q3is ip和va的关系-复旦大学物理教学试验中心fudanphysics

冉绍尔-汤森实验,08300300004 材料物理 孙通,Sun,Sun,Contents,Sun,综述,Sun,综述,实验原理图如下:,Sun,No.1交流条件下的观察,在常温下(17.8摄氏度)通过调整W1,W2得到图像如下图所示：,Sun,No.1交流条件下的观察,在77k液氮条件下，调节补偿电压，在Ec=0.15v时得到的图像如下：,Sun,No.2 直流条件下的观察,第一次测量：液氮条件下Ef=2.86v Ec=0.15v常温 T=17.8 Ef=3.20v Ec=0.15v,实验条件：为了验证Is+Ip对整个实验最终结果的影响，另外测得常温下Is+Ip不与液氮条件下相等,液氮条件下Ef=4.01v Ec=0.09v常温 T=17.8 Ef=4.39v Ec=0.09v,Sun,No.2 直流条件下的观察,第一次测量数据：,Sun,No.2 直流条件下的观察,第二次测量数据：,Sun,No.2 直流条件下的观察,第一次测量数据制图得：,Sun,No.2 直流条件下的观察,第一次测量数据制图得：,Sun,No.2 直流条件下的观察,第二次测量数据制图得：,Sun,No.2 直流条件下的观察,第二次测量数据制图得（调整后）：,Sun,No.2 直流条件下的观察,第二次测量数据制图得（调整后）：,Sun,No.3 Xe原子的电离电位的测量,常温下采用0-90v电源作为加速电压电源，T=17.6 Vf=3.2v Ec=0.15v，测得数据如下：,Sun,No.3 Xe原子的电离电位的测量,Sun,Contents,Sun,Is+Ip在Va=1v调节灯丝电压不变的根据是什么，是否合理？如果不调节相同会有什么结果？,Is+Ip-Va的变化规律是什么样的？,Is+Ip与Va是否存在某种必然的联系？如果有应该是什么样的联系？这种联系应该和什么因素有关？,Is+Ip关系的探究,Q.1,Q.2,Q.3,Sun,Q.1 Is+Ip-Va的关系,第一次常温下测量制图得：,Sun,Q.1 Is+Ip-Va的关系,第二次常温下测量制图得：,Sun,Q.1 Is+Ip-Va的关系,第一次液氮下测量制图得：,Sun,Q.1 Is+Ip-Va的关系,第二次液氮条件下测量制图得：,Sun,Is+Ip在Va=1v调节灯丝电压不变的根据是什么，是否合理？如果不调节相同会有什么结果？,Is+Ip-Va的变化规律是什么样的？,Is+Ip与Va是否存在某种必然的联系？如果有应该是什么样的联系？这种联系应该和什么因素有关？,Is+Ip关系的探究,Q.1,Q.2,Q.3,Sun,Q.2 调节Is+Ip恒定的原因,第二次在未保持Is+Ip恒定条件下（即保持与液氮时灯丝电压相同条件下）测量常温下Is+Ip-Va制图得：,Sun,Q.2 调节Is+Ip恒定的原因,观察图像我们发现：我们发现Ps值与保持一致时不同，并且Ps出现了负值。因此我们可以认为，Is+Ip的影响不能忽略，鉴于f和空间电荷分布有直接关系，而Is+Ip对于不同情况下的电荷分布不能忽略。但是仍然存在着这样的疑问，既然Is+Ip对电荷的分布有着较大的影响，然而我们观察实验测得的数据不能发现，尽管我们在Va=1v处进行了调零，但是在整个0-10v范围内，只有在调零处Is+Ip近似相等（因为实验仪器和实验条件的原因我们无法保证Is+Ip的恒定不变，但是可以保证两者相差在0.5%之内），其他处并不想等并且在个别Va处存在较大的差异，远远大于0.5%的初始偏差范围，数据如下：,Sun,Q.2 调节Is+Ip恒定的原因,Sun,Q.2 调节Is+Ip恒定的原因,比较数据我们发现： 在个别位置甚至出现了40%的偏差，因此保证Is+Ip恒定是否合理，或者说即便可以保证在1v时的电荷分布不变，但是本身的意义是否重要还有待商榷，和进一步的实验探讨，毕竟在其他位置这种关系均未得到满足。,Sun,Is+Ip在Va=1v调节灯丝电压不变的根据是什么，是否合理？如果不调节相同会有什么结果？,Is+Ip-Va的变化规律是什么样的？,Is+Ip与Va是否存在某种必然的联系？如果有应该是什么样的联系？这种联系应该和什么因素有关？,Is+Ip关系的探究,Q.1,Q.2,Q.3,Sun,Q.3 Is+Ip和Va的关系,我们上面得到的图像进行分析：,Sun,Q.3 Is+Ip和Va的关系,第二次常温下测量：,Sun,Q.3 Is+Ip和Va的关系,比较常温下的图像我们发现：Is+Ip和Va构成了一个很好的二次函数关系，前后两次拟合后得到的R值分别为0.9997和0.999，但是否这就说明了Is+Ip和Va呈二次函数关系呢？如果确实是成这样的函数的关系，那么又应该如何去解释呢？,Sun,Q.3 Is+Ip和Va的关系,在液氮条件下的图像的分析：,Sun,Q.3 Is+Ip和Va的关系,在液氮条件下的图像的分析：,Sun,Q.3 Is+Ip和Va的关系,比较液氮条件下（77k）下的图像我们发现：Is+Ip和Va用二次函数进行拟合得到结果并没有在常温下那么好，拟合后得到的R分别为0.997和0.9823，并没有常温下吻合的那么好，那是我们得到的结论有问题还是这个关系是和温度相关？