HL1型夫兰克_赫兹实验仪中存在的两个问题与仪器的改进

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夫兰克-赫兹实验中的数据误差分析与修正

夫兰克-赫兹实验中的数据误差分析与修正夫朗克-赫兹实验是研究电子的行为和性质的经典实验之一。

在实验中，电子会被加热的阴极发射出来，并经过一系列逐渐加强的电场，最终撞击到阳极上，产生电流。

通过测量电流与电压之间的关系，可以得到电子的能量。

然而，在实验中，数据误差是不可避免的。

首先，仪器本身具有测量误差，如电压电流表的读数误差。

其次，实验环境也会对实验结果产生影响，如温度的变化会影响电子的运动速度，从而影响实验结果的精度。

此外，实验者的实验技巧和经验也可能对实验结果的准确性产生影响。

为了降低数据误差，估计和校正误差是必要的。

以下是一些可以采用的方法：1. 重复测量 - 重复测量的结果更为准确，可以通过多次测量并进行平均来降低测量误差。

在夫朗克-赫兹实验中，可以多次测量电流和电压之间的关系，并计算出准确的电子能量。

2. 控制变量 - 实验过程中应尽可能控制外部变量对实验结果的影响。

例如，在夫朗克-赫兹实验中，要保持实验环境的稳定，在温度变化的情况下，通常需要重新开始实验。

3. 校正误差 - 通过对误差的估计来校正实验结果。

例如，在夫朗克-赫兹实验中，可以通过测量电流的零点来确定仪器本身的误差，并计算出真实的电子能量。

4. 使用可靠的实验方法和仪器 - 使用精度高的仪器和可靠的实验方法可以降低误差。

在夫朗克-赫兹实验中，使用经过校准的电压电流表和准确的数据收集方法可以提高实验结果的准确性。

综上所述，夫朗克-赫兹实验是一个需要对误差进行估计和修正的复杂实验。

通过采用多种技术和措施，可以降低误差，提高实验结果的准确性。

优化实验条件,完善夫兰克—赫兹实验

分析数据，确定各参数的最佳值。
关键词：夫兰克一赫兹实验；验条件；验曲线；佳优化；测量精度实实最
中图分类号：Ｇ４．２６２４３文献标识码：Ｂ文章编号：１０４９６２０）２０５ — ４０２５（０８０ — ０１０
ＶｏＪ５ＮＯ２Ｆｅ．２０ｌ２．ｂ０８
优化实验条件，完善夫兰克一赫兹实验
张明长，张伟华
（京印刷学院基础部，北京北１２０）０６０
摘要：文利用改造后的第一代夫兰克一赫兹实验仪的优点，通过计算机输入不同实验参数，迅速得到该相应实验条件的曲线及数据表，并在同一坐标界面，显示不同参数的多条实验曲线，方便比较结果、优化
Ａｂｓｒｃ：ＴｈｉｒｉｌｒｓｎｔｈｄａｔｇｓｏｈｅｍｏｆｅｒｔｇｎｅａｉｎＦｒｎｋ—Ｈｅｚｅｐｅｉｎｈｔｔｅｃｒｅｔａｔｓａｃｅｐｅｅｓｔｅａｖｎａｅｆｔｄｉｉｄｆｓｅｒｔｏａｃｔｉｔｒｘｒｍｅｔｔａｈｕｖａｄｄｔｈｅｆｔｅｒｌｖｎｘｐｒｍｅｔｌｃｎｄｔｏａｅｒｐｄｙｐｏｃｄｂｙｉｐｕｔｎｇｄｆｅｅｔｅｐｒｍｅｔｌｄａａｎａａｓｅｔｏｈｅｅａｔｅｅｉｎａｏｉｉｎｃｎｂａｉｌｒｄｕｅｎｔｉｉｆｒｎｘｅｉｎａｔｉｔｏｕｔｒｎｏｃｍｐｅ．Ｂｅａｅｔｅｍｕｔ—ｓｒｐｅｐｒｍｅｔｃｒｅｆｄｉｅｅｔｐａａｅｅｓｄｓｌｙｏｈｎｅｃｏｄｎｔｏｔｃｃｕｓｈｌｉｔｉｘｅｉｎｕｖｓｏｆｒｎｒｍｔｒｉｐａｎｔｅｏｏｒｉａｅｃｎａｔｆ

弗兰克赫兹实验报告模板

一、实验名称弗兰克-赫兹实验二、实验目的1. 通过实验测量氩原子的第一激发电势，验证原子能级的存在。

2. 加深对量子化概念的理解。

3. 掌握电子与原子碰撞的微观过程与宏观物理量相结合的实验设计方法。

三、实验原理1. 根据量子理论，原子只能处于一系列不连续的能量状态，即定态。

2. 当基态原子与带一定能量的电子发生碰撞时，可以使原子从基态跃迁到高能态。

3. 电子在加速电压U的作用下获得能量，当其能量等于或大于第一激发态能量E1时，即可实现跃迁。

四、实验器材1. 弗兰克-赫兹实验仪2. 氩气瓶3. 数字电压表4. 数字电流表5. 计时器6. 连接线和导线五、实验步骤1. 检查实验仪器的完整性，确保实验仪正常工作。

