)儀器】全息實(shí)驗(yàn)臺(tái)（包括激光源及各種鏡頭支架、載物臺(tái)、底片夾等部件和固定這些部件所用的磁鋼）、全息照相感光膠片（全息干版）、暗室沖洗膠片的器材等。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1．漫反射全息圖的拍攝=1\*GB2⑴、光路的調(diào)整：按圖5-3-1光路放置各元器件，并作如下調(diào)整：①使各元器件共軸；②使參考光均勻照亮膠片夾上白紙屏，使入射光均勻照明被射物體，其漫反射光能照射到白紙屏上，調(diào)節(jié)兩束光的夾角約30°；③使物光和參考光的光程大致相等（關(guān)于合適的光強(qiáng)比問題，實(shí)驗(yàn)室已根據(jù)被攝物的情況在選擇分束鏡時(shí)一起考慮到了）。=2\*GB2⑵、曝光、拍攝：①根據(jù)物光和參考光的總光強(qiáng)確定曝光時(shí)間（實(shí)驗(yàn)室提供參考時(shí)間）；②關(guān)閉所有光源，在全暗條件下輕輕地將膠片裝在膠片夾上（先取下夾上白紙屏），然后稍等片刻；③打開激光光源進(jìn)行自動(dòng)定時(shí)曝光，然后關(guān)閉激光光源，取下膠片仍用黑布包好。2.膠片的沖洗在照相暗室中，按暗室操作技術(shù)規(guī)定進(jìn)行顯影、停影、定影、水洗及冷風(fēng)干燥等工作。白熾燈下觀看時(shí)，若有干涉條紋，說明拍攝沖洗成功。3．再現(xiàn)像的觀察按照?qǐng)D5-3-2光路觀察再現(xiàn)的虛像（真像）。觀察時(shí)，注意比較再現(xiàn)虛像的大小、位置與原物的情況，體會(huì)全息圖的立體視覺效果。再通過小孔觀察再現(xiàn)虛像，并改變小孔覆蓋在全息圖上的位置，體會(huì)全息圖的可分割性。詳細(xì)記錄觀察結(jié)果?！咀⒁馐马?xiàng)】1．所有光學(xué)元件不能用手摸、擦，必要時(shí)用專用擦鏡紙輕輕擦拭。2．不要用眼睛直接對(duì)準(zhǔn)激光束觀察。3．遵守暗室操作流程?！舅伎碱}】1．全息照相與普通照相有那些不同？全息圖的主要特點(diǎn)是什么？2．繪出拍攝全息圖的基本光路，說明拍攝時(shí)的技術(shù)要求。3．如何獲得全息圖再現(xiàn)像？5.4核磁共振實(shí)驗(yàn)核磁共振就是指處在某個(gè)靜磁場(chǎng)中的物質(zhì)的原子核系統(tǒng)受到相應(yīng)頻率的電磁波作用，在它們的磁能級(jí)之間發(fā)生的共振躍遷現(xiàn)象。核磁共振技術(shù)現(xiàn)已發(fā)展成為物理學(xué)的重要分支學(xué)科，稱為核磁共振波譜學(xué)。它是通過對(duì)原子的核磁共振譜線特征來分析原子核的性質(zhì)及所處的環(huán)境，從而了解原子核所在物質(zhì)（分子）的性質(zhì)，進(jìn)而確定分子結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用在醫(yī)療診斷方面。本實(shí)驗(yàn)是以氫核H1為對(duì)象來研究原子核的核磁共振規(guī)律的。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、了解核磁共振現(xiàn)象的原理和實(shí)驗(yàn)方法。2、用穩(wěn)態(tài)吸收法（即掃場(chǎng)法）測(cè)量氫核H1的共振頻率及穩(wěn)恒磁場(chǎng)的B。【實(shí)驗(yàn)原理】具有磁矩的原子核相當(dāng)于一個(gè)以磁矩方向?yàn)檩S的磁陀螺，正如電子一樣，原子核也具有自旋，其自旋角動(dòng)量為（5-4-1）其中I為核自旋量子數(shù)，只與核的種類有關(guān)，如氫核的（h為普朗克常數(shù)）。