《大学物理实验》第七部分 近代物理 实验1-5

PAGEPAGE247第5章近代物理实验近代物理实验是介于普通物理实验和科学研究之间的一种实践环节，其中有些实验在近代物理学发展历程中起过重要的作用，还有一些实验则涉及到现代实验研究中的一些专门技术。也有一些实验由计算机软件协助完成。通过学习近代物理实验的实验思想和实验技术，可以使我们了解前人的探索过程和物理学家的物理思想，掌握近代物理实验的某些原理和实验方法，掌握运用现代计算机技术进行物理实验的思想方法，锻炼我们综合运用各种实验技术的能力。5.1密立根油滴实验美国物理学家密立根(R．A．Millikan)在1909年到1917年通过实验测量微小带电油滴在静电场和重力场中的受力平衡情况及在空气中的运动情况，巧妙的求出了微小带电油滴所带的电量，并且通过相应的数据处理，得出了电荷量子化的结论。密立根油滴实验的设计简明巧妙，方法简单，而结论却具有不容置疑的说服力，1923年荣获诺贝尔物理学奖。因此现在我们重演这个实验仍具有一定的启发性。【实验目的】1、通过实验了解、掌握密立根油滴实验的设计思想，实验方法和实验技巧。2、验证电荷的量子化并测定基本电荷电量。3、通过对实验仪器的调整和油滴的选择、跟踪、测量以及实验数据处理等，培养学生严谨的科学实验态度。【实验原理】利用密立根油滴仪测定电子电量，关键在于测出油滴的带电量。测定油滴的带电量通常有两种方法：静态（平衡）测量法和动态（非平衡）测量法。前者的测量原理、实验操作和数据处理都较简单，故这里主要介绍静态（平衡）测量法。图5-1-1图5-1-1用喷雾器将油滴喷入电容器两块相距为d的水平放置平行电极板之间，油滴经喷射后，一般都是带电的。设油滴的质量为m，所带的电荷为q，两极板间的电压为U，则油滴在平行极板间将同时受到重力mg、静电力qE和空气浮力的作用。如图5-1-1所示。如果调节两极板间的电压U，可使两力达到二力平衡，这时（5-1-1）从上式可见，为了测出油滴所带的电量q，除了需测定U和d外，还需要测量油滴质量m。因m很小，需用如下特殊方法测定。平行极板不加电压时，油滴受重力作用而加速下降，除受空气浮力作用外，还受空气粘滞阻力的作用，粘滞力可由斯托克斯定律给出：下降一段距离达到某一速度后，空气粘滞阻力、空气浮力与重力平衡，油滴将匀速下降。油滴匀速下降时（5-1-2）式中，η是空气的粘滞系数，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，空气的密度为，油滴的质量m、空气浮力可用下式表示（5-1-3）（5-1-4）由式（5-1-2）、（5-1-3）、（5-1-4）得油滴半径（5-1-5）式中，，对于半径小到10-6米的油滴小球，与空气分子的间隙相当，空气已不能看成是连续介质，空气的粘滞系数应作如下修正此时的斯托克斯定律应修正为式中b为修正常数，b=6.17×10-6米·厘米汞高，p（5-1-6）上式根号中还包含油滴的半径，由于它处在修正项中，故不需十分精确，因此它可用（5-1-5）式计算即可。式（5-1-6）中的油滴匀速下降的速度，可用下述方法测出：在平行板未加电压时，测出油滴下降长度时所用的时间，即可知（5-1-7）将（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）上式是用平衡测量法测定油滴所带电荷的理论公式。2、动态（非平衡）测量法为解决静态平衡法中由于空气流扰动而产生的非预期的影响以及油滴蒸发引起的误差，可在平行极板上加以适当的电压U，使油滴受静电力作用加速上升。速度增加时，空气对油滴的粘滞力也随之增大，上升一段距离达到某一速度后，油滴将以匀速上升,油滴所受空气粘滞阻力、空气浮力、重力与静电力达到平衡，这时当去掉平行极板上所加的电压U后，油滴受重力作用而加速下降。当空气粘滞阻力、空气浮力和重力平衡时，两式相除得所以（5-1-9）如果油滴所带的电量从变到，油滴在电场中匀速上升的速度将由变成，而匀速下降的速度不变，这时油滴所带的电量显然电荷的改变量（5-1-10）实验时取油滴匀速下降和匀速上升的距离相等，都设为，测得油滴匀速下降所用时间为，匀速上升所用时间为和，即（5-1-11）将式（5-1-6）和式（5-1-11）代入式（5-1-9）和式（5-1-10）得（5-1-12）令则从实验所测得的结果，可以分析出与只能为某一数值的整数倍，由此可以得出油滴所带电子的总数和电子的改变数，从而得到一个电子的电荷为（5-1-13）【实验仪器】HLD-MOD-Ⅸ型油滴仪，喷雾器，油，MOD-5型立根油滴仪1、MOD-5型立根油滴仪如图5-1-2和图5-1-3所示。图5-图5-1-3油滴盒图5-1-41-喷雾口；2-油雾口开关；3-油雾孔；4-上电极板压簧5-外接电源插孔；6-油滴盒基座；7-油滴仪版面图5-1-21-油滴盒；2-防风罩；3-油雾室；4-照明灯；5-导光棒；6-照明灯电源插座；7-调平螺丝；8-水平仪；9-显微镜；10-目镜头；11-接目镜；12-调焦手轮；13-数字电压表；14-工作电压调节旋钮；15-工作电压反向开关；16-升降电压调节旋钮；17-升降电压反向开关；18-低压汞灯；19-CCD；20-CCD托板；21-CCD接筒；22-CCD电源插座；23-视频电缆；24-监视器；25-计时器插座油滴仪包括油滴盒、照明装置、调平装置、测量显示镜、电源、计时器、喷雾器等。MOD-5B型密立根油滴仪带有低压汞灯，可改变油滴所带的电荷量。MOD-5BC型密立根油滴仪还配有电荷耦合器件（CCD）的电子显示装置。油滴盒由两块经过精磨的平行板（上、下电极）和中间垫的胶木圆环组成。胶木圆环上有进光孔、观察孔和石英玻璃窗口，油滴盒放在防风罩中，上极板中央有一个直径0.4mm油滴盒防风罩前装有测量显微镜，用以观察平行板间的油滴。测量显微镜目镜中装有分划板（如图5-1-4所示），其垂直总刻度相当于视场中的0.3cm电源部分提供4种电压：①3.6V油滴照明电压；②500V直流工作电压，该电压可连续调节，从数字电压表上直接读数，并由工作电压的反向开关改变上下电极板的极性；③200V左右的直流升降电压，该电压叠加在工作电压上，以控制油滴在视场中的合适位置。升降电压高，油滴移动速度快，反之则慢，该电压在电压表上无指示；④12VCCD电源电压。2、HLD-MOD-Ⅸ型油滴仪HLD-MOD-Ⅸ型油滴仪由主机和实验软件两部分构成，主机部分主要由机箱面板、油滴盒和复杂的电子电路构成。