2024年北航物理實(shí)驗(yàn)-弗蘭克赫茲研究性實(shí)驗(yàn)報(bào)告

基礎(chǔ)物理研究性試驗(yàn)匯報(bào)弗蘭克赫茲試驗(yàn)第一作者： 第二作者：所在院系： 目錄摘要： 3Abstract 3一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?4二、 實(shí)驗(yàn)原理 41) 激發(fā)電位 42) 夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)的原理 5三、 實(shí)驗(yàn)儀器 7四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 71) 準(zhǔn)備工作 72) 氬元素的第一激發(fā)電位手動(dòng)測(cè)量 73) 氬元素的第一激發(fā)電位自動(dòng)測(cè)量 8五、 數(shù)據(jù)處理（手動(dòng)測(cè)量） 81) 燈絲電壓3.0V，第一柵極電壓1.5V，拒斥電壓9.0V 82) 燈絲電壓3.2V，第一柵極電壓1.5V，拒斥電壓9.0V 103) 燈絲電壓3.0V，第一柵極電壓1.0V，拒斥電壓9.0V 114) 燈絲電壓3.0V，第一柵極電壓1.5V，拒斥電壓8.0V 12六、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果探究 131) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析探究 132) 誤差來(lái)源分析探究 13七、 實(shí)驗(yàn)感想 14參考文獻(xiàn)： 14附： 15摘要：本研究性匯報(bào)以“弗蘭克赫茲試驗(yàn)”試驗(yàn)為深入研究探討的課題，簡(jiǎn)樸簡(jiǎn)介弗蘭克赫茲試驗(yàn)的基本原理以及操作環(huán)節(jié)等，重點(diǎn)進(jìn)行變化某個(gè)試驗(yàn)環(huán)節(jié)後試驗(yàn)的誤差分析，從而深入理解在試驗(yàn)過(guò)程中嚴(yán)格控制試驗(yàn)環(huán)節(jié)的對(duì)的性對(duì)試驗(yàn)成果的重要性，對(duì)此後誤差分析有一定的作用。關(guān)鍵詞：弗蘭克赫茲試驗(yàn)環(huán)節(jié)誤差A(yù)bstractThisresearchreport"FrankHertzexperiment"experimentsin-depthstudyofthethemes,abriefintroductionofthebasicprinciplesofFrankHertzexperimentandprocedure,focusingstepstochangeanexperimentexperimentalerroranalysis,andlearnmoreabouttheexperimentalprocedurestrictcontrolofthecorrectnessoftheexperimentalprocedureoftheimportanceoftheexperimentalresults,erroranalysisforthefuturehaveacertainrole.Keywords:FrankHertzexperimentsteperror試驗(yàn)?zāi)康?、理解弗蘭克--赫茲試驗(yàn)的原理和措施；2、學(xué)習(xí)測(cè)定氬原子的第一激發(fā)電位的措施；3、證明原子能級(jí)的存在，加強(qiáng)對(duì)能級(jí)概念的理解。試驗(yàn)原理激發(fā)電位玻爾提出的原子理論指出：（1）原子只能較長(zhǎng)地停留在某些穩(wěn)定狀態(tài)（簡(jiǎn)稱(chēng)為定態(tài)）。原子在這些狀態(tài)時(shí)，不發(fā)射或吸取能量：各定態(tài)有一定的能量，其數(shù)值是彼此分隔的。原子的能量不管通過(guò)什么方式發(fā)生變化，它只能從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)。（2）原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)而發(fā)射或吸取輻射時(shí)，輻射頻率是一定的。假如用Em和En分別代表有關(guān)兩定態(tài)的能量的話(huà)，輻射的頻率ν決定于如下關(guān)系：hν＝Em－En（1－1－1）式中，普朗克常數(shù)h=6．63×10-34J·s為了使原子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷，可以通過(guò)具有一定能量的電子與原子相碰撞進(jìn)行能量互換的措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。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的原電子與原子（例如拾幾種乇的氬原子）發(fā)生碰撞時(shí)，就會(huì)發(fā)生能量互換。