因核內(nèi)存在電荷，具有自旋角動(dòng)量的原子核，同時(shí)還具有核自旋磁矩，二者皆為矢量。根據(jù)經(jīng)典電磁理論，和的關(guān)系為（5-4-2）式中為旋磁比，其大小和符號(hào)決定于核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特性。換句話說，只是一個(gè)與該核有關(guān)的常量，例如氫核（質(zhì)子）的旋磁比=（2.6752213±0.0000008）×108s-1·T-1。根據(jù)量子理論，若原子核處在外磁場(chǎng)中，核自旋角動(dòng)量對(duì)于特定磁場(chǎng)方向的取向也是量子化的。如圖5-4-1所示，若以的方向?yàn)閦軸正方向，用表示在z軸上的投影，則（5-4-3）圖5-4-1核自旋角動(dòng)量示意圖圖5-4-2圖5-4-1核自旋角動(dòng)量示意圖圖5-4-2核能級(jí)在磁場(chǎng)中的分裂在電磁學(xué)中，我們知道核自旋磁矩和恒定磁場(chǎng)的相互作用能為（5-4-4）而E相附加在原來的核能級(jí)上就造就了核能級(jí)在磁場(chǎng)中的分裂。以氫核為例，因，如圖5-4-2所示，原有的核能級(jí)E就分裂為兩個(gè)子能級(jí)和，即有（5-4-5）兩個(gè)子能級(jí)間的能量間隔為（5-4-6）如果在垂直于B的方向同時(shí)再加一交變射頻磁場(chǎng)，即，并且其量子能量剛好等于兩相鄰子能級(jí)的能級(jí)差，根據(jù)量子力學(xué)的選擇定則，處于低子能級(jí)（例如）上的原子核就將吸收交變磁場(chǎng)的能量，躍遷到高子能級(jí)(例如)，這種躍遷稱作為核磁共振躍遷?？梢?，核磁共振就是原子核在外磁場(chǎng)和與之垂直的射頻磁場(chǎng)同時(shí)作用下且滿足一定條件時(shí)所產(chǎn)生的共振。這個(gè)條件就是即（5-4-7）式中稱作共振頻率，其大小取決于與該核有關(guān)的常量和外磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。1、實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)中，樣品放在探測(cè)線圈中，由邊限振蕩器的探測(cè)線圈測(cè)出核磁共振吸收信號(hào)。所謂邊限振蕩器實(shí)質(zhì)上是處于接近臨界狀態(tài)的振蕩器，若探測(cè)線圈的品質(zhì)因數(shù)值（取決于電路參數(shù)R、L、C的大?。┞晕⒆兓?，振蕩器的輸出就有明顯變化。探測(cè)線圈既向樣品提供交變射頻磁場(chǎng)（其方向與待測(cè)磁場(chǎng)方向相互垂直），又能探測(cè)樣品對(duì)交變場(chǎng)的能量吸收。其原理是：在共振狀態(tài)附近，由于樣品吸收交變場(chǎng)的能量發(fā)生核磁共振，樣品的磁化率分量的大小發(fā)生變化，這就使探測(cè)線圈的電感L也跟著發(fā)生變化，從而使探測(cè)線圈的值有所改變，結(jié)果導(dǎo)致邊限振蕩器的輸出幅度發(fā)生變化。通過探測(cè)電路將此變化在示波器上顯示出來，就可觀測(cè)到核磁共振的吸收信號(hào)。在本實(shí)驗(yàn)中我們采用掃場(chǎng)法。這種方法的外磁場(chǎng)是由兩部分構(gòu)成：一是永久磁鐵形成恒定的均勻強(qiáng)磁場(chǎng)；另一部分是借助調(diào)壓器在掃場(chǎng)線圈中通以50HZ交流電，從而形成一個(gè)方向與平行、幅度可調(diào)的掃描磁場(chǎng)，即(使)。其結(jié)果，沿的方向作用到樣品上的外磁場(chǎng)為。