这里仅对机箱面板、油滴盒、实验软件界面及软件操作控件做以简易的介绍。图5-1-5HLD-MOD-IX型油滴仪面板俯视图1-电压显示；2-时间显示；3-视频输出插座；4-水准泡；5-油雾室和照明灯室：6-电源开关按钮；7-显微镜；8-“正负电荷”按钮；9-图5-1-51-电压显示；2-时间显示；3-视频输出插座；4-水准泡；5-油雾室和照明灯室：6-电源开关按钮；7-显微镜；8-“正负电荷”按钮；9-“复位”按钮；10-CCD摄像头；11-“清零”按键；12-“计/停”按键；13-“测量”按键；14-“平衡”按键：；15-“提升”按键；16-平衡电压调节旋钮。机箱面板如图5-1-5所示，旋钮功能请看图注。需要指出的是：“3-视频输出插座”是在本机配用CCD摄像头时使用，输出至监视器，监视器阻抗选择开关拔至75Ω处；“12-计/停按键”是在油滴下落到预定开始位置时按一下此键，开始计时，到达预定距离时，再按一次该键，停止计时；“15-提升按键”，按下该键时，上下电极在平衡电压的基础上自动增加DC200V～300V的提升电压；“16-平衡电压调节旋钮”，可调节“平衡”按键时的极板间电压，调节电压DC0～500V左右。图5-1-6HLD-MOD-IX型油滴仪油滴盒1-上盖板;2-油雾孔开关;3-油雾室;4-油雾孔5-喷雾口;6-上电极板压簧;7-上电极板;8-防风罩;9-胶木圆环;10-下电极板;11-油滴盒基座;12-底板=2\*GB2⑵图5-1-61-上盖板;2-油雾孔开关;3-油雾室;4-油雾孔5-喷雾口;6-上电极板压簧;7-上电极板;8-防风罩;9-胶木圆环;10-下电极板;11-油滴盒基座;12-底板油滴盒示意图如图5-1-6所示，油滴盒的防风罩前装有测量显微镜，通过胶木圆环上的观察孔观察平行极板间的油滴，显示屏上装有分划板，其总刻度相当于线视场中0.2cm，用以测量油滴运动的距离L，分划板中间的横向刻度尺是用来测量布朗运动的。=3\*GB2⑶实验软件界面软件界面如图5-1-7，各按钮功能看图注。图5-1-7密里根油滴仪实验界面1-菜单按钮：2-标题栏：3-图像采集区：4-最小化按钮：5-关闭按钮：6-数值显示区：7-实验控制区：8-图像控制区：9-实验原理提示：10-数据操作区：11-数据记录区。=4\*GB2⑷图5-1-71-菜单按钮：2-标题栏：3-图像采集区：4-最小化按钮：5-关闭按钮：6-数值显示区：7-实验控制区：8-图像控制区：9-实验原理提示：10-数据操作区：11-数据记录区。实验控制区内有如下按钮：“提升”、“平衡”、“测量”、“计时”、“停止”、“清零”，这些按钮只有在设备打开成功后才可使用。在具体操作时，其作用与油滴仪面板上的按钮的作用大致相同。【实验内容】1、用MOD-5型立根油滴仪测量=1\*GB2⑴调整仪器将仪器放平稳，调节仪器底部左右两只调平螺丝，使水平仪指示水平，这时平行极板处于水平位置。先预热10min，利用预热时间，从测量显微镜中观察。如果分划板位置不正，则转动目镜头，将分划板放正，目镜头要转到底。调节目镜，使分划板刻线清晰。将油从油雾室旁的喷雾口喷入（喷雾器持平喷一次即可），微调测量显微镜的调焦手轮，使视场中出现大量清晰的油滴。如果视场太暗，油滴不够清晰，或视场上下亮度不均匀，可略微转动油滴照明灯的方向节，使小灯泡前面的聚光灯正对前方。若用CCD（连同监视器），则将CCD对准显微镜，并进行调节，使监视器中看到清晰明亮的油滴。注意：调整仪器时，如果打开有机玻璃油雾室，必须先将平衡电压反向开关置“0”=2\*GB2⑵练习测量=1\*GB3①练习控制油滴：用平衡法实验时，在平行极板上加工作（平衡）电压250V左右，反向开关放在“+”或“-”侧均可，放走不需要的油滴，直到剩下几颗缓慢运动的油滴为止。注视其中的某一颗，仔细调节平衡电压，使这颗油滴静止不动。然后去掉平衡电压，让它匀速下降，下降一段距离后再加上平衡电压和升降电压，使油滴上升。如此反复多次地进行练习，以掌握控制油滴的方法。=2\*GB3②练习测量油滴运动的时间：任意选择几颗运动速度快慢不同的油滴，用秒表测出它们下降一位移段所需要的时间。或者加上一定的电压，测出他们上升一段距离所需要的时间。如此反复多练几次，以掌握测量油滴运动时间的方法。=3\*GB3③练习选择油滴：要做好本实验，很重要的一点是选择合适的油滴。选的油滴体积不能太大，太大的油滴虽然比较亮，但带电荷比较多，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，否则布朗运动明显。通常平衡电压在200V以上，在20~30s时间内匀速下降2mm的油滴，其大小和带电量都比较合适。=4\*GB3④练习改变油滴的带电量：对MOD-5B型密立根油滴仪，可以改变油滴的带电量。按下汞灯按纽，低压汞灯亮约5s，油滴的运动速度发生改变，这时油滴的带电量已经改变了。=3\*GB2⑶正式测量=1\*GB3①平衡测量法：从式（5-1-8）可知，用静态平衡测量法实验时，要测量两个量，一个是平衡电压U，另一个是油滴匀速下降一段距离所需要的时间tg。测量平衡电压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，以便准确判断出这颗油滴是否平衡。测量油滴匀速下降一段距离所需要的时间时，应先让油滴下降一段距离后再测量时间。选定测量的一段距离，应该在平行板之间的中央部分，即视场中分划板的中央部分。若太靠近上电极板，小孔附近有气流，电场也不均匀，会影响测量结果。若太靠近下电极板，测量完时间tg后，油滴容易丢失，影响测量。一般取为0.2cm比较合适。对同一颗油滴应进行5~6次测量，而且每次测量都要重新调整平衡电压。如果油滴逐渐变得模糊，要微调测量显微镜跟踪油滴，防止油滴丢失。用同样方法分别对1~2颗油滴进行测量，对MOD-5B型密立根油滴仪，也可用改变油滴带电量的办法，反复对同一颗油滴进行实验，求得电子电荷。=2\*GB3②动态非平衡测量法：具体方法可由学生根据实验原理自拟（供选做）。=3\*GB3③改变油滴带电量的研究与测量（供选做）方法自拟。2、用HLD-MOD-Ⅸ型油滴仪测量=1\*GB2⑴仪器调节=1\*GB3①将仪器放平稳，调节底座上的三个调平手轮，使水准泡指示水平，这时平行极板处于水平位置。=2\*GB3②打开油滴仪电源，先预热仪器，预热时间不少于10分钟。打开监视器电源，5秒后自动进入测量状态。