四川理工学院课程实施大纲编制管理办法-物理与电子工程学院

1、四川理工学院课程实施大纲课程名称：近代物理实验授课班级：应物201601班、2班任课教师：吴 飞工作部门：物理与电子工程学院联系方式川理工学院 制2017年3月近代物理实验课程实施大纲基本信息课程代码：SLX00700课程名称：近代物理实验学 分：2总 学 时：30学 期：2017-2018学年 第2学期上课时间：周日 9:0012:00/ 14:0017:00/ 19:0022:00 上课地点：新3实验楼9楼(903906907909910)答疑时间和方式：随堂答疑 面对面解答答疑地点：新3实验楼913楼授课班级：应用物理201601班、02班任课教师：吴飞学 院：

2、物理与电子工程学院邮 箱：联系电话目 录1.教学理念11.1关注学生的发展11.2关注教学的有效性21.3关注教学的策略21.4关注教学价值观22.课程描述32.1课程的性质32.2课程在学科专业结构中的地位、作用32.3 课程的历史与文化传统32.4课程的前沿及发展趋势32.5 课程与经济社会发展的关系32.6课程内容可能涉及到的伦理与道德问题42.7学习本课程的必要性43.教师简介43.1教师的职称、学历43.2教育背景43.3研究兴趣（方向）44.先修课程55.课程目标56.课程内容57.课程实施77.1实验一77.2实验二147.3实验三187.4实验四247

3、.5实验五297.6实验六387.7实验七487.8实验八548.课程要求589.课程考核589.1出勤（迟到、早退等）、作业、报告等的要求589.2成绩的构成与评分规则说明589.3考试形式及说明5810.学术诚信5811.课堂规范5912.课程资源5913.教学合约6013.1教师作出师德师风承诺6013.2阅读课程实施大纲，理解其内容6013.3同意遵守课程实施大纲中阐述的标准和期望6014.其他必要说明（或建议）6041.教学理念物理学是以实验为基础的学科，实验在物理学教学中起到非常关键的作用。近代物理实验课程除包括反映20世纪量子力学、相对论出现以来的一些重要的、里程碑的著名物理实验

4、外，还包括近代的实验方法及应用广泛的实验技术。实验课不同于一般的讲课，学生能有多少收获，主要取决于他的主动性和积极性，在教学实验过程中，根据学生进展的情况，做一些指导、讨论，希望他们通过自己动手做实验，分析得出正确的结论，从而达到调动学生积极性，提高兴趣的目的。1.1关注学生的发展第一，要提高学习能力，进一步增强自身素质。学生不仅要深入学习业务知识，用专业知识武装头脑，厚积薄发。在学习中，要有目的，有方向，要进行系统思考、统筹安排。要有一种学习的危机感、紧迫感，把学习知识、提高素质作为生存和发展的紧迫任务，把学习当作一种追求，牢固树立终身学习的观念，不断提高理论水平，提高知识层次。第二，要提高

5、创新能力，进一步增强自身的综合素质。在学习工作方面，要进行多方位思考，多角度解决问题，提高学习和工作的效率，提高洞察力，努力把课堂上学到的知识进行补充和延伸，充实自己的头脑，提高自己的能力，做一个全面、协调发展的人。第三，要提高自律能力，进一步健全完善自己的人格。学生的一言一行，不仅代表着个人，而且代表着党的形象。我们一定要珍惜党的政治声誉，堂堂正正做人，走好人生之路，树立良好的形象。使学生正确认识自我，培养高尚的人格，始终保持谦虚谨慎、戒骄戒躁的良好作风，以高度的自觉自律精神培养自己的集体主义感、敬业奉献和诚实信用品质、强烈的社会责任感和历史使命感，讲求团结合作，不断超越自我，实现同学间竞争

6、求胜求发展的“双赢“。第四，不断完善学生自身的人格，建立健全的人格。人格健全的大学生能够积极的开放自我，正确地认识自己，坦率地接受自己的缺点并对生活持乐观向上的态度；心胸开阔，善解人意，宽容他人，尊重自己也尊重他人，对不同的人际交往对象表现出合适的态度，既不狂妄自大，也不妄自菲薄，在人际关系中具有吸引人，深受大家的喜欢；人生态度乐观向上，生活态度积极热情，有正确的人生观与价值观，能够用理性分析生活事件，头脑中非理性观念较少；人格独立、自信自尊，并具有自我发展、自我塑造与自我完善的能力，更重要的是能够充分开发自身的创造力，创造性地生活，发现生命的意义并选择有意义的生活。1.2关注教学的有效性确立

7、学生在教学中的主体地位，可以从以下两个方面实施：首先，把学生的学习主动性权交给学生。课程标准中渗透着以人为本和以学生发展为本的新理念，以学生发展为本就是要真正认识学生是学习的主人的观点。课堂教学中要把学习的主动性权交给学生，让他们按自己的爱好选择学习内容。其次，让学生参与教学活动。让学生参与教学活动是真正体现学生主体地位的策略。学生在课堂上不再是旁观者，被动接受者，他们的智慧得到启迪，能力得到发展，创新意识得到培养。1.3关注教学的策略n 以问题为核心驱动学习，问题可以是项目、案例或实际生活中的矛盾。n 强调以学生为中心，各种教学因素，包括教师只是作为一种广义的学习环境支持学习者的自主学习，诱