顯然，是以恒定值B為中心值的掃描磁場(chǎng)，和分別是掃描磁場(chǎng)的振幅和頻率。相應(yīng)的樣品的核磁共振頻率為（5-4-8）令（5-4-9）則式（5-4-8）可改寫為（5-4-10）應(yīng)指出，不要混淆和，是與恒定的磁場(chǎng)B相聯(lián)系的共振頻率，為一恒定值，而則是一個(gè)變量。樣品在強(qiáng)外磁場(chǎng)B（t）的作用下，由式（5-4-8）表示的共振頻率曲線和邊限振蕩器的頻率特性曲線如圖5-4-3所示，的大小手動(dòng)可調(diào)。圖5-4-5核磁共振的線型與尾波圖5-4-3樣品的共振頻率和邊限振蕩器輸出的頻率圖5-4-4核磁共振信號(hào)曲線當(dāng)樣品的共振頻率的數(shù)值隨時(shí)間一旦變化到與邊限振蕩器的輸出頻率相等時(shí)，樣品就處于共振狀態(tài)。兩圖線的交點(diǎn)，即為共振點(diǎn)，由此可以得出共振信號(hào)在示波器屏幕上的位置，如圖5-4-4所示。這表明在樣品的共振頻率變化的一個(gè)周期內(nèi)，示波器屏幕上一般可以看到兩個(gè)共振信號(hào)，而且分布不均勻。由于這時(shí)≠，因此圖5-4-5核磁共振的線型與尾波圖5-4-3樣品的共振頻率和邊限振蕩器輸出的頻率圖5-4-4核磁共振信號(hào)曲線圖5-4-6核磁共振實(shí)驗(yàn)儀實(shí)物圖圖5-4-6核磁共振實(shí)驗(yàn)儀實(shí)物圖圖5-4-7電磁鐵結(jié)構(gòu)示意圖1-線圈引出端；2-線圈引出端；3-勵(lì)磁線圈；4-電磁鐵鐵芯；5-間隙：6-手柄。5-4-8邊限振蕩器后面板圖5-4-9邊限振蕩器1-探頭；2-航空線；3-電源指示燈；4-射頻調(diào)節(jié)(粗調(diào))旋鈕；5-射頻調(diào)節(jié)(細(xì)調(diào))旋鈕圖5-4-7電磁鐵結(jié)構(gòu)示意圖1-線圈引出端；2-線圈引出端；3-勵(lì)磁線圈；4-電磁鐵鐵芯；5-間隙：6-手柄。5-4-8邊限振蕩器后面板圖5-4-9邊限振蕩器1-探頭；2-航空線；3-電源指示燈；4-射頻調(diào)節(jié)(粗調(diào))旋鈕；5-射頻調(diào)節(jié)(細(xì)調(diào))旋鈕；6-射頻信號(hào)輸出；7-共振信號(hào)輸出；8-射頻幅度調(diào)節(jié)旋鈕；9-振蕩幅度指示表；10-高度調(diào)節(jié)螺絲圖11-探頭接口；12-三芯航空插頭；13-接地線?！緦?shí)驗(yàn)儀器】1、HLD-NMR-II型核磁共振實(shí)驗(yàn)儀HLD-NMR-II型核磁共振實(shí)驗(yàn)儀實(shí)物圖如圖5-4-6所使。需要指出的是掃描電源輸出端除有交流的掃描電壓（0～10V）2、電磁鐵結(jié)構(gòu)電磁鐵結(jié)構(gòu)示意圖如5-4-73、邊限振蕩器邊限振蕩器如圖5-4-8和圖5-4-9，標(biāo)號(hào)功能見圖注。圖5-4-10圖5-4-10磁場(chǎng)掃描電源圖5-4-111-掃描幅度調(diào)節(jié)旋鈕；2-電源開關(guān)；3-掃描輸出；4-X軸輸出；5-X軸幅度調(diào)節(jié)旋鈕；6-X軸相位調(diào)節(jié)旋鈕；7-掃描輸出電壓指示表頭；8-電源指示燈；9-三芯航空插頭；10-電源插頭掃描電源如圖5-4-10和圖5-4-11所示，各標(biāo)號(hào)功能見圖注。【實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1、實(shí)驗(yàn)步驟=1\*GB2⑴將“掃描電源”的‘掃描輸出’兩個(gè)輸出端，接磁鐵的接線柱上?！