=2\*GB2⑵静态（平衡）测量法=1\*GB3①按“清零”键，使计时秒表清零。=2\*GB3②按下“平衡”按键，调节电压在200V左右，将油雾从油雾室旁的喷雾口喷入(喷1—2次即可)，，打开油雾孔开关，油滴从上电极板中间直径0.4mm的小孔落入电场中。微调测量显微镜的调焦手轮，这时在监视屏上将出现大量清晰的油滴，如果视场太暗，油滴不够明亮，亮度不均匀，可打开监视器左边小盒，内有4个调节旋钮。对比度一般置于较大，亮度不要太亮。=3\*GB3③通过调节“平衡电压调节旋钮”驱走不需要的油滴，直到剩下几颗缓慢运动、大小适中的油滴为止，选择其中一颗，仔细调节平衡电压，使油滴静止不动。记下“电压表”上显示的数U。=4\*GB3④通过按“提升”按键把油滴提升到显示屏最上端，再按下“测量”键，使油滴开始下降。=5\*GB3⑤当油滴转为匀速运动时（正常须在按下“测量”键1秒钟后），可根据需要按下“计/停”按键计时。=6\*GB3⑥通过按“计/停”键，测量油滴下落为2mm（在刻度板为4大格）的距离所经过的时间。停止计时，并立即按“平衡”键或“提升”键，以免油滴逃逸出本电场，此时完成一颗油滴的测量，此时“秒表”上的时间为油滴在2mm距离匀速运动的时间。=7\*GB3⑦如此对同一颗油滴重复5次测量，每次测量时都要检查和调整平衡电压，如果油滴逐渐变得模糊，要微调测量显微镜，跟踪油滴，勿使丢失。=8\*GB3⑧用同样方法，选择2颗油滴分别进行测量。得到该实验所需多组数据。=9\*GB3⑨按公式对实验测量数据进行数据处理。【数据记录与数据处理】1、MOD-5型立根油滴仪测量数据记录和数据处理参照表格5-1-12、HLD-MOD-Ⅸ型油滴仪测量(1)手动测量静态（平衡）测量法表5-1-1油滴(s)(V)()()()()123451234512相关计算：根据公式进行计算，式中油滴的半径，各常数分别如下：油的密度重力加速度空气粘滞系数油滴匀速下降距离修正常数大气压强平行极板间距离目前e的公认值可以得到油滴带电量：，油滴半径：，油滴质量：。动态（非平衡）测量法表格自拟，并计算测量结果。电量的计算以上计算公式中取近似等于油滴在温度为的密度，取t=20℃时油的密度计算，引起的最大相对误差为为了证明电荷的不连续性和所有电荷都是基本电荷的整数倍，并得到基本电荷值，我们就应对实验测得的各个电荷值用差值法求出它们的最大公约数，此最大公约数就是基本电荷值。但由于实验所带来的误差，求最大公约数比较困难，因此我们常用“倒过来验证”的办法进行数据处理，即用实验测得的每个电荷值除以公认的电子电荷值C，得到一个接近于某一个整数的数值，对这个数值四舍五入取整，这个整数就是油滴所带的基本电荷的数目，再用实验测得的电荷值除以相应的，即得到电子的电荷值。(2)自动操作实验室用HLD-MOD-Ⅸ型油滴仪附有一套快速数据处理软件(平衡法)，同学们可在计算机上操作，实验数据和结果可一并打印出来，详见软件介绍。【注意事项】1、实验前必须调节仪器底座上的三只调平手轮，使底座上的水准仪指示水平。2、喷雾时喷雾器应竖拿，喷雾器对准油雾室的喷雾口，轻轻喷入少许油即可，切勿将喷雾器插入油雾室，甚至将油倒出来，更不应该将油雾室拿掉后对准上电极板落油小孔喷油。否则会把油滴盒周围搞脏，甚至堵塞落油孔。3、油滴盒上下电极间有高压产生，请不要将油雾杯取下来，以防触电。5.2夫兰克-赫兹实验20世纪初，在原子光谱的研究中确定了原子能级的存在。原子光谱中的每根谱线就是原子从较高能级向较低能级跃迁时的辐射形成的。原子能级的存在，除了可由光谱研究证实外，还可利用慢电子轰击稀薄气体原子的方法来证明。1914年夫兰克-赫兹采用这种方法研究了电子与原子碰撞前后电子能量改变的情况，测定了汞原子的第一激发电位，从而证明了原子分立态的存在。后来他们又观测了实验中被激发的原子回到正常态时所辐射的光，测出的辐射光的频率很好地满足了玻尔假设中的频率定则。夫兰克-赫兹实验的结果为玻尔的原子模型理论提供了直接证据，他们因此获得了1925年度的诺贝尔物理奖。夫兰克-赫兹实验至今仍是探索原子结构的重要手段之一，实验中用的“拒斥电压”筛去小能量电子的方法，已成为广泛应用的实验技术。【实验目的】1、用实验的方法测定氩或汞原子的第一激发电位，从而证明原子分立态的存在。2、练习使用微机控制的实验数据采集。【实验原理】图5-2-1原子结构示意图根据玻尔的原子模型理论，原子是由原子核和以核为中心沿各种不同轨道运动的一些电子构成的（图5-2-1）。对于不同的原子，这些轨道上的电子数分布各不相同。一定轨道上的电子具有一定的能量。当同一原子的电子从低能量的轨道跃迁到高能量的轨道时（如图5-2-1中从І到Ⅱ），原子就处于受激状态。若轨道Ⅰ为正常状态，则较高能量的Ⅱ图5-2-1原子结构示意图1、定态假设。原子只能处在稳定状态中，其中每一状态对应于一定的能量值Ei(i=1,2,3,…),这些能量值是彼此独立的，不连续的。2、频率定则。当原子从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态时，就吸收或释放出一定频率的电磁辐射。频率的大小取决于原子所处两定态之间的能量差，并满足如下关系（5-2-1）其中h=6.63×10-34J·s,称作普朗克常数。通常在两种情况下可让原子状态改变：一是当原子吸收或发射电磁辐射时；二是用其他粒子碰撞原子而交换能量时。用电子轰击原子实现能量交换最方便，因为电子的能量eU可通过改变加速电势U来控制。夫兰克-赫兹实验就是用这种方法证明原子能级的存在。如果电子的能量eU很小时，电子和原子只能发生弹性碰撞，几乎不发生能量交换。设初速度为零的电子在电位差为U0的加速电场作用下，获得能量eU0。当具有这种能量的电子与稀薄气体原子发生碰撞时，电子与原子发生非弹性碰撞，实现能量交换。氩原子吸收从电子传递来的能量恰好为（5-2-2）图5-2-2夫兰克-赫兹原理图这时，氩原子就会从基态跃迁到第一激发态。而且相应的电位差称为氩的第一激发电位。测出这个电位差U0，就可以根据（5-2-2）式求出氩原子的基态和第一激发态之间的能量差（其他元素气体原子的第一激发电位亦可依此法求得）。夫兰克-赫兹实验的原理如图图5-2-2夫兰克-赫兹原理图图5-2-3夫兰克-赫兹管管内空间电位在充氩的夫兰克-赫兹管中，电子由热阴极K出发，阴极K和第二栅极G2之间的加速电压VG2K使电子加速。在板极A和第二栅极G2之间加有反向拒斥电压VG2A。管内空间电位分布如（图5-2-3）所示。