2. 打开氩气瓶，调节气体压力至实验要求。

3. 调节加速电压和减速电压，使电子在电场中加速和减速。

4. 逐渐增加加速电压，观察输出电流的变化。

5. 记录输出电流与加速电压的关系曲线。

6. 根据曲线确定氩原子的第一激发电势。

六、实验数据与分析1. 记录实验过程中输出电流与加速电压的关系曲线。

2. 分析曲线，确定氩原子的第一激发电势。

3. 计算实验误差，分析误差来源。

七、实验结果1. 氩原子的第一激发电势为：XXX eV。

2. 实验误差为：XXX %。

八、实验讨论1. 分析实验结果与理论值的差异，探讨误差来源。

2. 讨论实验过程中可能出现的异常现象，分析原因。

3. 总结实验过程中学到的知识，对实验原理进行深入理解。

九、结论1. 通过实验测量，验证了原子能级的存在，加深了对量子化概念的理解。

2. 掌握了电子与原子碰撞的微观过程与宏观物理量相结合的实验设计方法。

十、参考文献1. 王家骐，张洪涛. 基础物理实验[M]. 北京：高等教育出版社，2010.2. 张志敏，刘志勇，陈国良. 基础物理实验教程[M]. 北京：科学出版社，2008.3. 弗兰克-赫兹实验原理及装置介绍[EB/OL]. /frank-hertz.html，2022-10-01.十一、附录1. 实验数据记录表2. 实验曲线图3. 误差分析报告（注：以上模板仅供参考，具体实验内容可根据实际情况进行调整。

弗兰克-赫兹实验报告12页

弗兰克-赫兹实验报告12页一、实验简介弗兰克-赫兹实验是用于研究原子中的电子能级的实验，由德国物理学家弗兰克和赫兹于1914年首次进行。

该实验基于能量量子化的概念，对气体中电子的能级结构进行了实验研究。

实验中使用汞气作为气体样品，并观察了在逐渐递增的电压下电子的能量变化以及电子在经过汞原子时的散射现象。

本实验在原子物理学以及量子力学发展历史上具有里程碑的意义。

二、实验原理1.能量量子化在原子中，电子所拥有的能量和它的运动状态是量子化的，因此它们只存在于特定的能量状态中。

这些能量状态被称为能级，其能量可以通过光子吸收和辐射来进行变化。

2.汞原子的能级汞原子是大型原子，其中包含80个电子，因此具有复杂的能级结构。

常见的汞原子能级包括原子的基态以及第一、第二、第三激发态等。

在本实验中，我们将重点关注第一激发态，其能量为4.9电子伏。

3.散射现象在电子经过汞原子时，它们将与原子中的电子进行散射，影响它们的移动方向和能量。

通过观察不同电压下电子在汞蒸汽中的散射情况，可以研究电子在汞原子中的散射过程以及不同能级的存在情况。

三、实验步骤1.设备调试首先对设备进行调试，检查电源、电压计、放大器等设备是否正常运行。

2.样品处理使用灯丝对汞样品进行加热，使其升华产生汞性气体。

3.电子管与样品接触将电子管的阳极与汞样品接触，使电子通过样品并进行散射。

4.电压递增逐渐递增电压，观察电子的能量变化以及电子在经过汞原子时的散射情况。

5.测量数据通过放大器和电压计来测量电压和电流等数据，记录不同电压下电流和电压之间的关系。

四、数据分析通过测量数据可以得到不同电压下汞蒸汽中散射电子的动能，进一步可以得知电子在不同能级中的能量情况。

例如，在电压为10伏的情况下，当电流增大时，证明散射电子的动能增加，这表明电子已经达到第一激发态能级。

当电压增加到50伏时，电流在急剧减小，这表明散射电子已经失去了能够到达下一个能级所需的能量。

从而可以推断出汞原子存在第一激发态能级。

HL1型夫兰克_赫兹实验仪中存在的两个问题与仪器的改进_贾虎

HL1型夫兰克)赫兹实验仪中存在的两个问题与仪器的改进贾虎(安徽工业大学数理学院,安徽马鞍山 243002)摘要:该文分析了HL 1型夫兰克)赫兹(简称F-H )实验仪在设计上存在的2个问题:无法测出高激发电位;存在一个由消耗电压与接触电势差导致的系统误差。

通过与其它类型仪器作比较,兼顾其它仪器与这种仪器的优点,提出了改进方案。

这样,既可测出高激发电位,又可精确测出第一激发电位,同时补偿了消耗电压与接触电势差的影响。

关键词:F-H 实验;H L1型实验仪;接触电势差;消耗电压;补偿电压中图分类号:O 4-33 文献标识码:B 文章编号:1002-4956(2007)02-0061-03Two iss ues of the HL1apparatus and corres pondi ngm i prove ment i n t he frank -hertz experm i entJI A H u(D epa rt m en t ofM athe m atics&Physics ,A nhui U niversity of T echno logy ,M a a 'nshan 243002,Ch i na)Ab stract :In t he F rank -H ertz exper i m ent ,the re are t wo issues i n t he HL 1apparatus .T he first is that the h i gh ex c-i ta tion potenti a l can .t be m easured .T he second is tha t a syste m atic error ex ists ,resulti ng fro m the attrition vo ltage and contact electric potenti a l d ifference .By co m pa ri ng w it h othe r appara t uses ,the i m prov i ng scheme has been put fo r w ard .T hus ,the h i gh exc itati on potential can be m easured and the first exc itation po ten tia lm ay be m easured pre -c i sely .A t t he same ti m e ,t he effect o f a ttr iti on vo ltag e and contact e l ectric potenti a l difference has been co m pensated .K ey w ords :frank -hertz expe ri m en t ;HL 1apparatus ;contact e l ectric potenti a l d ifference ;a ttr iti on vo ltage ;co m pen -sa tion vo ltage收稿日期:2006-03-30作者简介:贾虎(1975)),男,安徽省凤阳县人,学士,实验师,从事大学物理实验教学与研究工作.HL1型F -H 实验仪由南京东南教学仪器厂生产。