皰呙桦娫础北澈蟮暮娇战宇^與邊限振蕩器的接頭連接，將“X軸輸出”用同軸線接到示波器的CH1或CH2通道。=2\*GB2⑵將“邊限振蕩器”的‘共振信號(hào)輸出’用同軸線接示波器CH1通道或CH2通道(但在觀測(cè)李薩如圖形時(shí)要接CH2通道)?！邦l率輸出”用同軸線接頻率計(jì)的A通道(頻率計(jì)的通道選擇:A通道，即1Hz--100MHz;FUCTION選擇：FA；GATETIME選擇1S)。=3\*GB2⑶將“掃描電源”的‘掃描輸出’順時(shí)針調(diào)至接近最大(旋至最大后，再往回旋半圈；因?yàn)樽畲髸r(shí)電位器電阻為零，輸出短路因而對(duì)儀器有一定損傷)，這樣可以加大捕捉信號(hào)的范圍。=4\*GB2⑷將樣品放入探頭中并將其置于磁鐵中。調(diào)節(jié)“邊限振蕩器”的頻率‘粗調(diào)’電位器，將頻率調(diào)節(jié)至初步估計(jì)的共振頻率，然后再用調(diào)節(jié)頻率‘細(xì)調(diào)’旋鈕，在此附近捕捉信號(hào)；調(diào)節(jié)旋鈕時(shí)要慢，因?yàn)楣舱穹秶浅Ｐ。苋菀滋^。=5\*GB2⑸調(diào)出共振信號(hào)后，降低掃描幅度，調(diào)節(jié)頻率‘微調(diào)’至信號(hào)等寬。同時(shí)調(diào)節(jié)樣品在磁鐵中的空間位置來得到幅度最大、尾波最多，馳豫時(shí)間最長(zhǎng)的共振信號(hào)。=6\*GB2⑹對(duì)于不同的測(cè)試材料射頻幅度隨樣品不同而不同。在初次調(diào)試時(shí)應(yīng)注意，否則信號(hào)太小不容易被觀測(cè)。表5-4-1部分樣品的馳豫時(shí)間T1樣品馳豫時(shí)間()最佳射頻幅度范圍CuSo4約0.1mS3-4V甘油約25mS0.5-2V=7\*GB2⑺李薩如圖形觀測(cè)。只要按下示波器上的‘X-Y’按鈕就可以觀測(cè)到李薩如圖形（如圖5-4-12所示）；當(dāng)調(diào)節(jié)‘X軸幅度’旋鈕及‘X軸相位’旋鈕時(shí)，信號(hào)就會(huì)有一定的變化。圖5-4-12李薩如圖形圖5-4-12=1\*GB2⑴觀察樣品的核磁共振信號(hào)（記錄數(shù)據(jù)和圖形）。=1\*GB3①調(diào)節(jié)邊限振蕩器的“頻率調(diào)節(jié)”旋鈕，使示波器上出現(xiàn)共振信號(hào)。=2\*GB3②固定提供掃場(chǎng)的調(diào)壓器輸出電壓為某一值,調(diào)節(jié)邊限振蕩器的“頻率調(diào)節(jié)”旋鈕改變邊限振蕩器的頻率，觀察示波器上共振信號(hào)的變化，并記下相應(yīng)的掃場(chǎng)電壓V，邊限振蕩器頻率（由頻率計(jì)讀出）值。=2\*GB2⑵測(cè)量穩(wěn)恒磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度=1\*GB3①將樣品放入永磁鐵的磁場(chǎng)最強(qiáng)處，可左右移動(dòng)邊限振蕩器鐵盒，觀察示波器上共振信號(hào)波形，當(dāng)波形尾波最多時(shí)，樣品即在磁場(chǎng)最強(qiáng)處。=2\*GB3②調(diào)節(jié)邊限振蕩器的“頻率調(diào)節(jié)”旋鈕使共振信號(hào)等間距。=3\*GB3③讀頻率計(jì)記下此時(shí)的頻率值。=4\*GB3④將信號(hào)調(diào)離等間距重復(fù)以上=2\*GB3②、=3\*GB3③步驟，此步驟進(jìn)行5次。求頻率的平均值。=5\*GB3⑤記下永磁鐵上的磁感應(yīng)強(qiáng)度。