当电子通过KG2空间进入G2A空间时，如果有较大的能量（eVG2A），就能冲过反向拒斥电场而达板极形成电流，为微电流计检出。如果电子在KG2空间与氩原子碰撞，把自己的一部分能量传给氩原子而使后者激发的话，电子本身所剩余的能量就很小，以致通过第二栅极后已不足以克服拒斥电场而被折回到第二栅极，这时，通过微电流计的电流将显著减小。实验时，使VG2K电压逐渐增加并仔细观察微电流计的电流指示，如果原子能级确实存在，而且基态和第一激发态之间存在确定的能量差的话，就能观察到如（图5-2-4）所示的IA～VG2K曲线。该曲线反映了氩原子在KG2空间与电子进行能量交换的情况。当KG2空间电压逐渐增加时，电子在KG2空间被加速而取得越来越大的能量。但起始阶段，由于电压较低，电子的能量较少，即使在运动过程中它与原子相碰撞也只有微小的能量交换（为弹性碰撞）。穿过第二栅极的电子所形成的电流IA将随第二栅极电压VG2K的增加而增大（图5-2-4的Oa段）；当KG2间的电压达到氩原子的第一激发电位图5-2-3夫兰克-赫兹管管内空间电位图5-2-5DH4507A型夫兰克-赫兹实验仪实物图图5-2-4夫兰克-赫兹管IA—VG2K曲线所以板极电流将显著减小（图5-2-4所示ab段）。随着第二栅极电压的增加，电子的能量也随之增加，在与氩原子相碰撞后还留下足够的能量，可以克服反向拒斥电场而达到板极A，这时电流又开始上升（bc段）。直到KG2间电压是二倍氩原子的第一激发电位时，电子在KG2间又会二次碰撞而失去能量，因而又会造成第二次板极电流的下降（cd段），同理，凡在的地方板极电流IA都会相应下跌，形成规则起伏变化的IA～V图5-2-5DH4507A型图5-2-4夫兰克-赫兹管IA—VG2K曲线本实验就是要通过实际测量来证实原子能级的存在，并测出氩原子的第一激发电位（公认值为U0＝11.5V）。原子处于激发态是不稳定的。在实验中被慢电子轰击到第一激发态的原子要跳回基态，进行这种反跃迁时，就应该有eU0电子伏特的能量发射出来。反跃迁时，原子是以放出光量子的形式向外辐射能量。这种光辐射的波长为(5-2-3)对于氩原子来说，λ=1081Å。【实验仪器】1、DH4507A型夫兰克图5-2-6夫兰克-赫兹实验原理图DH4507A型夫兰克—赫兹实验仪是一种智能型实验仪器（图5-2-5），该实验仪需要依托微机和配套软件来完成实验，可以对图5-2-6夫兰克-赫兹实验原理图2、夫兰克-赫兹实验仪普通型夫兰克-赫兹实验仪实验用线路如图5-2-6=1\*GB2⑴夫兰克-赫兹管。这是一个具有双栅结构的柱面的充汞四极管。其工作温区为100℃~210℃，在180℃时获得明显的第一谱峰。图5-2-7加热炉外形及面板图1-极板；2-接地端；3-栅极；4、灯丝；5-灯丝阴极；6-控制栅极；7-感温探头；8-加热炉电源=2\*GB2⑵加热炉。加热炉外形面板图如图5-2-7所示，加热炉加热温度约400℃，炉内保温性好，温度均匀。面板为实验用接线板图5-2-7加热炉外形及面板图1-极板；2-接地端；3-栅极；4、灯丝；5-灯丝阴极；6-控制栅极；7-感温探头；8-加热炉电源=3\*GB2⑶温度控制仪。它由交流控温电桥、交流放大器、相敏放大器、控温执行继电器四部分组成。控温范围20℃~300℃，控温精度±1℃，同时也能指示被控温度大小。=4\*GB2⑷稳压电源。稳压电源输出分为三组，均可调节。第一组作为灯丝电压，第二组作为拒斥场电压，第三组作为控制栅电压。=5\*GB2⑸扫描电源。用以改变加速电压Ua。输出波形：锯齿波、三角波。扫描方式：手动、自动。扫描电源上有电压表指示扫描电压大小。为使读数精确，同时再外接一个量程200V的数字电压表，指示该电压大小。=6\*GB2⑹微电流放大器。该仪器是利用高输入阻抗运算放大器支撑的I-U变换器，可测量10-10A~10-8A的电流，在本实验用来测量板极电流。使用时电路中接入一个微安表，指示被测电流的相对大小。测量开始前调节“调零”旋钮，使电流表指针指零。由于电流为电子流，应将极性开关扳到“-”。【实验步骤】1、智能型夫兰克—赫兹实验仪对氩原子能级的测量=1\*GB2⑴用示波器观察IA—VG2K曲线=1\*GB3①将面板上的四对插座（灯丝电压；第二栅压VG2K；第一栅压VG1K；拒斥电压VG2A）按面板上的接线图与电子管测试架上的相应插座用专用连接线连好。将“信号输出”及“同步输出”与示波器相连。或只将“信号输出”与示波器相连，使用示波器的内同步。微电流检测器已在内部连好。按“set”键+“>”键,使四组电压加载，此时加载灯亮。=2\*GB3②加载10分钟以后，按下“自动/手动”键，此时“自动”灯点亮。=3\*GB3③此时第二栅压值开始从0V到85.3V自动扫描，共512个步进值，每一伏有6个步进值，一个步进值为0.166V（显示时的十位和个位按原值显示，而小数点后一位的6个步进值显示为0.0，0.2，0.3，0.5，0.7和0.8），自动扫描时，电流表的读数应不断变化。=4\*GB3④调整示波器的幅度及扫描旋钮，使其波形稳定。在第二栅压自动扫描时，可在示波器上观察到实时生成的六个峰，在自动扫描完成后，这六个峰仍稳定地显示在屏幕上，若要清除这六个峰，可在手动方式下按“set”键+“自动/手动”键。=5\*GB3⑤在自动扫描时，可按“set”键+“10-6”键，以改变扫描的速度。扫描的速度共分为三档：低、中、高。开机缺省设置为高。=6\*GB3⑥若要进行下一次自动扫描，可按“自动/手动”键，转到手动方式，再按“set”键+“自动/手动”键,清除上次扫描得到的数据，再按“自动/手动”键转到自动扫描。=2\*GB2⑵用微机测量=1\*GB3①将实验仪与微机相连。=2\*GB3②在“自动”测试时，第二栅压值从0V到85.3V自动扫描，这时电流表示数也不断地有规律的变化，然后在电脑中进入“夫兰克-赫兹实验”界面，再单击“设置”→“工作方式”→“自检”，此时屏幕上出现一小段曲线，表示夫兰克-赫兹实验仪工作基本正常。=3\*GB3③单击“设置”→“工作方式”→“正常操作”，然后单击一下“发送”，再单击一下“画图”，这时屏幕上就出现实际采集到的爬坡曲线。若爬坡曲线不太理想，可进行“放大”或“缩小”操作，这些操作不影响氩原子第一激发电位的测量。=4\*GB3④在爬坡曲线上，从左到右点击六个峰值(或谷值)，再点击一下“手动计算”，这时屏幕的下边及右面的“采样值及结果”中立即显示出计算结果。