夫兰克一赫兹实验方案的改进及结果分析

夫兰克一赫兹实验方案的改进及结果分析作者：胡清华，等5人来源：《饮食科学》 2013年第2期胡清华1，庄玲1，李红2，毛润华3（1.上饶师范学院物理与电子信息系, 江西上饶 334001；2.广丰县塘墀中心小学, 江西广丰 334600；3.中原工学院国际教育学院会计系，河南郑州450007）摘要：对夫兰克—赫兹实验教学方案进行了改进，测量了汞原子的第一激发态、较高激发态的电位和电流，分析讨论了炉温和灯丝电压对激发电位和电流的实验曲线的影响。

关键词：夫兰克—赫兹实验；实验方案；激发电位；炉温；灯丝电压中图分类号: 0562.11 引言夫兰克—赫兹(F—H)实验是物理学发展史上的著名实验,它首次用低速电子碰撞原子，直接证实了原子内部能量不连续的理论[1]。

在大学的近代物理实验教材中一直用此实验测量汞原子的第一激发态的电位。

为了更好地观察实验现象和更准确地取得实验结果，对实验仪器和实验方案进行改进，具有重要的意义。

文献[2]从影响实验的几个主要因素入手，应用数学的比例和统计关系，使曲线理想化；有用计算机参与实验结果的记录，也有人在实验的电路图中引入脉冲电压和三极管，使峰值突出，提高电路的灵敏度[3]。

但一些具体的物理因素，如炉温、灯丝电压对汞原子第一激发态的电位及较高激发态的电位的影响，这些在复旦大学出版的《近代物理实验》教材[4]和论文《夫兰克—赫兹实验中的高激发电位》[5]做了部分的讨论，而在一般的近代物理实验教材是不做要求的。

本文测量了汞原子的第一激发态的电位；另外通过改进实验装置，设计实验电路图，测量了汞原子的较高激发态的电位，再通过分别改变炉温、灯丝电压，来研究物理参数对激发电位实验结果及其所绘出的曲线形状的影响。

2 实验原理及方案2.1 跃迁原理根据波尔理论，原子只能处在一些不连续的定态中，每一个定态对应的能量常称为能级，其数值彼此分立，原子在能级间进行跃迁时吸收或发射固定频率的光子。

若原子与一定能量的电子发生碰撞，可以使原子从低能级跃迁到高能级，夫兰克—赫兹实验正是利用电子和原子的碰撞来实现这种跃迁。

夫兰克-赫兹实验的改进

夫兰克-赫兹实验的改进冯娟;张贺;赵飞【摘要】对传统的测量氩原子第一激发电位的方法进行了改进，利用示波器光标“cursor”功能，在示波器上直接读出波峰或波谷的电位。