【數(shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)處理】表5-4-2射頻頻率測(cè)量次數(shù)頻率值平均值不確定度12345=1\*GB2⑴計(jì)算頻率的不確定度并正確表達(dá)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。=2\*GB2⑵由式計(jì)算穩(wěn)恒磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度B及其不確定度?！咀⒁馐马?xiàng)】1、掃描電源輸出端有120V左右的直流電壓，請(qǐng)不要觸摸?！舅伎碱}】1、如何確定對(duì)應(yīng)于磁場(chǎng)B時(shí)核磁共振的共振頻率。2、不加掃描電壓能否觀察到掃描信號(hào)？5.5智能型光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀測(cè)普朗克常數(shù)19世紀(jì)末，物理學(xué)已經(jīng)在力、熱、電、光等領(lǐng)域建立了完整的理論體系，在應(yīng)用上也取得巨大成果之時(shí)，物理學(xué)家普遍認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到頂峰，實(shí)驗(yàn)上卻出現(xiàn)了一系列重大發(fā)現(xiàn)，光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)就是其中之一。1905年愛因斯坦提出了光的量子學(xué)說，成功地對(duì)光電效應(yīng)現(xiàn)象作出正確地解釋，從而揭開了現(xiàn)代物理學(xué)革命的序幕。光電效應(yīng)是指一定頻率的光照射在金屬表面時(shí)會(huì)有電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象。光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)于認(rèn)識(shí)光的本質(zhì)及早期量子理論的發(fā)展具有里程碑式的意義。今天，光電效應(yīng)已在數(shù)字技術(shù)、自動(dòng)控制等方面得以廣泛應(yīng)用。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹苛私夤怆娦?yīng)的規(guī)律，加深對(duì)光的量子性的理解。測(cè)量普朗克常數(shù)。描繪光電管的伏安特性曲線。【實(shí)驗(yàn)原理】圖5-5-1光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)曲線光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)原理如圖5-5-1中的圖1所示。入射光照射到光電管陰極K上，產(chǎn)生的光電子在電場(chǎng)的作用下向陽極A遷移形成光電流，改變外加電壓，測(cè)量出光電流圖5-5-1光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)曲線光電效應(yīng)的基本實(shí)驗(yàn)如下：=1\*GB2⑴、對(duì)應(yīng)于某一頻率，光電效應(yīng)的關(guān)系如圖5-5-1中的圖2所示。從圖中可見，對(duì)一定的頻率，有一電壓與其對(duì)應(yīng)，當(dāng)時(shí)，電流為零，這個(gè)相對(duì)于陰極的負(fù)值電壓，被稱為截止電壓。=2\*GB2⑵、當(dāng)后，電流迅速增加，然后趨于飽和，飽和光電流的大小與入射光的強(qiáng)度成正比。