查阅相关文献我们发现这么一段叙述：真空二极管工作在空间电荷区，阳极电流和阳极电压之间的关系呈二分之三次方关系。,Sun,Q.3 Is+Ip和Va的关系,lg(Is+Ip)-lgVa的图像：,Sun,Q.3 Is+Ip和Va的关系,lg(Is+Ip)-lgVa的图像：,Sun,Q.3 Is+Ip和Va的关系,lg(Is+Ip)-lgVa的图像：,Sun,Q.3 Is+Ip和Va的关系,lg(Is+Ip)-lgVa的图像：,Sun,Q.3 Is+Ip和Va的关系,分析图像我们发现：对于同一次测得的常温下和液氮条件下的lg(Is+Ig)-lgVa拟合以后的得到的线性关系的系数和R值都比较接近。第一次和第二次实验拟合以后得到的直线的系数有较大的差别，对于第一次实验和第二次实验分别在不同仪器上进行，我们可以得出这样的结论，Is+Ip-Va的关系与仪器有关，并非简单如文献上所说的的真空二极管工作在空间电荷区，阳极电流和阳极电压之间的关系呈二分之三次方关系，而是跟实验仪器的本身参数有较大的关系，同时由于此时并未处于真空状态所以也可能与文献的理论值存在偏差。对于第二次在起始端未较好的符合线性关系，我认为可能是跟数据较低时，仪器误差较大有关，因为同样的偏离在其他的如Ps-Va图像中同样存在，为了保持数据的完整性和真实性，此处未加以调整。对于上述解释我们可以通过重复实验的方法进行验证，如果在开始阶段出现不同趋势的偏差我们可以认为是由于仪器本身在较小值时读数不准确造成的。,Sun,Contents,灯丝电压的选择,Sun,Sun,灯丝电压的选择,比较第一次和第二次测量得到的Ps-Va和Q-Va1/2图像得： 第一次测量值最小值在0.92v出现，而最大值在测量范围内未有明确的点，（0-7v）可以认为最大值在7v以外，而第二次测量Ps最小值在1.3v附近处出现，而最大值则在6.48v处取得（此处经过左右校正）。比较前后两次实验参数的不同，发现实验参数在灯丝电压上存在较大的差异（因为仪器不同所以补偿电压不同），比较理论值最小值应在0.9v出现，最大值应在6.5v出现，对此我查阅了前人的数据，发现在灯丝电压较低时最小值均在0.9v左右误差在10%以内，而此时测得的Ps最大值则有较大的偏差，在20%左右，鉴于以往数据均是在较低电压下（Ef3v）测得,根据我的这次测量,是否可以认为在较高的灯丝电压下,由于较大的电子数,会导致散射截面最大值处比较准确.,Sun,灯丝电压的选择,分析上述数据和分析我们发现：在较低的灯丝电压下（4v）我们发现，在Ps最小值所对应的Va值存在着较大的偏离，在Ps最大值对应的Va值则和理论值吻合较好.对此猜测我查阅了相关文献：,Sun,灯丝电压的选择,根据文献中的条件，灯丝电压为4v,整个实验过程中没有对阴极和屏蔽极之间的接触电位差进行修正，这一值文献中实验条件约为0.4v,这个值是通过比较电离时的电位V-Vs与电离电位的公认值的差值得到的。因此实际的电子的加速电压应为V-Vs+0.4v此时与我们所进行的实验测得值较为接近，但仍然和我们书中给出的理论值有较大误差，查阅相关文献，分析理论值的计算过程得：,Sun,灯丝电压的选择,Sun,灯丝电压的选择,文献中并未给出具体的理论值，所以理论值本身是否准确还有待考证。但是较高的灯丝电压也会带来一定的负面影响：可能会导致空间电荷的影响增大，因为较低的阴极温度时电子动能较小，这样电子的动能也较小，这样电子的能量分布就较窄，较高的灯丝电压会导致阴极温度较高，电子的动能较大，这样电子的能量分布就会较宽，这就要求在开始测量前要对加速电压比照Is,Ip进行调零，保证电子能量的分布范围在较小的范围内。,Sun,Contents,Sun,总结和思考,Sun,几个问题的思考,Sun,f-Va图像,两次图像存在着较大的差异，甚至随Va变化的趋势也不尽相同，考虑到其他图像处理的一致性，无法判断哪个图像更为合理，我认为此处还需要进一步的实验，来深入探究f-Va的关系。,Sun,几个问题的思考,Sun,致谢：,整个实验过程得到了马世红老师的悉心指导感谢马老师在实验仪器上提供的帮助和在实验上的指导和意见。感谢白老师的指导和帮助。感谢合作者傅颖鹭在整个实验过程中默契的合作。,Sun,参考文献：,戴道宣，戴乐山，近代物理实验第二版，高等教育出版社，2006吴思成，王祖全，近代物理实验，北京大学出版社，2001 曾谨言量子力学(第二卷)M北京：科学出版社，2000胡永茂，张桂樯，李汝恒，陈丽等，氙原子散射截面反常现象的观测分析，物理实验，2008，28（7）FD-RTE-A型冉绍尔汤森效应实验仪使用说明，上海复旦天欣科技仪器有限公司TheFranckHertzExperimentandtheRamsauerTownsendEffect:ElasticandInelasticScatteringofElectronsbyAtomsKukolich S G. Demonstration of the Ramsauer-Townsend effect in a xenon thyratron, M