该方法减小了读数时的误差，提高了测量精度，并且锻炼了学生对示波器的使用，收到较好的教学效果。

%The traditional method of measuring the first excitation voltage of argon atom was im-proved .Using the“cursor”function ,the potential values of the peaks and troughs were read from the oscilloscope directly .T his method reduced the reading error ,improved the accuracy of measurement , and trained the students’ skills of oscilloscope operation .【期刊名称】《物理实验》【年(卷),期】2014(000)009【总页数】3页(P39-41)【关键词】氩原子;激发电位;示波器;误差【作者】冯娟;张贺;赵飞【作者单位】中国地质大学北京物理实验教学示范中心，北京100083;中国地质大学北京物理实验教学示范中心，北京100083;中国地质大学北京物理实验教学示范中心，北京100083【正文语种】中文【中图分类】O562.321 实验原理1914年，物理学家夫兰克和赫兹采用低速电子与稀薄气体原子碰撞的办法，使原子从低能级激发到高能级. 通过测量电子与被碰撞原子之间交换能量的特征，测定了汞原子的第一激发电势，直接证明了原子能级的存在；并验证了原子发生跃迁时吸收或发射的能量完全是确定的、不连续的，从而为玻尔理论提供了直接而独立的实验证据. 实验中所用的夫兰克-赫兹仪用于测定氩原子的第一激发电位，实验原理[1-2]如图1所示.图1 夫兰克-赫兹实验原理图F-H管为四极管(其中充以氩气)，包括阴极(K，灯丝部分)、2个栅极G1和G2，和1个板极P(也称阳极). 第一栅极G1靠近阴极K，为控制栅极，其作用是加正向电压VG1，用以消除电子在阴极附近的堆积效应，并起到控制电子流大小的作用. 第二栅极G2靠近阳极P，第一栅极与第二栅极间距较大，这是为了保证在常温下气体原子有足够高的碰撞概率. 阴极K在灯丝电压Vf的加热下发射电子，随着加速电压VG2的增加，电子的能量逐渐增加. 具有一定能量的电子主要在G1和G2空间内与原子发生碰撞交换能量，对能量是原子第一激发能量整数倍的电子发生碰撞后而失去其全部能量，在反向电场Vp的作用下被阻止而不能达到阳极P，而对具有其他能量的电子，则仍有足够能量穿过G2极而到达阳极P，这样随着VG2电压的增加，电流Ip会出现明显的周期性的起伏变化和等间距的极大和极小值. 从相邻的波峰或波谷所示的电压差值，即可求得原子的第一激发电位.2 传统测量方法本实验采用FD-FH-1夫兰克-赫兹实验仪，如图2所示.图2 夫兰克-赫兹实验仪1)直接在夫兰克-赫兹仪上寻找极值点将扫描开关拨至“手动”挡，调节VG2至最小，然后逐渐增大其值，寻找IP的极大和极小值点，以及相应的VG2值，即找出对应的极值点(VG2，IP)[1]. 2个波峰或波谷的VG2之差就是第一激发电位.2)描点画图寻找极值点调节VG2至最小，然后逐渐增大其值，每隔1 V测量1组数据，列表记录对应的(VG2，IP)数值，画出IP-VG2曲线拟合图[3]. 从曲线上寻找IP值的极大或极小值点，以及相应的UG2值，即IP-VG2关系曲线中波峰或波谷的位置，由图求出第一激发电位[4].在教学实践中，发现电流IP的读数不稳定，会出现一直上升或下降的现象，经过一段时间之后，电流变化趋于缓慢. 厂家的解释是：电子管受热后，发射的电子数目不稳定，所以会出现电流读数跳动的现象. 但这给学生测量带来了困扰，不知该何时读数. 学生测量存在困难，而使结果不准确.3 改进后的测量方法利用示波器光标“cursor”功能测量波峰或波谷所对应的VG2值，在示波器上直接读出波峰或波谷的电位，如图3所示.图3 利用“cursor”功能测量波峰或波谷对应的VG2值该方法减小了读数时的误差，提高了测量精度. 通过控制变量的方法，分别改变灯丝电压Vf 、第一栅极电压VG1、拒斥电压Vp的大小，还可以在示波器上直观地观测IP-VG2曲线的变化[5]. 有助于学生寻找最佳的工作参量，正确地设定参数值，得出精确地测量结果. 分析不同变量对实验结果的影响，有助于学生理解各个实验参量的物理意义，更加深刻理解实验内容. 此外，温度的变化也会对信号强度有一定影响[6]，在实验中还可以通过改变温度，在示波器上直观的观测到IP-VG2曲线的变化，确定温度与信号强度之间的关系.4 结束语传统的夫兰克-赫兹实验直接在仪器上寻找极值点或描点画图寻找极值点，实验内容比较单一，较为枯燥，学生容易产生厌烦情绪；并且电流读数不稳定，学生测量存在困惑. 本文对原有实验进行改进，利用示波器上显示的IP-VG2波形图，使用光标“cursor”功能测量波峰或波谷所对应的VG2值，在示波器上直接读出波峰或波谷的电位. 该方法减少了读数时个人因素的影响，提高了测量精度；丰富了实验内容，提高了学生的兴趣；并且锻炼了学生对示波器的使用，收到较好的教学效果.【相关文献】[1] 周惟公. 大学物理实验[M]. 北京:高等教育出版社,2009.[2] 邹莹，姚志，姜东光，等. 弗兰克-赫兹实验的计算机模拟[J]. 物理实验，2014，34(3):17-22.[3] 王蕴杰. 基于BP神经网络的弗兰克-赫兹实验曲线拟合[J]. 大学物理实验，2013，26(6):95-96.[4] 张卫山,杨善恒,鲁应涤,等. 基于Origin 的弗兰克-赫兹实验数据分析[J]. 赤峰学院学报(自然科学版), 2012，28(9):6-7.[5] 张里荃，马艳梅，郝二娟. 弗兰克-赫兹实验最佳实验条件及第一激发电位的研究[J]. 物理实验，2011，31(9):37-38.[6] 唐爽，白翠琴，马世红. 弗兰克-赫兹实验中电流信号强度随温度变化的现象[J]. 大学物理，2012，31(9):50-52.。

实验一夫兰克-赫兹实验（参考报告）

实验⼀夫兰克-赫兹实验（参考报告）弗兰克赫兹实验⼀．实验⽬的1．了解夫兰克-赫兹实验的原理和⽅法，测定汞的第⼀激发电位，验证原⼦能级的存在； 2．练习使⽤微机控制的实验数据采集处理系统。

⼆．实验原理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。

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，能量最低的状态称为基态，能量较⾼的状态称为激发态，能量最低的激发态称第⼀激发态。

当同⼀原⼦的电⼦从低能量的轨道跃迁到较⾼能量的轨道时，原⼦就处于受激状态。

但是原⼦所处的能量状态并不是任意的，⽽是受到玻尔理论的两个基本假设的制约：(1) 定态假设。

原⼦只能处在⼀些稳定状态中，其中每⼀状态具有⼀定的能量值),3,2,1( =i E i ，这些能量值是彼此分⽴、不连续的，称为能级。

(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，即从⼀个能级跃迁到另⼀个能级，就发射或吸收的⼀定频率的电磁辐射，电磁辐射的频率ν由下式决定hE E nm-=ν (1) 式中，h 为普朗克常数，1986年推荐值为s J 10)0000040.06260755.6(34??±=-h 。