=3\*GB2⑶、對(duì)于不同頻率的光，其截止電壓的值不同，如圖5-5-1中的圖3所示。圖5-30-1光電效應(yīng)原理及實(shí)驗(yàn)曲線=4\*GB2⑷、作截止電壓與頻率的關(guān)系曲線如圖5-5-1中的圖4所示。與成正比關(guān)系。當(dāng)入射光頻率低于某極限值，(隨不同金屬而異)時(shí)，不論光的強(qiáng)度如何，照射時(shí)間多長(zhǎng)，都沒有光電流產(chǎn)生。圖5-30-1光電效應(yīng)原理及實(shí)驗(yàn)曲線=5\*GB2⑸、光電效應(yīng)是瞬時(shí)效應(yīng)。即使入射光的強(qiáng)度非常微弱，只要頻率大于，在開始照射后立即有光電子產(chǎn)生，所經(jīng)過的時(shí)間至多為的數(shù)量級(jí)。按照愛因斯坦的光量子理論，光能并不像電磁波理論所想象的那樣，分布在波陣面上，而是集中在被稱之為光子的微粒上，但這種微粒仍然保持著頻率(或波長(zhǎng))的概念，頻率為的光子具有能量，為普朗克常數(shù)。當(dāng)光子照射到金屬表面上時(shí)，一次為金屬中的電子全部吸收，而無需積累能量的時(shí)間。電子把這些能量的一部分用來克服金屬表面對(duì)它的吸引力，余下的就變?yōu)殡娮与x開金屬表面后的動(dòng)能，按照能量守恒原理，愛因斯坦提出了著名的光電效應(yīng)方程：(5-5-1)式中，A為金屬的逸出功，為光電子獲得的初始動(dòng)能。由式5-5-1(5-5-2)陽極電位高于截止電壓后，隨著陽極電位的升高，陽極對(duì)陰極發(fā)射的電子的收集作用越強(qiáng)，光電流隨之上升；當(dāng)陽極電壓高到一定程度，已把陰極發(fā)射的光電子幾乎全收集到陽極，再增加時(shí)不再變化，光電流出現(xiàn)飽和，飽和光電流的大小與入射光的強(qiáng)度P成正比。光子的能量時(shí)，電子不能脫離金屬，因而沒有光電流產(chǎn)生。產(chǎn)生光電效應(yīng)的最低頻率(截止頻率)是。將上述兩式整理可得：(5-5-3)式5-5-3表明截止電壓是頻率的線性函數(shù)，直線斜率，只要用實(shí)驗(yàn)方法得出不同的頻率對(duì)應(yīng)的截止電壓，求出直線斜率，就可算出普朗克常數(shù)h?！緦?shí)驗(yàn)儀器】圖5-5圖5-5-2智能光電效應(yīng)(普朗克常數(shù))實(shí)驗(yàn)儀由汞燈及電源、濾色片、光闌、光電管、智能實(shí)驗(yàn)儀構(gòu)成，儀器結(jié)構(gòu)如圖5-5-2ZKY-GD-4智能光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀面板共分12個(gè)區(qū)，如圖5-5-3圖5-5-3儀器面板圖區(qū)(1)是電流量程調(diào)節(jié)及指示，有10—8A、10—9A、10—10A圖5-5-3區(qū)(2)是復(fù)用區(qū)，用于電流指示和自動(dòng)掃描起始電壓設(shè)置指示復(fù)用：當(dāng)實(shí)驗(yàn)儀處于測(cè)試狀態(tài)或查詢狀態(tài)時(shí)，區(qū)(2)是電流指示區(qū)；當(dāng)實(shí)驗(yàn)儀處于設(shè)置自動(dòng)掃描電壓時(shí)，區(qū){2)是自動(dòng)掃描起始電壓設(shè)置指示區(qū)；四位七段數(shù)碼管指示電流或電壓值。