=5\*GB3⑤选择“设置”→“工作方法”→“扫描速率”中的“高”、“中”、“低”三档中的一档，再点击“发送”，以改变第二栅压的扫描速率。=6\*GB3⑥可将采集到的爬坡曲线存盘（应取一个名字：xxx.dat)或从硬盘中调出。可将整个屏幕全部打印出来。=7\*GB3⑦还可对数据库进行各种操作，如更改“编号”，“姓名”，增加记录等。尤其可在“采样值及结果”的文本框中加入各种文字说明。2、普通型夫兰克—赫兹实验仪对汞原子能级的测量=1\*GB2⑴接线和检查线路：参考图5-2-6电路接线，将各电压调节旋钮调整到电压最小；检查控温仪与加热炉之间的连线。请教师检查后，方可通电。=2\*GB2⑵加热炉和微电流放大器通电：根据实验室给定的炉温控制值，在控温仪上预置炉温值，接通加热炉，控温仪电源，同时开启微电流放大器的电源。=3\*GB2⑶摸索实验条件，定性观察IP—Ua变化情况：开启稳压电源和扫描电源。根据给定的Uf、UG、UR控制值，先预置一组数。扫描电源置“手动”。缓慢增加Ua，观察板极电流IP的变化情况，此时应看到IP的起伏变化。分别改变Uf、UG、UR及炉温值，观察每个参量对IP-Ua曲线的影响。最后，要求随着Ua的增加能观察到IP有8—10个峰，峰与谷差别应比较明显，最大峰值应接近于电流的满量程处，但不要过载并且在三五分钟时间内IP—Ua变化规律无明显改变。在改变条件过程中，要注意以下几点：①每个参量不能超过最大允许值；②电流表不要过载；③Uf和炉温改变时，对IP的影响有一段滞后时间，不要一下子改变很多。每改变一次，等2min~3min再观察IP的变化；④若电流IP迅速增大，表明汞原子已明显电离，此时应减小Ua；⑤有时扫描电源也可置于“自动”，周期选用“40s”。=4\*GB2⑷测量IP-Ua曲线：在得到了满足=3\*GB2⑶中要求的最佳条件，并待IP-Ua变化规律也已稳定后，可开始逐点测量数据。利用“手动”扫描方式，缓慢增加UA，从0V到60V左右，逐点记录Ua及相应的IP值。合理选择测量间隔，峰值点附近测量点要多些。=5\*GB2⑸利用“自动”扫描方式和数据采集系统获得IP—Ua曲线。【数据记录与数据处理】1、智能型实验仪对氩原子能级的测量=1\*GB2⑴自动操作时，观察示波器所画出的完整的曲线，根据曲线特点确认原子能级的存在。=2\*GB2⑵与微机相连后在微机上观察（描绘）IA～VG2K曲线，由微机计算出U0和λ及误差。=3\*GB2⑶由打印机打印最后结果。2、普通型实验仪对汞原子的测量=1\*GB2⑴自拟表格，记录IP、Ua数值，IP要有8～10个峰。=2\*GB2⑵由前面的讨论可知，IP-Ua曲线上相邻两峰值之间的电位差就是汞原子的第一激发电位Ug。实验得到几个峰值，用逐差法或线性拟合方法数据，可使Ug求得更准确。计算方法自选。=3\*GB2⑶关于Ug的误差，应从测量过程中的随机误差和外接电压表的仪器误差两方面来考虑。希望同学们能自己计算出∆Ug值。数字电压表精度为0.1%U0.1V。【注意事项】1、各对插线应一一对号入座，切不可插错，否则会损坏电子管或仪器，连好后至少检查三遍。2、灯丝电压不要超过4.5V；第二栅压不要超过86V。3、尽量避免使各组电源线短路。4、实验结束后切断电源，保管好被测电子管。【思考题】1、如何确认原子能级的存在？2、根据IA～VG2K曲线怎么测出氩原子的第一激发电位？3、为什么IP-Ua呈周期性变化？4、炉温的大小直接影响管内什么参量？5.3光学全息照相全息照相的基本原理是以波的干涉和衍射为基础的。它的物理思想早在1948年就由伽博首先提出。但由于当时缺乏相干性好的光源，因而几乎没有引起人们的注意。直到1960年激光器问世后，才使全息照相技术得到迅速发展，成为科学技术上一个崭新的领域。由于全息照相比普通照相具有更多的优点，所以在干涉计量、无损检测、信息存储与处理、遥感技术、生物医学和国防科研中获得了极其广泛的应用。【实验目的】1.了解光学全息照相的基本原理和它的主要特点。2.学习静态全息照相的拍摄方法和有关技术。3.掌握全息图再现物像的性质和观察方法。【实验原理】全息照相与全息照相技术照相是将物体上各点发出或反射的光记录在感光材料上,由光的波动理论知道,光波是电磁波,一列单色波可表示为式中,为振幅,为圆频率,为波长,为波源的初相位,一个实际物体发射或反射的光波比较复杂,但是一般可以看成是由许多不同频率的单色光光波的叠加因此,任何一定频率的光波都包含着振幅和相位()两类信息.光在传播过程中,借助于它们的频率、振幅和相位来区别物体的颜色(频率)、明暗（振幅平方）、形状和远近（相位）。普通照相是通过成像系统（照相机镜头）使物体成像在感光材料上，材料上的感光强度只与物体表面强度分布有关，因为光强与振幅平方成正比，所以它只记录了光波的振幅信息，无法记录物体光波的相位差别。因此，普通照相记录的只能是物体的一个二维平面像，缺乏立体感。全息照相不仅记录了物体发出或反射的光波的振幅信息，而且把光波的相位信息也记录下来，所以全息照相技术所记录的并不是普通几何光学方法形成的物体像，而是物体发出或反射光的光波本身。它记录了光波的全部信息，而且在一定条件下，能将所记录的全部信息完全再现出来，因而再现的物像是一个逼真的三维立体像。全息照相包含两个过程：第一，把物体光波的全部信息记录在感光材料上，称为记录（拍摄）过程。第二，照明已被记录下全部信息的感光材料，使其再现原始物体的光波，称为再现过程。全息照相的基本原理是以波的干涉为基础的，所以除光波外，对其他的波动过程如声波、超声波等也都适用。2．全息照相的基本过程—记录和再现=1\*GB2⑴、全息照相记录过程的原理—光的干涉怎样才能把物光的全部信息同时记录下来呢？由物理光学可知，利用干涉的方法，以干涉条纹的形式就可以记录物光的全部信息。图5-3-1是记录过程中所使用的光路。相干性极好的氦氖激光器发出激光束，通过分束镜分成两束，其中一束光经反射镜反射，再由扩束镜将光束扩大后均匀地照射到被射物体D上，图5-3-1全息光路图经物体表面反射（或透射）后再照射到感光材料（实验中用全息感光胶片）H上，一般称这束光为物光；另一束光经反射镜反射，扩束后，直接均匀地照射到H上，一般称这束光为参考光。这两束光在胶片H上叠加干涉，出现了许多明暗不同的条纹、小斑点等干涉图样，被胶片H记录下来，再经过显影、定影等处理，成了一张有干涉条纹的“全息照片”（或称全息图）。干涉图样的形状反映了物光和参考光之间的相位关系。干涉条纹明暗对比程度（称为反差）反映了光的强度，干涉条纹的疏密则反映了物光和参考光的夹角情况。