原⼦状态的改变通常在两种情况下发⽣，⼀是当原⼦本⾝吸收或放出电磁辐射时，⼆是当原⼦与其他粒⼦发⽣碰撞⽽交换能量时。

本实验就是利⽤具有⼀定能量的电⼦与汞或汞原⼦相碰撞⽽发⽣能量交换来实现原⼦状态的改变。

由玻尔理论可知，处于基态的原⼦发⽣状态改变时，其所需的能量不能⼩于该原⼦从基态跃迁到第⼀激发态时所需的能量，这⼀能量称为临界能量。

当电⼦与原⼦碰撞时，如果电⼦能量⼩于临界能量，则发⽣弹性碰撞；若电⼦能量⼤于临界能量，则发⽣⾮弹性碰撞。

这时，电⼦给予原⼦以跃迁到第⼀激发态时所需要的能量，其余的能量仍由电⼦保留。

⼀般情况下原⼦在激发态所处的时间不会太长，短时间后会回到基态，并以电磁辐射的形式释放出所获得的能量。

HL1型夫兰克-赫兹实验仪中存在的两个问题与仪器的改进

儿ＡＨｕ
（ｅａｍｎｆａｅｔｓ＆Ｐｙｉ，ｎｕｎｖｒｉｆｅｈｏｇ，Ｍａｎｈｎ２３０，ｈｎ）ＤｐｒｅｔｔｍａｃｔｏＭｈｉｈｓｓＡｈｉｉｅｓｙｏＴｃｎｌｙｃＵｔｏｈｓａ４０２Ｃｉａ
ＡｂｔａｔｎｔｅＦａｋＨｅｚｅｐｒｍｅｔｈｒｒｓｕｓｉｈ１ａｐａｕ，Ｔｅｆｓｈｔｔｅｈｇｘｉｓｒｃ：Ｉｈｒｎ — ｒｘｅｔｉｎ，ｔｅｅａｅｔｉｓｅｔｅＨＬｐａｔｓｈｒｔｓｔａｈｉｈｅｃ— ｗｏｎｒｉｉｔｔｎｐｔｎｉｌｃｎｔｅｍｅｓｒｄａｉｏｅｔａ ’ ａｕｅ．Ｔｅｓｃｎｓｔａａｓｓｅｔｒｒｅｉｓｅｕｔｇｆｏｔｅａｔｔｎｖｌｇｏａｂｈｅｏｄｉｈｔｙｔｍａｉｅｒｘｓ，ｒｓｌｎｒｍｈｔｉｏｔｅｃｏｔｉｉｒｏａｎｏｔｃｌｃｒｏｅｔｄｆｒｎｅａｄｃｎａｔｅｅｔｃｐｔｎｉｉｅｅｃ．Ｂｏａｎｔｔｅｐａａｕｅ，ｔｅｉｒｖｎｃｅａｅｎｐｔｉｌａｆｙｃｍｐｒｇｗｉｏｈｒａｐｔｓｓｈｍｐｏｉｇｓｈｍｅｈｓｂｅｕｉｈｒｆｒａｄｈｓｈｉｈｅｃｔｔｎｐｔｎｉａｅｍｅｓｒｄａｄｔｅｆｓｅｃｔｔｎｐｔｎｉｙｂａｕｅｒ — ｏｗｒ．Ｔｕ，ｔｅｈｇｘｉｉｏｅｔｃｎｂａｕｅｎｈｒｔｘｉｉｏｅｔｍａｅｍｅｓｒｄｐｅａｏｌａｉａｏｌａｃｓｌ．Ａｔｈａｍｅｈｆｃｆａｔｔｎｖｌｇｎｏｔｃｌｃｒｏｅｔｌｉｅｅｃａｅｎｃｍｐｎａｅ．ｉｅｙｅｓｍｅｔ，ｔｅｅｆｔｔｉｏｔｅａｄｃｎａｔｅｔｃｐｔｎｉｆｒｎｅｈｓｂｅｏｅｓｔｄｔｉｅｏｉｒｏａｅｉａｄＫｅｒｓｌｎ－ｅｚｅｐｒｎ；ＨＬｐａａｕ；ｃｎａｔｌｃｒｏｅｔｉｅｅｃ；ａｔｔｎｖｌｇ；ｃｍｐｎｙｗｏｄ：ｆｋ－ｒｘｅｍｅｔａｈｔｉ１ａｐｒｔｓｏｔｃｅｔｃｐｔｎｉｄｆｒｎｅｔｉｏｔｅｏｅ－ｅｉｌａｆｉｒｏａ－

弗兰克赫兹思实验报告

一、实验目的1. 测量氩原子的第一激发电势，证明原子能级的存在，从而加深对量子化概念的认识。

2. 加深对热电子发射的理解，学习将电子与原子碰撞微观过程与宏观物理量相结合的实验设计方法。

二、实验原理1. 波尔原子模型理论：根据量子理论，原子只能处在一系列不连续的能量状态，称为定态。

相应的定态能量称为能级。

原子的能量要发生变化，必须在两个定态之间以跃迁的方式进行。

当基态原子与带一定能量的电子发生碰撞时，可以使原子从基态跃迁到高能态。

2. 氩原子的第一激发电位：氩原子的第一激发态是距基态最近的一个能态。

根据玻尔理论，第一激发态能量E1与基态能量E0之间的能量差为E1 - E0 = hν，其中h为普朗克常数，ν为跃迁时吸收或发射的电磁波频率。

3. 弗兰克-赫兹实验原理：通过测量电子在电场作用下的运动规律，研究电子与氩原子碰撞的微观过程。

当电子的能量足够克服减速电压VG2P形成的电场时，就能穿过栅极G2到达板极P，形成板极电流Ip。

实验中，随着加速电压VG2K的增加，电子的能量逐渐增大，当电子能量达到或超过第一激发电位时，电子与氩原子发生碰撞，使原子从基态跃迁到第一激发态，从而引起板极电流的周期性变化。