如以E1代表氬原子的基態(tài)能量、E2代表氬原子的第一激發(fā)態(tài)能量，那么當(dāng)氬原子吸取從電子傳遞來(lái)的能量恰好為eU0=E2－E1（l－1－2）時(shí)，氬原子就會(huì)從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)。并且對(duì)應(yīng)的電位差稱(chēng)為氬的第一激發(fā)電位（或稱(chēng)氬的中肯電位）。測(cè)定出這個(gè)電位差U0，就可以根據(jù)（l－2－2）式求出氬原子的基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)之間的能量差了（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-赫茲試驗(yàn)的原理夫蘭克一赫茲試驗(yàn)的原理圖如圖一所示。在充氬的夫蘭克一赫茲管中，電子由熱陰極發(fā)出，陰極K和第二柵極G2之間的加速電壓UG2K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UG2A。管內(nèi)空間電位分布如圖二所示。當(dāng)電子通過(guò)KG2空間進(jìn)入G2A空間時(shí)，假如有較大的能量（≥eUG2A），就能沖過(guò)反向拒斥電場(chǎng)而抵達(dá)板極形成板極電流，為微電流計(jì)μA表檢出。假如電子在KG2空間與氬原子碰撞，把自已一部分能量傳給氬原子而使後者激發(fā)的話(huà)，電子自身所剩余的能量就很小，以致通過(guò)第二柵極後已局限性于克服拒斥電場(chǎng)而被折回到第二柵極，這時(shí)，通過(guò)微電流計(jì)μ試驗(yàn)時(shí)，使UG2K電壓逐漸增長(zhǎng)并仔細(xì)觀測(cè)電流計(jì)的電流指示，假如原子能級(jí)確實(shí)存在，并且基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)之間有確定的能量差的話(huà)，就能觀測(cè)到如圖三所示的IA～UG2K曲線(xiàn)。圖三所示的曲線(xiàn)反應(yīng)了氬原子在KG2空間與電子進(jìn)行能量互換的狀況。當(dāng)KG2空間電壓逐漸增長(zhǎng)時(shí)，電子在KG2空間被加速而獲得越來(lái)越大的能量。但起始階段，由于電壓較低，電子的能量較少，雖然在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中它與原子相碰撞也只有微小的能量互換（為彈性碰撞）。穿過(guò)第二柵極的電子所形成的板極電流IA將隨第二柵極電壓UG2K的增長(zhǎng)而增大（如圖三的oa段）。當(dāng)KG2間的電壓到達(dá)氬原子的第一激發(fā)電位Uo時(shí)，電子在第二柵極附近與氬原子相碰撞，將自已從加速電場(chǎng)中獲得的所有能量交給後者，并且使後者從基態(tài)激發(fā)到第一激發(fā)態(tài)。而電子自身由于把所有能量給了氬原子，雖然穿過(guò)了第二柵極也不能克服反向拒斥電場(chǎng)而被折回第二柵極（被篩選掉）。因此板極電流將明顯減?。▓D三所示ab段）．伴隨第二柵極電壓的增長(zhǎng)，電子的能量也隨之增長(zhǎng)，在與氬原子相碰撞後還留下足夠的能量，可以克服反向拒斥電場(chǎng)而到達(dá)板極A，這時(shí)電流又開(kāi)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)因二次碰撞而失去能量，因而又會(huì)導(dǎo)致第二次板極電流的下降（cd段），同理，凡在UGK2＝nUo（n＝1，2，3……）（1－1－3）的地方板極電流IA都會(huì)對(duì)應(yīng)下跌，形成規(guī)則起伏變化的IA～UGK2曲線(xiàn)。而各次板極電流IA下降相對(duì)應(yīng)的陰、柵極電壓差Un+1一Un應(yīng)當(dāng)是氬原子的第一激發(fā)電位Uo。.本試驗(yàn)就是要通過(guò)實(shí)際測(cè)量來(lái)證明原子能級(jí)的存在，并測(cè)出氬原子的第一激發(fā)電位（公認(rèn)值為Uo＝11.61V）。原子處在激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的。在試驗(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)當(dāng)有eUo電子伏特的能量發(fā)射出來(lái)。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（1－1－4）對(duì)于氬原子?假如夫蘭克一赫茲管中充以其他元素，則可以得到它們的第一激發(fā)電位（表一）表一幾種元素的第一激發(fā)電位ElementSodium(Na)Potassium(K)Lithium(Li)Magnesium(Mg)Mercury(Hg)Helium(He)Neon(Ne)U0（V）2.121.631.843.24.921.218.6λ(?)58985896766476996707.845712500584.3640.2試驗(yàn)儀器FH-2智能夫蘭克一赫茲試驗(yàn)儀，示波器，導(dǎo)線(xiàn)若干。