8、发学习者的问题并利用它们刺激学习活动，或确认某一问题，使学习者迅速地将该问题作为自己的问题而接纳。n 学习问题必须在真实的情景中展开，必须是一项真实的任务。n 强调学习任务的复杂性，反对两者必居其一的观点和二者择一的环境。n 强调协作学习的重要性，要求学习环境能够支持协作学习。n 强调非量化的整体评价，反对过分细化的标准参照评价。n 设计学习任务展开的学习环境，提供学习资源、认知工具和帮助等，以反映学习环境的复杂性。n 应设计多种自主学习策略，使得学习能够在以学生为主体中顺利展开。1.4关注教学价值观注重在传授知识的同时组织学生的认知活动，掌握自我学习、自我发展的本领。2.课程描述2.1课程的

9、性质物理学是一门实验科学，所有物理定律的形成和发展都是建立在客观自然现象的观察和研究的基础上的，并以实验结果为检验理论正确与否的唯一标准，重要的物理实验常常是新兴科学技术的生长点。 2.2课程在学科专业结构中的地位、作用 近代物理实验是继继力、热、电磁和光学实验之后，毕业设计（论文）之前开设的专业基础实验，本课程所涉及的物理基础知识面较广，并具有较强的综合性和技术性。在课程学习中，一方面使同学们进一步认识物理实验对近代物理规律发现和近代物理理论的建立所起的重大作用，加深对近代物理概念和规律的理解；另一方面，使同学们能掌握近代物理及现代技术中的一些常用实验方法和实验技能，进一步培养良好的实验习惯

10、和严谨的科学作风，使同学们获得一定程度的用实验方法和技术研究物理问题的独立工作能力。2.3 课程的历史与文化传统 所谓近代，大约是指1900年前后，在对微观世界的研究中发现了大量新的现象，如散射实验、光电效应实验、塞曼效应等，在这些现象的观察中发展出了大量新的实验思想与方法，直接推动了现代物理与应用的发展。2.4课程的前沿及发展趋势 20世纪初，出现了大量经典物理学无法解释的实验现象，在对这些现象的探索中，物理学家建立了量子力学，随后，科学和技术有了飞跃发展，出现了激光、半导体、超导体、原子陷俘、纳米技术等新的科技与实验技术。这些实验技术，过去叫“中级物理实验”，现在又有所发展，叫“现代物理实

11、验”，以容纳最近一个世纪所发展的一些物理和技术。2.5 课程与经济社会发展的关系 本课程所涉及的实验多是在物理学发展中里程碑式的实验，对量子物理的发展与应用起到了巨大的推动作用，直接或间接的支撑了半导体、激光、微电子、材料科学等技术发展，为当代社会与经济的发展有巨大的推动作用。2.6课程内容可能涉及到的伦理与道德问题 近代物理实验中包括了近现代物理学发展过程中一些重要的实验技术方法与思想，它们直接或间接的被用到了其它科学技术的研究当中，而科技本身是一把双刃剑，现代科学家发明的各种东西都有可能引起道德伦理的问题。科技中的伦理道德问题，实际上是一种选择，在学习本课程中要学习作出对人类的持续发展和进

12、步起促进作用的选择，让科技服务于人类，有利于自然、政治、经济、文化的健康发展，让科学在人类进程中产生积极的影响。2.7学习本课程的必要性近代物理实验是物理专业的基础必修课程，物理学是一门实验的科学，近代物理实验是培养学生近现代实验技巧与手段的必备课程。3.教师简介3.1教师的职称、学历授课教师：吴飞；职称：讲师；学历：博士研究生3.2教育背景1999-2003年 湛江师范学院 物理系 物理学专业 理学学士；2005-2008年 四川大学物理科学与技术学院 理论物理专业 理学学硕士；2008-2011年 四川大学物理科学与技术学院 理论物理专业 理学博士。3.3研究兴趣（方向）凝聚态与量子信息理

13、论。4.先修课程力学，电磁学，光学，原子物理学，光电子技术，理论物理概论5.课程目标 本课程的主要目标是： 1.培养学生对物理现象的洞察力和分析能力。 2.让学生掌握近代科学研究的基本方法和技术手段。 3.培养学生发现问题、解决问题的能力。 4.培养学生踏实工作，认真求索，严谨思维和不怕吃苦的精神。 5.让学生初步了解实际科研工作的一般过程。 6.丰富、活跃学生的物理思想，激发他们的创新精神。 7.着力提高学生基本的科学素养。 8.培养学生探索新知识的能力和协作精神。6.课程内容实验1：密立根油粒实验教学内容：密立根油粒实验原理、实验装置操作、实验内容和操作步骤、实验数据处理重点：实验原理、实

14、验内容和操作步骤、实验数据处理难点：实验原理参考学时：4学时实验2：弗兰克赫兹实验教学内容：弗兰克赫兹实验原理、实验装置操作、实验内容和操作步骤、实验数据处理重点：实验原理、实验内容和操作步骤、实验数据处理难点：实验原理参考学时：4学时实验3：光电效应测普朗克常数教学内容：光电效应实验原理、实验装置操作、实验内容和操作步骤、实验数据处理 重点：实验原理、实验内容和操作步骤、实验数据处理难点：实验原理参考学时：4学时实验4：摄谱仪测定光波波长实验教学内容：摄谱仪实验原理、实验装置操作、实验内容和操作步骤、实验数据处理 重点：实验原理、实验内容和操作步骤、实验数据处理难点：实验原理参考学时：4学时