三、实验仪器与设备1. 弗兰克-赫兹实验仪：包括阴极、栅极、板极、加速电压和减速电压调节装置、示波器等。

2. 氩气：用于提供实验所需的稀薄气体环境。

3. 低压电源：为实验仪提供稳定的电源。

4. 示波器：用于观察板极电流随加速电压的变化。

四、实验步骤1. 连接实验仪，确保各部分连接正确。

2. 调节加速电压VG2K和减速电压VG2P，使它们分别为0V和负值。

3. 打开低压电源，缓慢增加加速电压VG2K，观察示波器上板极电流Ip的变化。

4. 当板极电流Ip出现周期性变化时，记录此时对应的加速电压VG2K值。

5. 改变减速电压VG2P，重复步骤3和4，观察板极电流Ip的变化，记录对应的加速电压VG2K值。

6. 重复实验多次，确保数据的可靠性。

夫兰克—赫兹实验加热炉温控装置的改进

１原装置的缺陷度下，被内．汞
蒸发为汞蒸气，满夫兰克一兹管；灯丝加充赫给
夫兰克和赫兹用电子碰撞原子的方法使原
６的电源使其发射热电子．热电子在加速栅Ｖ
本校使用的实验设备是西安理工大学生产
的ＦＨ型夫兰克一兹实验仪．实验电路如图１ — 赫所示，充汞的夫兰克一兹管安放在温度可调将赫
一 … … … … … … … … … … ．．
实验时，持适当的温度，ＫＧ间的电压维把逐渐增加，察的变化情况．本实验中用调观节夫兰克一兹管温度的办法来调节汞原子浓赫
极Ｇ的电压ｘ的作用下，子获得Ｅ一十ｃ电
子从低能级激发到高能级，而证明了原子能从
级的存在．目前，大学物理课程中， — 实验在ＦＨ是一个比较重要的验证性实验．
ｅｃＶｘ的能量，向阳极Ａ前进．在行进途中，电子与汞原子发生碰撞．在ＧＡ间加一反向遏止电压ｃ，以鉴别电子在碰撞中的能量损失情况．
维普资讯
物理实验
第２２卷
第ｌ期ｌ
３９
夫兰克一兹实验加热炉温控装置的改进赫
李本印付喜锦

弗兰克赫兹管实验报告

一、实验目的1. 了解弗兰克-赫兹实验的原理和方法。

2. 测量氩原子的第一激发电势，验证原子能级的存在。

3. 深入理解量子化概念，加深对原子结构的认识。

二、实验原理弗兰克-赫兹实验是基于量子力学原理，通过测量电子与原子碰撞过程中的能量交换，验证原子能级的存在。

实验装置主要由弗兰克-赫兹管、加热炉、温控装置、F-H管电源组、扫描电源和微电流放大器等组成。

实验过程中，电子在阴极和第一栅极之间被加速，然后进入充满氩气的弗兰克-赫兹管。

在管内，电子与氩原子发生碰撞，能量交换导致电子和氩原子发生能级跃迁。

当电子能量等于氩原子第一激发能时，电子被完全阻止，此时电流急剧下降。

通过测量电流的变化，可以确定氩原子的第一激发电势。

三、实验仪器与设备1. 弗兰克-赫兹管：由阴极、第一栅极、第二栅极及板极组成，充有氩气。

2. 加热炉：用于保持弗兰克-赫兹管内氩气的饱和蒸气压。

3. 温控装置：用于控制加热炉的温度。

4. F-H管电源组：提供弗兰克-赫兹管各极所需的工作电压。

5. 扫描电源：提供0~90V的手动可调直流电压或自动慢扫描输出锯齿波电压，作为弗兰克-赫兹管的加速电压。

6. 微电流放大器：用于检测弗兰克-赫兹管的输出电流。

7. 微机X-Y记录仪：用于记录实验数据。

四、实验步骤1. 将弗兰克-赫兹管置于加热炉内，调节加热炉温度，保持氩气的饱和蒸气压。

2. 接通电源，调节F-H管电源组，使阴极和第一栅极之间的电压为0V。

3. 调节扫描电源，使加速电压从0V开始逐渐增加，同时观察微电流放大器显示的输出电流。

4. 记录电流随加速电压的变化曲线，找出电流急剧下降的位置，即氩原子的第一激发电势。

五、实验结果与分析1. 实验数据及曲线通过实验，测得氩原子的第一激发电势约为15.8V。

根据实验数据，绘制了电流随加速电压的变化曲线，如图1所示。

图1 电流随加速电压的变化曲线2. 结果分析根据实验结果，当加速电压为15.8V时，电流急剧下降，说明电子能量与氩原子第一激发能相等，发生能级跃迁。

弗兰克赫兹实验报告内容-V1

弗兰克赫兹实验报告内容-V1
弗兰克-赫兹实验报告
弗兰克-赫兹实验是物理学中重要的实验之一，通过这个实验，科学家
们证明了玻尔模型的正确性，并为理解原子的结构奠定了基础。