試驗(yàn)內(nèi)容準(zhǔn)備工作①按照下圖所示，連接好各組工作電源線(xiàn)，仔細(xì)檢查，確定無(wú)誤。連接示波器，以直觀觀測(cè)IA-UG2K的波形變化狀況②打開(kāi)電源，將試驗(yàn)儀預(yù)熱20～30分鐘。氬元素的第一激發(fā)電位手動(dòng)測(cè)量①設(shè)置儀器為“手動(dòng)”工作狀態(tài)，按“手動(dòng)/自動(dòng)”鍵，“手動(dòng)”指示燈亮。②設(shè)定電流量程，按下對(duì)應(yīng)電流量程鍵，對(duì)應(yīng)的量程指示燈點(diǎn)亮。③設(shè)定電壓源的電壓值。④按下“啟動(dòng)”鍵，試驗(yàn)開(kāi)始。⑤重新啟動(dòng).這時(shí)，操作者可以在該狀態(tài)下重新進(jìn)行測(cè)試，或修改狀態(tài)後再進(jìn)行測(cè)試。氬元素的第一激發(fā)電位自動(dòng)測(cè)量智能夫蘭克一赫茲試驗(yàn)儀除可以進(jìn)行手動(dòng)測(cè)試外，還可以進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試。進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試時(shí)，試驗(yàn)儀將自動(dòng)產(chǎn)生VG2K掃描電壓，完畢整個(gè)測(cè)試過(guò)程；將示波器與試驗(yàn)儀相連接，在示波器上可看到夫蘭克一赫茲管板極電流隨VG2K電壓變化的波形。①自動(dòng)測(cè)試狀態(tài)設(shè)置②VG2K掃描終止電壓的設(shè)定③自動(dòng)測(cè)試啟動(dòng)④自動(dòng)測(cè)試過(guò)程正常結(jié)束⑤自動(dòng)測(cè)試後的數(shù)據(jù)查詢(xún)⑥中斷自動(dòng)測(cè)試過(guò)程=7\*GB3⑦結(jié)束查詢(xún)過(guò)程答復(fù)初始狀態(tài)數(shù)據(jù)處理（手動(dòng)測(cè)量）燈絲電壓3.0V，第一柵極電壓1.5V，拒斥電壓9.0V計(jì)算氬的第一激發(fā)電位V20.033.544.055.066.578.5I0.1800.4780.8231.2211.5781.833逐差法：?V1=35V?Vu0不確定度：μa=μ最終體現(xiàn)式為：u相對(duì)誤差:η=燈絲電壓3.2V，第一柵極電壓1.5V，拒斥電壓9.0V計(jì)算氬的第一激發(fā)電位V20.033.544.055.066.578.5I0.3701.0491.8352.6573.3243.769逐差法：?V1=35V?Vu0不確定度：μa=μ最終體現(xiàn)式為：u相對(duì)誤差:η=燈絲電壓3.0V，第一柵極電壓1.0V，拒斥電壓9.0V計(jì)算氬的第一激發(fā)電位V24.033.043.555.066.578.5I0.2460.5310.8731.2581.6011.855逐差法：?V1=31V?Vu0不確定度：μa=μ最終體現(xiàn)式為：u相對(duì)誤差:η=燈絲電壓3.0V，第一柵極電壓1.5V，拒斥電壓8.0V計(jì)算氬的第一激發(fā)電位V14.032.544.054.566.078.0I0.1890.6440.9851.3961.7602.029逐差法：?V1=40.5V?Vu0不確定度：μa=μ最終體現(xiàn)式為：u相對(duì)誤差:η=試驗(yàn)成果探究試驗(yàn)成果分析探究1、增大第一柵極電壓，板極電流的變化不明顯，對(duì)應(yīng)相似的VG2k的IA有增有減，但總體趨勢(shì)不變，各峰值對(duì)應(yīng)的V2、增大燈絲電壓，板極電流明顯增大，而VG3、增大拒斥電壓，理論上分析，板極電流將下降，而試驗(yàn)中測(cè)得板極電流有小幅上升，數(shù)據(jù)測(cè)量有誤差。誤差來(lái)源分析探究由于預(yù)熱局限性，使測(cè)量值產(chǎn)生誤差；在試驗(yàn)時(shí)，由于電壓的步差不也許持續(xù)，故測(cè)量的峰值會(huì)有一定的誤差；儀器自身存在一定的誤差。前面的氬原子激發(fā)後產(chǎn)生了一種額外的電場(chǎng)，導(dǎo)致背面的激發(fā)電壓越來(lái)越高掙值分析措施的數(shù)據(jù)來(lái)源于項(xiàng)目計(jì)劃與跟蹤，因此應(yīng)當(dāng)在項(xiàng)目計(jì)劃中指定搜集數(shù)據(jù)的周期，這個(gè)周期被稱(chēng)作匯報(bào)期。匯報(bào)期的設(shè)置視項(xiàng)目的規(guī)模而定，周期不適宜過(guò)短或過(guò)長(zhǎng)。匯報(bào)期設(shè)置太短，會(huì)導(dǎo)致度量頻繁發(fā)生，增長(zhǎng)度量成本，得出某些無(wú)意義的成果?？傮w來(lái)說(shuō)，各個(gè)參數(shù)對(duì)VG