15、实验5：塞曼效应实验教学内容：塞曼效应实验原理、实验装置操作、实验内容和操作步骤、实验数据处理 重点：实验原理、实验内容和操作步骤、实验数据处理难点：实验原理、实验操作参考学时：4学时实验6：晶体的声光调制实验教学内容：晶体的声光效应实验原理、实验装置操作、实验内容和操作步骤、实验数据处理 重点：实验原理、实验内容和操作步骤、实验数据处理难点：实验原理参考学时：4学时实验7：全息照相实验（1）光路搭建教学内容：全息图基本原理、实验装置操作、搭建双光束干涉平台操作步骤重点：全息图基本原理、搭建双光束干涉平台操作步骤难点：全息图基本原理、搭建双光束干涉平台操作步骤参考学时：4学时实验8：全息照相实

16、验（2）全息拍照及重现教学内容：波前再现原理、照片冲洗、拍照及再现操作步骤 重点：波前再现原理、照片冲洗、拍照及再现操作步骤难点：拍照及再现操作步骤参考学时：4学时597.课程实施7.1实验一学院教师姓名课程名称学分/学时课程性质课次/学时学年/学期理学院吴飞近代物理实验1/32考查课1/42016-2017/2教学目标： 通过对带电油滴在重力场和静电场中运动的测量，验证电荷的不连续性，并测定电子电荷的电荷值e。通过实验过程中，对仪器的调整、油滴的选择、耐心地跟踪和测量以及数据的处理等，培养学生严肃认真和一丝不苟的科学实验方法和态度。学习和理解密立根利用宏观量测量微观量的巧妙设想和构思。教学内

17、容：教学内容：密立根油粒实验原理、实验装置操作、实验内容和操作步骤、实验数据处理重点：实验原理、实验内容和操作步骤、实验数据处理难点：实验原理 教学实施过程及教学方法美国物理学家密立根历时七年之久，通过测量微小油滴所带的电荷，不仅证明了电荷的不连续性，即所有的电荷都是基本电荷e的整数倍，而且测得了基本电荷的准确值。电荷e是一个基本物理量，它的测定还为从实验上测定电子质量、普朗克常数等其他物理量提供了可能性，密立根因此获得了1923年的诺贝尔物理学奖。实验目的通过对带电油滴在重力场和静电场中运动的测量，验证电荷的不连续性，并测定电子电荷的电荷值e。通过实验过程中，对仪器的调整、油滴的选择、耐心地

18、跟踪和测量以及数据的处理等，培养学生严肃认真和一丝不苟的科学实验方法和态度。学习和理解密立根利用宏观量测量微观量的巧妙设想和构思。实验原理用油滴法测量电子的电荷有两种方法，即平衡测量法和动态测量法，分述如下：图1：油滴在两平行极板之间静止1. 平衡测量法用喷雾器将油滴喷入两块相距为d的水平放置的平行极板之间。油滴在喷射时由于摩擦，一般都是带电的。设油滴的质量为m，所带电量为q，两极板之间的电压为V，则油滴在平行极板之间同时受两个力的作用，一个是重力mg，另一个是静电力。如果调节两极板之间的电压V，可使两力相互抵消而达到平衡，如图1所示。这时有 （1）为了测出油滴所带的电量q，除了需测定V和d外

19、，还需测量油滴的质量m 。因m很小，需要用如下特殊的方法测定。平行极板未加电压时，油滴受重力作用而下降，但是由于空气的粘滞阻力与油滴的速度成正比，油滴下落一小段距离达到某一速度后，阻力与重力平衡（空气浮力忽略不计），油滴将匀速下降。由斯托克斯定律可知 （2）式中是空气的粘滞系数，r是油滴的半径（由于表面张力的原因，油滴总是呈小球状）。设油滴的密度为，油滴的质量m又可以用下式表示 （3）由（2）式和（3）式得到油滴的半径 （4）斯托克斯定律是以连续介质为前提的，对于半径小到10-6m的微小油滴，已不能将空气看作连续介质，空气的粘滞系数应作如下修正 式中b为一修正常数，b = 6.1710-6mc

20、mHg，p为大气压强，单位为cmHg。用代替（4）式中的，得： （5）上式根号中还包含油滴的半径r，但因为它处于修正项中，不需要十分精确，故它仍可以用（4）式计算。将（5）代入（3）式，得： （6）对于匀速下降的速度，可用下法测出：当两极板间的电压V=0时，设油滴匀速下降的距离为，时间为，则 （7）将（7）式代入（6）式，（6）式代入（1）式，得 (8) 上式就是用平衡法测定油滴所带电荷的计算公式。2. 动态测量法在平衡测量法中，公式（8）是在条件下推导出的。在动态测量法中，两极板上加一适当的电压VE，如果qE mg,而且这两个力方向相反，油滴就会加速上升，油滴向上运动同样受到与速度成正比的空