以下
是本实验的内容。

1. 实验过程
实验中，科学家使用汞蒸汽管，控制电压和电流，使电子经过蒸汽管
内的汞原子时，被汞原子的电子吸收或发射。

在实验过程中，科学家控制了电压和电流的变化，使得电子不断经过
汞原子时，观察得到不同的能量水平下的能量差，证明了电子在原子
内部中的存在。

2. 实验结果
实验表明，当电子进入一个汞原子时，它会与汞原子的电子发生碰撞，然后被吸收或发射，并在被吸收或发射时减少或增加能量。

实验结果也表明，本实验的结论是正确的，原子中存在着核和电子，
并且通过观察不同的能量水平下电子的行为，可以推断出原子的结构，也就是玻尔模型。

3. 实验价值
弗兰克-赫兹实验的价值不仅在于它的成果，也在于后来的发展。

它为
理解原子的结构和物理现象奠定了基础，对原子能和电子学的发展有着深远的影响。

另外，它是一个重要的实验室技术，也为科学家提供了探究其他领域的实验思路和方法。

综上，弗兰克-赫兹实验的成果证明了原子模型的正确性，并为后来的原子物理学发展奠定了基础，是一项重要的实验。

兰克赫兹实验中几点讨论-精选文档

夫兰克-赫兹实验中的几点讨论
06300190087 王琪
内容提要
• 引言 • 讨论一：峰-峰间距不等距 • 讨论二：关于峰谷包络线 • 结论
引言
电子在加速区获得能量，输出电流随着扫描电压增大而增加。当电子能量大到足够与汞原子发生非弹性碰撞时，会导致汞的能级跃迁，电子能量减少，无法克服拒斥电压到达极板，从而输出电流减少。
讨论二
• 峰包络线：总体呈上升趋势（扫描电压增大,电子能量增大,通过栅极到达板极的电子数增多，输出电流增大）先迅速上升，后缓慢上升（1）与F-H实验管以及阴极发射管的本质属性有关（2）当扫描电压增大到一定值时，栅极吸附电子能力增强, 使到达板极的电子数减少, 峰值电流增长趋势变慢。
引言
随着扫描电压增大，输出电流来回振荡。
讨论一
• 峰-峰间不等距
1 2 3 4 5 6
4.6eV 4.7eV 4.7eV 4.8eV 4.9eV 4.8eV 7 8 9 10 11 12
4.9eV 4.9eV 4.9eV 5.0eV 5.1eБайду номын сангаас 5.0eV
讨论一
从基态61S0到63P0， 63P1，63P2的跃迁在选择定则里都是允许的。也就是说，夫兰克赫兹曲线上的峰间距不仅有61S0到63P1的跃迁的信息，同时也有另外两个跃迁的内容。
讨论二
• 实验曲线呈纺锤形，去除本底后，曲线呈 “山峰”状。
讨论二
• 关于峰和谷的物理含义：如果从阴极发射出的电子的能量都是一样的，那么峰和谷对应的电压值应是一样的。但是实际上，从阴极发出的电子符合统计学分布，有一定的涨落。峰对应为能量大的电子达到激发能级时对应的最大输出电流。谷对应的为一些没有发生碰撞的电子产生的漏电流，但同时，作为本底，它还包括了杂质离子，以及电离，高激发态的跃迁等信息。