區(qū)(3)是復(fù)用區(qū)，用于電壓指示、自動(dòng)掃描終止電壓設(shè)置指示和調(diào)零狀態(tài)指示復(fù)用：當(dāng)實(shí)驗(yàn)儀處于測(cè)試狀態(tài)或查詢狀態(tài)時(shí)，區(qū)(3)是電壓指示區(qū)；當(dāng)實(shí)驗(yàn)儀處于設(shè)置自動(dòng)掃描電壓時(shí)，區(qū)(3)是自動(dòng)掃描終止電壓設(shè)置指示區(qū)；當(dāng)實(shí)驗(yàn)儀處于調(diào)零狀態(tài)時(shí)，區(qū){3)是調(diào)零狀態(tài)指示區(qū)，顯示四位七段數(shù)碼管指示電壓值。區(qū)(4)是實(shí)驗(yàn)類型選擇區(qū)：當(dāng)綠燈亮?xí)r，實(shí)驗(yàn)儀選擇伏安特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)：當(dāng)紅燈亮?xí)r，實(shí)驗(yàn)儀選擇截止電壓測(cè)試實(shí)驗(yàn)。區(qū)=5\*GB2⑸是調(diào)零狀態(tài)區(qū)，用于系統(tǒng)調(diào)零。區(qū)(6)、區(qū)(8)是示波器連接區(qū)。區(qū)(6)、區(qū)(8)可將信號(hào)送示波器顯示。區(qū)(7)是存貯區(qū)選擇區(qū)：通過按鍵選擇存貯區(qū)。區(qū)=9\*GB2⑼是復(fù)用區(qū)，用于調(diào)零確認(rèn)和系統(tǒng)清零：當(dāng)實(shí)驗(yàn)儀處于調(diào)零狀態(tài)時(shí)，按下此鍵則跳出調(diào)零狀態(tài)；當(dāng)實(shí)驗(yàn)儀處于測(cè)試狀態(tài)或查詢狀態(tài)時(shí)，按下此鍵系統(tǒng)清零，重新啟動(dòng)，并進(jìn)入調(diào)零狀態(tài)。區(qū)=10\*GB2⑽是電壓調(diào)節(jié)區(qū)：通過按鍵調(diào)節(jié)電壓。區(qū){11)是工作狀態(tài)指示選擇區(qū)：用于選擇及指示實(shí)驗(yàn)儀工作狀態(tài)；通信指示燈指示實(shí)驗(yàn)儀與計(jì)算機(jī)的通信狀態(tài)。區(qū){12)是電源開關(guān)。注意：=1\*GB2⑴儀器開機(jī)或變換電流量程時(shí)，必須對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)零。調(diào)零時(shí)，測(cè)試信號(hào)輸入線要與光電管暗盒斷開。=2\*GB2⑵、伏安特性測(cè)試時(shí)，電流檔位為；截止電壓測(cè)試時(shí)，電流檔位為。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟】1、測(cè)試前準(zhǔn)備：光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀、光電管、示波器或計(jì)算機(jī)主機(jī)由實(shí)驗(yàn)老師連接調(diào)試完畢后，學(xué)生完成以下實(shí)驗(yàn)：=1\*GB2⑴、將實(shí)驗(yàn)儀及汞燈電源接通(汞燈及光電管暗箱遮光蓋蓋上)，預(yù)熱20分鐘。=2\*GB2⑵、調(diào)整光電管與汞燈距離為約40cm并保持不變。=3\*GB2⑶、用專用連接線將光電管暗箱電壓輸入端與實(shí)驗(yàn)儀電壓輸出端(后面板上)連接起來(紅一紅，蘭一蘭)。=4\*GB2⑷、將“電流量程”選擇開關(guān)置于所選檔位，進(jìn)行測(cè)試前調(diào)零。實(shí)驗(yàn)儀在開機(jī)或改變電流量程后，都會(huì)自動(dòng)進(jìn)入調(diào)零狀態(tài)。調(diào)零時(shí)應(yīng)將光電管暗箱電流輸出端K與實(shí)驗(yàn)儀微