21、气阻力的作用。当油滴的速度增大到某一数值后,作用在油滴上的电场力、重力和阻力达到平衡，此油滴就会以匀速上升，这时 （9）当去掉两极板所加的电压VE后，油滴在重力的作用下加速下降，当空气阻力和重力平衡时将此式代入（9）式 （10）实验时，如果油滴匀速下降和匀速上升的距离相等，设都为，匀速上升的时间为tE，匀速下降的时间为tg，则 , （11）将（6）式和（11）式代入（10）式得： （12）上式就是用动态法测定油滴所带电荷的计算公式。实验仪器主要仪器有油滴仪、电源、喷雾器、秒表等。油滴仪：油滴仪包括油滴盒、防风罩、照明装置、显微镜、水准仪等，如图1所示。油滴盒是由两块经过精磨的平行极板组成的，间

22、距为5.00mm，上极板的中央有一个直径为0.4mm的小孔，以供油滴落入。油滴盒放在防风罩中，以防止周围空气流动对油滴的影响。防风罩上面是油雾室，用喷雾器可将油滴从喷雾口喷入，并经油雾孔落入油滴盒，油雾孔由油雾孔开关控制，它打开后油滴才能落入油滴盒。图1 油滴盒结构图 图2：显微镜中的分划板5.胶木圆环 6.下电极板 7. 底板 8.上盖板 9.喷雾口 10.油雾孔 11.上电极板压簧12.上电极板电源插孔 13.油滴盒基座照明装置由小聚光灯泡和导光棒组成，转动灯座，可调节油滴盒的亮度，使油滴亮（改装后，用高亮度发光二极管照明，不用调节）。显微镜是用来观察和测量油滴运动的。目镜中装有分划板（见

23、图2），上下共分6格，其垂直总长度相当于视场中的3.00mm，用以测量油滴运动的距离和速度v在防风罩内（或外）有一水准泡，用于调节极板水平。电源：500V直流平衡电压，可以连续调节， 数值可以从电压表上读出，并用“平衡电压”换向开关换向，可以改变上、下极板的极性。换向开关拨在“+”位置时，能达到平衡的油滴带正电，反之带负电。换向开关拨在“0”位置时，上下极板不加电压，同时被短路。300V直流升降电压，可以连续调节，并可通过“升降电压”拨动开关叠加在平衡电压上。“升降电压”和“平衡电压”的两个拨动开关拨向同侧时，加在平行极板上的电压为两个电压之和；拨向异侧时，极板上的电压为两个电压之差。由于升降

24、电压只起移动油滴上下位置的作用，不需测量，故电压表上无指示。实验内容1、调节仪器1) 将油滴仪照明灯打开，平行极板接500V直流电源。2) 调节调平螺丝，使水准仪气泡处在中心位置，以保证电场力方向与重力方向平行，否则，油滴几经上下就会离开显微镜视场，无法继续测量。3）调节照明电路，若视场太暗或视场上下亮度不均匀，可转动油滴照明的灯座（或方向结）使小灯珠前面的聚光珠正对导光棒（改装后无需调节）。4）转动显微镜的目镜，使分划板刻线清晰；转动目镜头，将分划板放正。5）在喷雾器中注入油数滴，将油从喷雾口喷入，调节测量显微镜的调焦手轮，随即可以从显微镜中看到大量清晰的油滴。2、测量练习1） 练习控制油滴

25、：“平衡电压”开关和“升降电压”开关均拨到中间“0”位置，旋转平衡电压旋钮将平衡电压调至200-300V。将油滴喷入，在视场中看到油滴后，将“平衡电压”开关拨向“+”（或“-”）位置，把事先调好的电压加到平行极板上，多数油滴立即以各种不同的速度向上或向下运动而消失。当视场中剩下几个因加电压而运动缓慢的油滴时，从中选择一个，仔细调节平衡电压的大小，使它不动。接着利用升降电压使它上升，然后去掉极板电压再让它下降。如此反复升降，直到能熟练控制油滴的运动。若发现油滴逐渐变得模糊，需微调显微镜跟踪油滴，使油滴保持清晰。2） 练习选择油滴：选择一个大小合适，带电量适中的油滴，是做好本实验的关键。选的油滴不

26、能太大，太大的油滴虽然比较亮，但是一般带电荷比较多，下降速度也比较快，时间不容易测准确。油滴也不能选得太小，油滴太小受布朗运动或气流的影响太大，时间也不容易测准确。通常可以选择平衡电压在200V以上，匀速下降2mm所用时间为15-30秒的油滴，其大小和带电量都比较合适。3） 练习测量：利用平衡电压及升降电压把选中的油滴调到接近上极板，去掉电压，待油滴下降速度稳定后，并通过某一刻线时开始计时，记录下降四格所用的时间，反复几次，熟练掌握测量时间的方法。3、正式测量1） 平衡法：由（8）式可知，用平衡法实验时要测量三个量，即平衡电压V，油滴匀速下降一段距离l所用的时间tg和大气压强P .测量平衡电压