图5-3-1全息光路图=2\*GB2⑵、全息照相再现过程的原理——光的衍射图5-3-2全息再现图图5-3图5-3-3不同方位的全息再现图5-3-4不同角度观察同一张全息图的效果再现过程的观察光路如图5-3-2所示。一束从特定的方向或原来参考光方向相同的激光束（通常称为再现光）照射全息图。全息图上每一组干涉条纹相当于一个复杂的光栅，它使再现光发生衍射。我们沿着衍射方向透过全息图朝原来被摄物的方位观察时，就可以看到一个完全逼真的三维立体图像。为讨论方便起见，取全息图上某一小区域ab为例，同时把再现光看成是一束平行光，且垂直照射于全息图上。如图5-3-3所示。按光栅衍射原理，再现光将发生衍射，其+1级衍射光是发散光；与物体在原来位置时发出的光波完全一样，将形成一虚像，与原物体完全相同，称为真像；-1级衍射光是会聚光，将形成一个共轭实像，称为赝像。3．全息图的主要特点和应用=1\*GB2⑴、全息图的视觉特性：全息图再现的被摄物体是一幅完全逼真的三维立体图像。因此，当我们移动眼睛从不同角度去观察时，就好象面对原物体一样，可看到原来被遮住的侧面，图5-3-4就是从不同角度去观察同一张全息图时的立体视觉效果。=2\*GB2⑵、全息图的可分割性：全息图上的任一小区域都分别记录了从同一物点发出的不同倾角的物光信息。因此，通过全息图的任一碎片仍能再现出完整的物像。=3\*GB2⑶、全息图的多重记录性：在一次全息照相拍摄曝光后，只要稍微改变感光胶片的方位，如转过一定角度，或改变参考光的入射方向，就可以在同一张感光胶片上进行第二次、第三次的重叠记录。再现时，只要适当转动全息图即可获得各自独立互不干涉的图像。由于全息照相技术具有上述独特的特点。所以，在各个领域中已得到较广泛的应用。如利用全息图的立体视觉特性，可做三维显示、立体广告、立体电影、立体电视等，利用全息图的可分割性和多重记录特性，可做信息存储、全息干涉计量、振动频谱分析、无损检测和测量位移、应力、应变等。4．拍摄系统的技术要求为了拍摄合乎要求的全息图，对拍摄系统有一定的技术要求。=1\*GB2⑴、对于全息照相的光学系统，要求有特别高的机械稳定性。如果物光和参考光的光程稍有不规则的变化，就会使干涉图样模糊不清。而且地面震动而引起工作台面的震动，光学元件及物体夹得不牢固而引起的抖动，强烈声波震动而引起空气密度的变化等，都会引起干涉条纹的不规则漂移而使图像模糊。因此，拍摄系统必须安装在具有防振装置的平台上，系统中光学元件和各种支架都要用磁钢牢固地吸在钢板上。在曝光过程中，人们不要走动，不要高声说话，以保证干涉条纹无漂移。=2\*GB2⑵、要有好的相干光源。一般实验中常采用氦氖激光器作为光源。同时物光和参考光的光程差要符合相干条件。一般常使两者光程大致相等。=3\*GB2⑶、物光和参考光的光强比要合适。一般以1：4到1：10为宜；两者间的夹角小于45°，因为夹角越大，干涉条纹间距越小；条纹越密，对感光材料分辨率的要求越高。【实验仪器】全息实验台（包括激光源及各种镜头支架、载物台、底片夹等部件和固定这些部件所用的磁钢）、全息照相感光胶片（全息干版）、暗室冲洗胶片的器材等。【实验内容】1．漫反射全息图的拍摄=1\*GB2⑴、光路的调整：按图5-3-1光路放置各元器件，并作如下调整：①使各元器件共轴；②使参考光均匀照亮胶片夹上白纸屏，使入射光均匀照明被射物体，其漫反射光能照射到白纸屏上，调节两束光的夹角约30°；③使物光和参考光的光程大致相等（关于合适的光强比问题，实验室已根据被摄物的情况在选择分束镜时一起考虑到了）。=2\*GB2⑵、曝光、拍摄：①根据物光和参考光的总光强确定曝光时间（实验室提供参考时间）；②关闭所有光源，在全暗条件下轻轻地将胶片装在胶片夹上（先取下夹上白纸屏），然后稍等片刻；③打开激光光源进行自动定时曝光，然后关闭激光光源，取下胶片仍用黑布包好。2.胶片的冲洗在照相暗室中，按暗室操作技术规定进行显影、停影、定影、水洗及冷风干燥等工作。白炽灯下观看时，若有干涉条纹，说明拍摄冲洗成功。3．再现像的观察按照图5-3-2光路观察再现的虚像（真像）。观察时，注意比较再现虚像的大小、位置与原物的情况，体会全息图的立体视觉效果。再通过小孔观察再现虚像，并改变小孔覆盖在全息图上的位置，体会全息图的可分割性。详细记录观察结果。【注意事项】1．所有光学元件不能用手摸、擦，必要时用专用擦镜纸轻轻擦拭。2．不要用眼睛直接对准激光束观察。3．遵守暗室操作流程。【思考题】1．全息照相与普通照相有那些不同？全息图的主要特点是什么？2．绘出拍摄全息图的基本光路，说明拍摄时的技术要求。3．如何获得全息图再现像？5.4核磁共振实验核磁共振就是指处在某个静磁场中的物质的原子核系统受到相应频率的电磁波作用，在它们的磁能级之间发生的共振跃迁现象。核磁共振技术现已发展成为物理学的重要分支学科，称为核磁共振波谱学。它是通过对原子的核磁共振谱线特征来分析原子核的性质及所处的环境，从而了解原子核所在物质（分子）的性质，进而确定分子结构。这项技术已被广泛应用在医疗诊断方面。本实验是以氢核H1为对象来研究原子核的核磁共振规律的。【实验目的】1、了解核磁共振现象的原理和实验方法。2、用稳态吸收法（即扫场法）测量氢核H1的共振频率及稳恒磁场的B。【实验原理】具有磁矩的原子核相当于一个以磁矩方向为轴的磁陀螺，正如电子一样，原子核也具有自旋，其自旋角动量为（5-4-1）其中I为核自旋量子数，只与核的种类有关，如氢核的（h为普朗克常数）。因核内存在电荷，具有自旋角动量的原子核，同时还具有核自旋磁矩，二者皆为矢量。根据经典电磁理论，和的关系为（5-4-2）式中为旋磁比，其大小和符号决定于核的内部结构和特性。换句话说，只是一个与该核有关的常量，例如氢核（质子）的旋磁比=（2.6752213±0.0000008）×108s-1·T-1。根据量子理论，若原子核处在外磁场中，核自旋角动量对于特定磁场方向的取向也是量子化的。如图5-4-1所示，若以的方向为z轴正方向，用表示在z轴上的投影，则（5-4-3）图5-4-1核自旋角动量示意图图5-4-2图5-4-1核自旋角动量示意图图5-4-2核能级在磁场中的分裂在电磁学中，我们知道核自旋磁矩和恒定磁场的相互作用能为（5-4-4）而E相附加在原来的核能级上就造就了核能级在磁场中的分裂。