27、必须经过仔细的调节，并将油滴置于分划板上某条横线附近，以便正确判断出这个油滴是否平衡了。测量时间tg时，为保证油滴匀速下降，应先让它下降1格，再开始计时。选定测量的一段距离l，应该在平行极板的中央部分，即视场中分划板的中央部分。若太靠近上极板，小孔附近有气流，电场也不均匀，会影响测量结果。太靠近下极板，测量完时间后，油滴容易丢失，影响重复测量，一般取l=2.00mm比较合适。因为tg有较大涨落，对同一个油滴应进行5-10次测量，然后取它们的平均值。另外，要选择不同的油滴（不少于5个）进行反复测量。大气压强从气压计上直接读出，单位为厘米汞柱。2） 动态法：由（12）式可知，在动态测量法中，也需要

28、测量三个量，除大气压强P外，还有油滴通过相同距离所用时间tg和tE。选择一个平衡电压约200V,匀速下降2mm所用时间为15-30秒的油滴。先去掉极板电压测出时间tg，然后在极板上加400V左右的电压，使油滴反转运动，再测量时间tE 。tg和tE交替进行，连续测量5-10次，并分别求出它们的平均值。数据处理（1）根据公式（8） 式中 将r代入上式，并设k1、k2分别为 （13） （14）则（8）式可以写成下面的形式 （15）同理，公式（12）也可以改写成下式 （16）其中=981kg/m3, g=9.80m/s2, =1.8310-5kg/ms, =2.0010-3m（分划板中央四格的距离）。

29、将以上数据代入（13）和（14）式得k1=1.4310-14kgm2/s1/2k2=1.49cmHg/s1/2将k1和k2分别代入（15）和（16）式得 （平衡法） （动态法）把实验测得的V、t和P代入上式，就可以计算出油滴所带的电量q 。由于和都是温度的函数，g也随时间、地点的不同而变化，因此上式是近似的，好处是运算大大简化了。（2）实验中发现，对于不同的油滴，计算出的电量是一些不连续变化的值，存在qi=nie的关系，ni是整数。对于同一个油滴，用紫外线照射改变它所带的电量，能够使油滴再次达到平衡的电压，必须是某些特定的值Vn。即，n也为整数。这就表明电量存在着最小的电荷单位，即电子电荷值e

30、，或称基本电荷。求基本电荷e值的方法有逐差法和作图法两种。前者是对测得的各个油滴电量求最大公约数，这个最大公约数就是电子电荷e值。后者是以纵坐标表示电量，横坐标表示电子个数n，在图中找出一条通过原点的直线，使各个油滴所带的电量q与正整数n的交点都位于这条直线上（因测量有误差，交点应分布在该直线的两侧，并且很靠近直线）。这条直线的斜率即为基本电荷e值。由于初学者实验技术不熟练，测量误差比较大，测量油滴的个数也不够多，用上述方法求电子电荷e值比较困难。因此，可以采用“反过来验证”的办法处理数据：计算出每个油滴电量qi后，用e的公认值去除，得到每个油滴带基本电荷个数的近似值ni，将ni四舍五入取整，

31、再用这个整数去除qi，所得结果为我们测出的电子电量ei 。求出ei的平均值，并与公认值（e=1.60210-19C）比较求出百分差E 。相关阅读材料及页码：向必纯 主编，大学物理实验，267-275作业安排： 数据处理，完成实验报告7.2实验二学院教师姓名课程名称学分/学时课程性质课次/学时学年/学期理学院吴飞近代物理实验1/32考查课2/42016-2017/2教学目标： 本实验通过对氩原子第一激发电位的测量，了解弗兰克和赫兹研究原子内部能量量子化的基本思想和方法；了解电子与原子碰撞和能量交换过程的微观图像，以及影响这个过程的主要物理因素。教学内容：教学内容：弗兰克赫兹实验原理、实验装置操作

32、、实验内容和操作步骤、实验数据处理重点：实验原理、实验内容和操作步骤、实验数据处理难点：实验原理教学实施过程及教学方法1911年，卢瑟福根据粒子散射实验，提出了原子核模型。1913年，玻尔将普朗克量子假说运用到原子有核模型，建立了与经典理论相违背的两个重要的概念：原子的定态能级和能级跃迁概念。电子在能级之间跃迁时伴随电磁波的吸收和发射，电磁波频率的大小取决于原子所处的定态能级间的能量差，并满足普朗克频率定则。随着英国物理学家埃万斯对光谱的研究，玻尔理论被确立。但是任何重要的物理规律都必须得到至少两种独立的实验方法的验证。随后，在1914年，德国科学家弗兰克和他的助手赫兹采用慢电子与稀薄气体中原

33、子碰撞的方法，简单而巧妙地直接证实了原子能级的存在，并且实现了对原子的可控激发，从而为玻尔原子理论提供了有力的证据。实验目的本实验通过对氩原子第一激发电位的测量，了解弗兰克和赫兹研究原子内部能量量子化的基本思想和方法；了解电子与原子碰撞和能量交换过程的微观图像，以及影响这个过程的主要物理因素。实验仪器 F-H管电源组、扫描电源和微电流放大器、加热炉（带控温装置）。实验原理玻尔的原子模型理论提出了三条假设：1）定态假设；2）跃迁的频率条件；3）角动量量子化条件。从这三个假设可以很好的解释氢原子光谱的规律性，但能否用实验方法，直接证明原子由低能级向高能级跃迁时吸收的能量也是量子化的呢？这种证明将会

34、从另一方向为玻尔理论找到实验依据，也就直接证明了原子能级的存在。要使原子从低能级跃迁到高能级，必须有某种能够改变原子能量状态的方法。改变原子能状态有两种方法：一是原子吸收辐射后向高能级跃迁，二是原子与其它粒子碰撞时接受能量后向高能级跃迁。要能控制和测量这种能量的大小，则采用第二种方法：用给定的电场来加速电子（电子的能量可以直接控制和测量），再让这些具有一定动能的电子和原子发生碰撞，处于基态的原子就可得到电子的能量向高能级跃迁。（历史上最早由夫兰克和赫兹用这种方法测出了汞原子的第一激发电位，并获得1925年诺贝尔奖）。电子和原子碰撞时是否发生能量交换呢？这和电子具有能量大小有关。设加速电子的电位

35、为V，电子获得的能量为eV，如果电子能量eV小于原子从基态跃迁到第一激发态所需的能量（称临界能量），原子不可能向高能态跃迁，即使电子与原子发生了碰撞，也只能是弹性碰撞，电子能量几乎没有损失；如果电子能量达到临界能量（相应的加速电压叫临界电位，记作Vg也称作原子的第一激发电位），电子与原子碰撞时，电子就可能将全部动能交给原子，原子从基态跃迁到第一激发态；如果电子能量大于临界能量，碰撞时原子只从电子那里获取跃迁到第一激发态所需的能量，多余的能量仍由电子保留，总之，只要加速电子的电位VVg，都会使原子从基态向第一激发态跃迁，处于不稳定的激发态的原子，又会很快以辐射方式放出能量回到稳定的基态，发出的辐

36、射由跃迁的频率条件给出：根据上述原理，我们采用充汞的F-H管及图1所示电路来测定汞的第一激发电位。下面对该装置的原理及F-H管的工作过程简要说明如下：根据上述原理，我们采用充汞的F-H管及图1所示电路来测定汞的第一激发电位。下面对该装置的原理及F-H管的工作过程简要说明如下： F-H管内贮有足够量的液态汞，管内温度升高时，始终能保持汞蒸汽处于饱和状态。阴极K在灯丝电压VF加热下，发射热电子作为低速运动电子的为源。阴极F和第二栅极G2之间的电位差Vp（0-90V），使得从阴极发出的电子穿过管内的Hg蒸气朝第二栅极加速运动。由于阴极到栅极的距离较大，这些电子与Hg原子可能发生多次碰撞。第二栅极G2

37、和板极P之间有一很小的负电压VG2（015V），对电子有一定的拒斥作用，使能量小于eVG2的电子不能到达板极。用微电流放大器M来测量阴极和板极电路中的电流强度IA，其值的大小反映了从阴极能够到达板极的电子数。第一栅极G1与阴极F之间的电压VG1（0-5V）加强阴极电子向栅极运动的束流。实验中直接要测量的就是板极电流IA随加速电位Vp的变化关系（测量中VG1和VG2不变）。当栅极电压Vp刚开始升高时，板极电流也随之增加，如图2的A段，当栅极电压Vp等于或稍大于Hg原子的第一激发电位Vg时，在栅极附近，电子的动能达到或稍大于Hg原子的临界能量eVg，电子就在这个区域与Hg原子发生非弹性碰撞，几乎把

38、全部动能交给Hg原子，使处于基态的Hg原子跃迁到第一激发态。这些电子由于损失了能量，不能克服拒斥电位VG2而到达板极，从而使板极电流IA很快下降，如图2曲线的AB段。当栅极电压Vp继续增大时，电子在距栅极较远处能量已达eVg，即在到达栅极之前就会与Hg原子发生非弹性碰撞失去能量，由于还处在阴极和栅极之间的区域，仍有加速电场作用，致使电子到达栅极时又具有了一定的功能，可以克服栅极与板极之间的拒斥电位而到达板极。从而使IA又会随Vp的增加而增加。如图2曲线的BC段。当Vp增加到2Vg时，与Hg原子发生过一次非弹性碰撞后的电子到达栅极附近时，能量第二次达到eVg，会与Hg原子发生第二次非弹性碰撞。所

39、以IA又会下降，如图2的CD段。随着Vp的不断增加，板流IA相继出现一系列的极大极小值（如图2）。显然，两个相邻的极大或极小值之间在横轴上的间距，就等于Hg原子的第一激光电位实验中板流电流IA的下降并不是完全突然的。曲线的峰总会有一定的宽度，这主要是由于从阴极发出的电子的能量服从一定的统计分布规律。另外，从实验曲线可以看到，IA并不下降到零，这主要是由于电子与原子的碰撞有一定的几率，当大部分电子恰好在栅极前使Hg原子激发而损失能量时，总会有另一些电子逃避了碰撞。由于F-H管的栅极和阴极由不同材料制成，即有接触电位差存在。这使得实际加速电压并不严格是Vp，而是Vp与接触电位差的代数和。因此，实验

40、曲线的第一峰值电压，并不是Hg原子的第一激发电位。只有相邻峰（谷）之间的距离才不受接触电位差的影响，与Hg原子的第一激发电位相同。实验步骤1按图1连接电路。2调加热炉温控：开启加热炉温控开关，使FH管置于180C。待炉温达到以上时，开启“F-H管电源组”的开关及“扫描电源和微电流放大器”的开关。控继电器跳变（指示灯同时跳变）时，炉温达到预定温度，才能开始实验。3选择适当的实验条件：使灯丝电压VF1.5伏，VG11伏，VG21伏，“扫描选择”置“手动”。4测量：改变VP同时观察微电流计上Ip的变化。如果VP增加时电流迅速增加则表明FH管击穿，则应立即调低VP，如果希望有较大的击穿电压，可以用降低