以氢核为例，因，如图5-4-2所示，原有的核能级E就分裂为两个子能级和，即有（5-4-5）两个子能级间的能量间隔为（5-4-6）如果在垂直于B的方向同时再加一交变射频磁场，即，并且其量子能量刚好等于两相邻子能级的能级差，根据量子力学的选择定则，处于低子能级（例如）上的原子核就将吸收交变磁场的能量，跃迁到高子能级(例如)，这种跃迁称作为核磁共振跃迁。可见，核磁共振就是原子核在外磁场和与之垂直的射频磁场同时作用下且满足一定条件时所产生的共振。这个条件就是即（5-4-7）式中称作共振频率，其大小取决于与该核有关的常量和外磁场的强弱。1、实验方法实验中，样品放在探测线圈中，由边限振荡器的探测线圈测出核磁共振吸收信号。所谓边限振荡器实质上是处于接近临界状态的振荡器，若探测线圈的品质因数值（取决于电路参数R、L、C的大小）略微变化，振荡器的输出就有明显变化。探测线圈既向样品提供交变射频磁场（其方向与待测磁场方向相互垂直），又能探测样品对交变场的能量吸收。其原理是：在共振状态附近，由于样品吸收交变场的能量发生核磁共振，样品的磁化率分量的大小发生变化，这就使探测线圈的电感L也跟着发生变化，从而使探测线圈的值有所改变，结果导致边限振荡器的输出幅度发生变化。通过探测电路将此变化在示波器上显示出来，就可观测到核磁共振的吸收信号。在本实验中我们采用扫场法。这种方法的外磁场是由两部分构成：一是永久磁铁形成恒定的均匀强磁场；另一部分是借助调压器在扫场线圈中通以50HZ交流电，从而形成一个方向与平行、幅度可调的扫描磁场，即(使)。其结果，沿的方向作用到样品上的外磁场为。显然，是以恒定值B为中心值的扫描磁场，和分别是扫描磁场的振幅和频率。相应的样品的核磁共振频率为（5-4-8）令（5-4-9）则式（5-4-8）可改写为（5-4-10）应指出，不要混淆和，是与恒定的磁场B相联系的共振频率，为一恒定值，而则是一个变量。样品在强外磁场B（t）的作用下，由式（5-4-8）表示的共振频率曲线和边限振荡器的频率特性曲线如图5-4-3所示，的大小手动可调。图5-4-5核磁共振的线型与尾波图5-4-3样品的共振频率和边限振荡器输出的频率图5-4-4核磁共振信号曲线当样品的共振频率的数值随时间一旦变化到与边限振荡器的输出频率相等时，样品就处于共振状态。两图线的交点，即为共振点，由此可以得出共振信号在示波器屏幕上的位置，如图5-4-4所示。这表明在样品的共振频率变化的一个周期内，示波器屏幕上一般可以看到两个共振信号，而且分布不均匀。由于这时≠，因此图5-4-5核磁共振的线型与尾波图5-4-3样品的共振频率和边限振荡器输出的频率图5-4-4核磁共振信号曲线图5-4-6核磁共振实验仪实物图图5-4-6核磁共振实验仪实物图图5-4-7电磁铁结构示意图1-线圈引出端；2-线圈引出端；3-励磁线圈；4-电磁铁铁芯；5-间隙：6-手柄。5-4-8边限振荡器后面板图5-4-9边限振荡器1-探头；2-航空线；3-电源指示灯；4-射频调节(粗调)旋钮；5-射频调节(细调)旋钮图5-4-7电磁铁结构示意图1-线圈引出端；2-线圈引出端；3-励磁线圈；4-电磁铁铁芯；5-间隙：6-手柄。5-4-8边限振荡器后面板图5-4-9边限振荡器1-探头；2-航空线；3-电源指示灯；4-射频调节(粗调)旋钮；5-射频调节(细调)旋钮；6-射频信号输出；7-共振信号输出；8-射频幅度调节旋钮；9-振荡幅度指示表；10-高度调节螺丝图11-探头接口；12-三芯航空插头；13-接地线。【实验仪器】1、HLD-NMR-II型核磁共振实验仪HLD-NMR-II型核磁共振实验仪实物图如图5-4-6所使。需要指出的是扫描电源输出端除有交流的扫描电压（0～10V）2、电磁铁结构电磁铁结构示意图如5-4-73、边限振荡器边限振荡器如图5-4-8和图5-4-9，标号功能见图注。图5-4-10图5-4-10磁场扫描电源图5-4-111-扫描幅度调节旋钮；2-电源开关；3-扫描输出；4-X轴输出；5-X轴幅度调节旋钮；6-X轴相位调节旋钮；7-扫描输出电压指示表头；8-电源指示灯；9-三芯航空插头；10-电源插头扫描电源如图5-4-10和图5-4-11所示，各标号功能见图注。【实验步骤及实验内容】1、实验步骤=1\*GB2⑴将“扫描电源”的‘扫描输出’两个输出端，接磁铁的接线柱上。“扫描电源”背后的航空接头与边限振荡器的接头连接，将“X轴输出”用同轴线接到示波器的CH1或CH2通道。=2\*GB2⑵将“边限振荡器”的‘共振信号输出’用同轴线接示波器CH1通道或CH2通道(但在观测李萨如图形时要接CH2通道)。“频率输出”用同轴线接频率计的A通道(频率计的通道选择:A通道，即1Hz--100MHz;FUCTION选择：FA；GATETIME选择1S)。=3\*GB2⑶将“扫描电源”的‘扫描输出’顺时针调至接近最大(旋至最大后，再往回旋半圈；因为最大时电位器电阻为零，输出短路因而对仪器有一定损伤)，这样可以加大捕捉信号的范围。=4\*GB2⑷将样品放入探头中并将其置于磁铁中。调节“边限振荡器”的频率‘粗调’电位器，将频率调节至初步估计的共振频率，然后再用调节频率‘细调’旋钮，在此附近捕捉信号；调节旋钮时要慢，因为共振范围非常小，很容易跳过。=5\*GB2⑸调出共振信号后，降低扫描幅度，调节频率‘微调’至信号等宽。同时调节样品在磁铁中的空间位置来得到幅度最大、尾波最多，驰豫时间最长的共振信号。=6\*GB2⑹对于不同的测试材料射频幅度随样品不同而不同。在初次调试时应注意，否则信号太小不容易被观测。表5-4-1部分样品的驰豫时间T1样品驰豫时间()最佳射频幅度范围CuSo4约0.1mS3-4V甘油约25mS0.5-2V=7\*GB2⑺李萨如图形观测。只要按下示波器上的‘X-Y’按钮就可以观测到李萨如图形（如图5-4-12所示）；当调节‘X轴幅度’旋钮及‘X轴相位’旋钮时，信号就会有一定的变化。图5-4-12李萨如图形图5-4-12=1\*GB2⑴观察样品的核磁共振信号（记录数据和图形）。=1\*GB3①调节边限振荡器的“频率调节”旋钮，使示波器上出现共振信号。=2\*GB3②固定提供扫场的调压器输出电压为某一值,调节边限振荡器的“频率调节”旋钮改变边限振荡器的频率，观察示波器上共振信号的变化，并记下相应的扫场电压V，边限振荡器频率（由频率计读出）值。=2\*GB2⑵测量稳恒磁场的磁感强度=1\*GB3①将样品放入永磁铁的磁场最强处，可左右移动边限振荡器铁盒，观察示波器上共振信号波形，当波形尾波最多时，样品即在磁场最强处。=2\*GB3②调节边限振荡器的“频率调节”旋钮使共振信号等间距。