41、灯丝电压来达 到。选取合适的实验点数记录数据，使能完整真实地绘出IA Vp曲线（曲线的峰 或谷不低于10个）。5实验完后，先关掉加热炉，接着将所有的电源调节电位器都调到最小，然后再关掉电源开关。数据处理1 用方格纸绘出曲线。2 记下曲线的峰或谷位置电位Vp值。3用最小二乘法处理峰或谷点位置的电位 其中i为峰或谷序数，Vc为接触电位，Vg为拟合的第一激发电位。注意事项：1 如用充汞管则应先开启加热电炉至实验值，再开启其它电源。2 不同的实验条件有不同的Vp击穿值、击穿发生应立即调低Vp以免FH管受损。 灯丝电压不宜放得过大，宜在23伏左右。相关阅读材料及页码：向必纯 主编，大学物理实验，275-

42、282作业安排： 数据处理，完成实验报告 7.3实验三学院教师姓名课程名称学分/学时课程性质课次/学时学年/学期理学院吴飞近代物理实验1/32考查课3/42016-2017/2教学目标： 通过实验深刻理解爱因斯坦的光电效应理论，了解光电效应的基本规律； 掌握用光电管进行光电效应研究的方法；学习对光电管伏安特性曲线的处理方法，并用以测定普朗克常数。教学内容：教学内容：光电效应实验原理、实验装置操作、实验内容和操作步骤、实验数据处理 重点：实验原理、实验内容和操作步骤、实验数据处理难点：实验原理 教学实施过程及教学方法量子论是近代物理的基础之一，光电效应给量子论以直观、鲜明的物理图象。随着科学技术

43、的发展，光电效应已在电视、传真、自控等诸多领域有广泛的应用。Planck常数（公认值h6.62617610-34J.S）在近代物理学中占有重要的地位，它可以用光电效应简单而又较准确求出。实验目的通过实验深刻理解爱因斯坦的光电效应理论，了解光电效应的基本规律； 掌握用光电管进行光电效应研究的方法；学习对光电管伏安特性曲线的处理方法，并用以测定普朗克常数。实验原理当一定频率的光照射到某些金属表面时，可以使电子从金属表面逸出，这种现象称为光电效应，所逸出的电子称为光电子。光电效应是光的经典电磁理论所不能解释的。1905年，Entein依据Planck的能量子假说提出了光子的概念，使光电效应所有的实验

44、结果得以圆满解释。他认为光是一种粒子（即光子），频率为n的光子具有能量=hn，当金属中的电子吸收一个频率为n的光子时，便获得能量hn，如果该能量大于电子摆脱金属表面约束所需要的逸出功A，电子就会从金属中逸出。根据能量导恒定律有： （）上式称为Enstein方程。其中m,Vmax是光电子的质量和最大速度,是光电子逸出表面后所具有的最大功能。如果光子能量hn小于A时，电子不能逸出金属表面，从而没有光电效应产生；产生光电效应的最低频率n0=A/h，称为光电效应的截止频率（又称红限）。不同金属有不同的截止频率，因为它们的逸出功各不相同。对于Enstein的假说，R.A.密立根从1905年Enstein

45、的论文问世后经过十年左右艰苦卓绝的工作，1916年发表详细的实验论文，证实了Enstein方程，并精确测出了Planck常数。A.Enstein和R.A密立根都因光电效应等方面的贡献，分别于1921年和1923年获得诺贝尔奖金。按照R.A.密立根实验思路，要求精确测定光电子最大动能和入射光频率之间的关系。实验采用图1所示的原理。用不同频率的单色光照射光电管阴极K，用“减速电位法”测定阴极发射光电子的最大动能：当阳极A的负电位较小时，光电子损失一部分功能后，仍然可以达到阳极，形成的光电流由微电流测试仪 G测出。阳极的负电位逐渐增大，光电流会随之变小；当阳极的负电位增大到某一值时，图实验原理图 图

46、一定频率光下曲线使动能最大的光电子刚好不能克服减速电场到达阳极，光电流降为零（如图2所示），这时有关系式：这个使光电流刚刚降为零的电压Uc称为截止电压。由此，方程（1）可改写成：即 （）它表示U与n间存在线性关系，其斜率等于h/e，因而可以从对Uc与n的数据分析中求出Planck常数。虽然用光电效应实验验证Enstein方程，测定Planck常数，其原理比较简单，但实际工作需要排除一些干扰，才能获得具有一定精度并且可以重复的结果。主要的影响因素有：1暗电流：光电管在没有受到光照时也会产生电流，称为暗电流，主要来自光电管极的热电子发射。2反向电流：光电管的两极材料不同，在工业制作过程时，阳极A往

47、往溅有阴极材料。当光射到A上时，阳极A往往也有电子发射；此外来自阴极的电子也有被阳极表面反射的可能。当对阴极电子加负压使之减速时，对来自阳极的电子却起了加速的作用，从而使之到达阳极，形成反向电流。由于上述因素的干扰，实测光电效应为阴极电流、暗电流和反射电流之和（图3）。由于反向电流和暗电流的存在，使得截止电压的测定变得困难。对于不同的光电管，应根据I-曲线的特点，选用不同的方法确定截止电压。这里介绍一种较为简单确定截止电压的方法。本实验选取的GD31A型光电管，在截止电压附近阳极光电流上升很快，从I-U曲线中找出电流开始变化的“抬头点”，用来确定截止电压Uc。实验中一般采用切线交会法，即将变化

48、缓慢的暗电流和反向电流的切线与光电流上升得快曲线的切线相交，对应的反向电压即为截止电压Uc。实验仪器各器件安装在一个70015060mm的工作台上（在箱体内部有DC12V稳压电源C220V/8V变压器）。图4表示实验装置的光电原理。光源：12V，75W卤钨灯；风扇：DC12V 0.17A，供光源散热用；聚光器：由f=50mm和f=70mm两个透镜会聚成直线光束；单色仪：1型，光栅式；光电管：GD31A型；直流稳压电源：1.8V，用数字电压表；测量放大器：为电流放大，4档倍率转换，磁电式100A电流计。卤钨灯S发出的光束经透镜L会聚到单色仪M的入射狭缝上，从单色仪出射狭缝发出的单色光投射到光电管

49、PT的阴级金属板K，释放光电子（发生光电效应），A是集电级（阳极）。由光电子形成的光电流经放大器AM放大后可以被微安表测量。S：卤钨灯；L：透镜；M：单色仪；G：光栅；PT：光电管；AM：放大器图4普朗克常量实验装置光电原理实验方法与步骤一接通卤钨灯电源，松开聚光器紧定螺丝，伸缩聚光镜筒，并适当转动横向调纽，使光束会聚到单色仪的入射狭缝上。二单色仪的调节1、单色仪的参数 波长范围 200-800nm 狭缝 固定宽度0.3mm 波长精度 1nm 波长重复性 0.5nm2、将光电管前的挡光板置于挡光位置。转动波长读数鼓轮（螺旋测微器），观察通过出射缝到达挡光板的从红到紫的各种单色光斑，直到波长度数

50、鼓轮转到零位置，挡光板上出现白光。可能发生的零位偏差，实验读数中应予以修正。图5 单色仪的读数装置3、单色仪输出的波长示值是利用螺旋测微器读取的。如图5所示，读数装置的小管上有一条横线，横线上下刻度的间隔对应着50 nm的波长。鼓轮左端的圆锥台周围均匀地划分成50个小格，每小格对应1 nm。当鼓轮的边缘与小管上的“0”刻线重合时，单色仪输出的是零级光谱。而当鼓轮边缘与小管上的“5”刻线重合时，波长示值为500 nm。4、切断“放大测量器”的电源，接好光电管与放大测量器之间的电缆，再通电预热20-30min后，调节该测量放大器的零点位置。5、测量光电管的伏安特性 取下暗盒盖，让光电管对准单色仪出

51、射狭缝（缝宽仍取较窄一档），按上述螺旋测微器与波长示值的对应规律，在可见光范围内选择一种波长输出，根据微安表指示，找到峰值，并设置适当的倍率按键； 调节“放大测量器”的“旋钮1”可以改变外加直流电压。从1 V起，缓慢调高外加直流电压，先注意观察一遍电流变化情况，记住使电流开始明显升高的电压值； 针对各阶段电流变化情况，分别以不同的间隔施加遏止电压，读取对应的电流值。在上一步观察到的电流起升点附近，要增加监测密度，以较小的间隔采集数据（电流转正后，可适当加大测试间隔，电流可测到9010-9A为止）； 陆续选择适当间隔的另外57种波长光进行同样测量，列表记录数据。数据处理1在3525cm或2520

52、cm毫米方格纸上分别作出被测光电管在68种波长（频率）光照射下的伏安特性曲线，并从这些曲线找到和标出IAK的遏止电位，填入下表。提示：作GD31A型光电管伏安特性曲线，若用到红光波段，随着频率的降低，遏止电位倾向于从曲线的“拐点”逐渐向上偏移。波长（nm）频率遏止电位Uc（V）2根据上表数据作V0-关系图，如得一直线，即说明光电效应的实验结果与爱因斯坦光电方程是相符合的。用该直线的斜率乘以电子电荷e（1.60210-19C），求得普朗克常量。3普朗克常量与公认值作比较。注意事项GD-31A型光电管属高灵敏度光电管，但产品个体之间灵敏度可能会有较大差别，其中该指标较低的光电管，不同频率单色光的几条伏安特性曲线容易靠得太近。这时可在一张3525cm格纸上分作两图，使曲线间有适当距离。测微电流时必须确认表针停稳后才可以读数。实验中要注意可能出现的微电流计指针的漂移现象。遇短时间的漂移，实验可暂停片刻；对数据有较大影响时，部分测量可以重做；若电网电压波动较大，卤钨灯宜配接交流稳压器。相关阅读材料及页码：向必纯 主编，大学物理实验，254-261作业安排： 数据处理，完成实验报告7.4实验四学院教师姓名课程名称学分/学时课程性质课次/学时学年/学期理学院