=3\*GB3③读频率计记下此时的频率值。=4\*GB3④将信号调离等间距重复以上=2\*GB3②、=3\*GB3③步骤，此步骤进行5次。求频率的平均值。=5\*GB3⑤记下永磁铁上的磁感应强度。【数据记录与数据处理】表5-4-2射频频率测量次数频率值平均值不确定度12345=1\*GB2⑴计算频率的不确定度并正确表达实验结果。=2\*GB2⑵由式计算稳恒磁场的磁感强度B及其不确定度。【注意事项】1、扫描电源输出端有120V左右的直流电压，请不要触摸。【思考题】1、如何确定对应于磁场B时核磁共振的共振频率。2、不加扫描电压能否观察到扫描信号？5.5智能型光电效应实验仪测普朗克常数19世纪末，物理学已经在力、热、电、光等领域建立了完整的理论体系，在应用上也取得巨大成果之时，物理学家普遍认为物理学已经发展到顶峰，实验上却出现了一系列重大发现，光电效应实验就是其中之一。1905年爱因斯坦提出了光的量子学说，成功地对光电效应现象作出正确地解释，从而揭开了现代物理学革命的序幕。光电效应是指一定频率的光照射在金属表面时会有电子从金属表面逸出的现象。光电效应实验对于认识光的本质及早期量子理论的发展具有里程碑式的意义。今天，光电效应已在数字技术、自动控制等方面得以广泛应用。【实验目的】了解光电效应的规律，加深对光的量子性的理解。测量普朗克常数。描绘光电管的伏安特性曲线。【实验原理】图5-5-1光电效应实验原理及实验曲线光电效应的实验原理如图5-5-1中的图1所示。入射光照射到光电管阴极K上，产生的光电子在电场的作用下向阳极A迁移形成光电流，改变外加电压，测量出光电流图5-5-1光电效应实验原理及实验曲线光电效应的基本实验如下：=1\*GB2⑴、对应于某一频率，光电效应的关系如图5-5-1中的图2所示。从图中可见，对一定的频率，有一电压与其对应，当时，电流为零，这个相对于阴极的负值电压，被称为截止电压。=2\*GB2⑵、当后，电流迅速增加，然后趋于饱和，饱和光电流的大小与入射光的强度成正比。=3\*GB2⑶、对于不同频率的光，其截止电压的值不同，如图5-5-1中的图3所示。图5-30-1光电效应原理及实验曲线=4\*GB2⑷、作截止电压与频率的关系曲线如图5-5-1中的图4所示。与成正比关系。当入射光频率低于某极限值，(随不同金属而异)时，不论光的强度如何，照射时间多长，都没有光电流产生。图5-30-1光电效应原理及实验曲线=5\*GB2⑸、光电效应是瞬时效应。即使入射光的强度非常微弱，只要频率大于，在开始照射后立即有光电子产生，所经过的时间至多为的数量级。按照爱因斯坦的光量子理论，光能并不像电磁波理论所想象的那样，分布在波阵面上，而是集中在被称之为光子的微粒上，但这种微粒仍然保持着频率(或波长)的概念，频率为的光子具有能量，为普朗克常数。当光子照射到金属表面上时，一次为金属中的电子全部吸收，而无需积累能量的时间。电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力，余下的就变为电子离开金属表面后的动能，按照能量守恒原理，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程：(5-5-1)式中，A为金属的逸出功，为光电子获得的初始动能。由式5-5-1(5-5-2)阳极电位高于截止电压后，随着阳极电位的升高，阳极对阴极发射的电子的收集作用越强，光电流随之上升；当阳极电压高到一定程度，已把阴极发射的光电子几乎全收集到阳极，再增加时不再变化，光电流出现饱和，饱和光电流的大小与入射光的强度P成正比。光子的能量时，电子不能脱离金属，因而没有光电流产生。产生光电效应的最低频率(截止频率)是。将上述两式整理可得：(5-5-3)式5-5-3表明截止电压是频率的线性函数，直线斜率，只要用实验方法得出不同的频率对应的截止电压，求出直线斜率，就可算出普朗克常数h。【实验仪器】图5-5图5-5-2智能光电效应(普朗克常数)实验仪由汞灯及电源、滤色片、光阑、光电管、智能实验仪构成，仪器结构如图5-5-2ZKY-GD-4智能光电效应实验仪面板共分12个区，如图5-5-3图5-5-3仪器面板图区(1)是电流量程调节及指示，有10—8A、10—9A、10—10A图5-5-3区(2)是复用区，用于电流指示和自动扫描起始电压设置指示复用：当实验仪处于测试状态或查询状态时，区(2)是电流指示区；当实验仪处于设置自动扫描电压时，区{2)是自动扫描起始电压设置指示区；四位七段数码管指示电流或电压值。区(3)是复用区，用于电压指示、自动扫描终止电压设置指示和调零状态指示复用：当实验仪处于测试状态或查询状态时，区(3)是电压指示区；当实验仪处于设置自动扫描电压时，区(3)是自动扫描终止电压设置指示区；当实验仪处于调零状态时，区{3)是调零状态指示区，显示四位七段数码管指示电压值。区(4)是实验类型选择区：当绿灯亮时，实验仪选择伏安特性测试实验：当红灯亮时，实验仪选择截止电压测试实验。区=5\*GB2⑸是调零状态区，用于系统调零。区(6)、区(8)是示波器连接区。区(6)、区(8)可将信号送示波器显示。区(7)是存贮区选择区：通过按键选择存贮区。区=9\*GB2⑼是复用区，用于调零确认和系统清零：当实验仪处于调零状态时，按下此键则跳出调零状态；当实验仪处于测试状态或查询状态时，按下此键系统清零，重新启动，并进入调零状态。区=10\*GB2⑽是电压调节区：通过按键调节电压。区{11)是工作状态指示选择区：用于选择及指示实验仪工作状态；通信指示灯指示实验仪与计算机的通信状态。区{12)是电源开关。注意：=1\*GB2⑴仪器开机或变换电流量程时，必须对仪器进行调零。调零时，测试信号输入线要与光电管暗盒断开。=2\*GB2⑵、伏安特性测试时，电流档位为；截止电压测试时，电流档位为。【实验内容及步骤】1、测试前准备：光电效应实验仪、光电管、示波器或计算机主机由实验老师连接调试完毕后，学生完成以下实验：=1\*GB2⑴、将实验仪及汞灯电源接通(汞灯及光电管暗箱遮光盖盖上)，预热20分钟。=2\*GB2⑵、调整光电管与汞灯距离为约40cm并保持不变。=3\*GB2⑶、用专用连接线将光电管暗箱电压输入端与实验仪电压输出端(后面板上)连接起来(红一红，兰一兰)。=4\*GB2⑷、将“电流量程”选择开关置于所选档位，进行测试前调零。实验仪在开机或改变电流量程后，都会自动进入调零状态。调零时应将光电管暗箱电流输出端K与实验仪微