弗兰克-赫兹实验不稳定状态的应对措施

弗兰克-赫兹实验不稳定状态的应对措施蒲贤洁;刘高斌;何光宏;韩忠【摘要】在弗兰克-赫兹实验中,温度等环境因素的变化会导致灯丝电压、控制电压、拒斥电压设置不当造成实验数据不理想;同时随着实验仪器高强度的使用,弗兰克-赫兹管逐步老化也会引起工作状态不稳定.针对这2种情况,采集了不同工作参量下的弗兰克-赫兹曲线作为工作参量调整的依据,同时增设数字示波器,可直观观测弗兰克-赫兹曲线,灵活调整工作参量.【期刊名称】《物理实验》【年(卷),期】2017(037)007【总页数】5页(P1-5)【关键词】弗兰克-赫兹实验;灯丝电压;控制电压;拒斥电压【作者】蒲贤洁;刘高斌;何光宏;韩忠【作者单位】重庆大学物理学院,重庆 401331;重庆大学物理学院,重庆 401331;重庆大学物理学院,重庆 401331;重庆大学物理学院,重庆 401331【正文语种】中文【中图分类】O562弗兰克-赫兹(F-H)实验是物理学发展史上具有重要意义的实验，它证明了原子内部量子化能级的存在，并验证了频率定则，为玻尔理论提供了直接的实验依据. 其原理如图1所示，UF为灯丝电压，UG1K为控制电压，UG2K为加速电压，UG2A为拒斥电压[1].为了让学生加深对量子化的理解，国内外各高校都开设了弗兰克-赫兹实验，并对影响实验曲线的各种因素进行了研究，对现有实验教学方案进行改进[2-5]. 根据指导学生实验的经验，F-H管的工作状态容易受到温度和预热时长等因素的影响，提供给学生的F-H管工作参量常会引起阳极电流超量程溢出或者阳极电流过小导致F-H曲线分辨率不高的情况出现. 本文将这些不稳定状态进行分类，并针对不同类型采取不同的应对措施，如图2所示.处于正常工作状态的F-H管可以根据不同工作参量组合下的实验数据曲线(经验曲线)，灵活调节灯丝电压、控制电压和拒斥电压3个工作参量，使之适合当前环境条件下的F-H曲线测量；对于已经老化的F-H管，需要进行识别，可以尝试在设置好3个工作参量的情况下进行较长时间的预热，然后观察实验曲线是否正常，若仍不正常，需及时更换F-H管，以免影响实验教学的开展. 基于以上思路，本文采用目前实验中心所使用的ZKY-FH型氩管F-H实验仪，首先测量了正常F-H管不同工作参量下的经验曲线，总结出不同状态下的参量调整方案，然后列举了几种老化F-H管易出现的状态，最后提出了在实验教学中获得稳定F-H曲线的解决方案.为给日常教学中F-H管工作参量的灵活设置提供依据，实验采用了控制变量法，通过改变灯丝电压、控制电压、拒斥电压等工作参量观察F-H曲线的变化情况. 1.1 灯丝电压的影响保持控制电压和拒斥电压不变(按照该台仪器日常实验经验值，分别为1.5 V和9.0 V)，分别测出灯丝电压为1.8，2.0，2.2，2.4 V时的实验曲线，如图3所示.由图3可知，灯丝电压的变化对F-H实验曲线峰或谷点的位置几乎无影响，但对阳极电流的幅度影响较大. 灯丝电压较低时(如图3中的1.8 V)对应的I-U曲线基本与横轴重合，造成峰谷位置确定困难，影响测量的精确度. 这是因为灯丝电压较低时，阴极的工作温度也较低，导致阴极发射电子的数目减少. 电子与原子的碰撞本身就具有随机性，只有对大量的碰撞进行统计时才能得出一定的规律. 电子数目较少时，其氩原子在碰撞区的碰撞概率不稳定，而且阳极A所检测到的电流I大大减少，实验仪器及示波器的系统误差影响相对明显，从而导致I-U曲线的分辨率下降，不能形成比较平滑的曲线，对峰/谷值的提取比较困难，因此灯丝电压的设置不宜过低. 当灯丝电压增加到2.4 V时，阳极电流迅速升高，实验曲线的波动性减小，逐渐趋向于平滑曲线. 但是灯丝电压并非越高越好，灯丝电压过高时，阳极电流增加过快. 当前情况下这台仪器灯丝电压增加到2.6 V时，阳极电流便超过了所设置的量程，只能换挡才能继续测量. 此外，灯丝电压过高容易烧坏加热灯丝或加速F-H管的老化，所以灯丝电压的设置不宜过高.1.2 控制电压的影响保持灯丝电压和拒斥电压不变(灯丝电压选择2.4 V，拒斥电压为9.0 V)，分别测出控制电压为0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 V时的实验曲线，如图4所示.由图4可知，图中5条曲线在谷值处几乎重合，只在峰值处可以区分. 对5条不同控制电压下的曲线分析得出：控制电压的变化几乎不会影响波峰和波谷的位置，但是对阳极电流值有一定的非单调性影响. 在一定范围内，阳极电流I随着控制电压的增大而增大. 产生这一现象的原因是空间电荷效应[6]，从阴极发射出的电子初速度很小，电子聚集在阴极附近形成空间电荷层，空间电荷层的电场会吸引电子，从而抑制电子的发射. 在阴极与第一栅极之间添设比较小的控制电压UG1K，可以使所有电子都具有一定的初速度，提高阴极电子发射效率. 逐渐加大控制电压可以驱散阴极附近堆积的电子云，消除空间电荷效应，增强电子发射率，单位时间内到达阳极的电子也就越多，所以阳极电流I随着控制电压的增加而增加. 当控制电压过大时，在影响电子发射效率的同时，又使电子加快到达非弹性碰撞的条件，增加了电子发生非弹性碰撞的概率，使更多的电子因失去大量的能量而不能克服反向电压到达阳极, 所以造成电流I随控制电压UG1K的增大而减小. 从测量结果看，为使UG1K对阴极发射电子流的控制作用发挥最好，UG1K应选择在1.5 V左右较为合适，这不仅提高了电子的发射效率而且对电子发生非弹性碰撞影响较小.1.3 拒斥电压的影响保持控制电压和灯丝电压不变(分别取1.5 V和2.4 V)，反向拒斥电压分别为0，1.0，3.0，5.0，7.0，9.0，11.0 V时的I-U实验曲线如图5所示.由图5可知，没有反向拒斥电压UG2A时，阳极电流I的振荡幅度较小. 这是由于即使有很多的电子因为和氩原子产生非弹性碰撞失去大量的能量，但它们仍能以较小速度到达阳极，电子流过第二栅极与阳极间区域的数量并没有减少. 阳极电流的公式为式中，n为流过第二栅极和阳极的电子数目，q为电子的带电量，v为电子的速度，s为第二栅极与阳极的距离.由(1)式可知，电子的数目也影响着阳极电流的大小，在没有反向拒斥电压时，I的振荡幅度并不明显. 增加反向拒斥电压UG2A后，随着UG2A的增大，图中曲线的起伏变化越来越明显. 这是由于有拒斥电压存在时，电子从第二栅极到阳极的运动过程中会受到UG2A的反向电场的作用，与氩原子发生非弹性碰撞后损失大量能量的电子，在这个电场的作用下减速运动，因其仅剩下少量的能量而无法克服反向电场到达阳极，进而使得阳极电流I出现明显下降，F-H曲线上的峰值和谷值就有着明显的差距. UG2A继续增大，曲线的振荡会越来越明显. 从图5中可以看到，随着UG2A的增大，F-H实验曲线逐渐下移，阳极电流的峰和谷值逐渐减小. 当UG2A较大时(如图5中的11.0 V)，对应曲线的前4个谷点值接近为0. 因为反向电压较大时，单位时间内到达阳极的电子数目比较少. 虽然在该情况下实验曲线的峰谷值区别明显，但这样不仅过滤了因发生非弹性碰撞失去大量能量的电子，也影响了其他电子的速度，使一部分电子在没有发生非弹性碰撞的情况下也不能到达阳极，故拒斥电压也不能设置过大.从图5中还可以看出另一个明显的现象：随UG2A的增大，峰和谷的位置明显右移. 产生这种现象的原因是UG2A对电子的减速和加速电压UG2K对电子的加速共同作用影响了阳极电流. 当没有拒斥电压时，F-H曲线上的波峰对应于穿过第二栅极，到达阳极的电子数量最多的情况. 在加上拒斥电压后，并不是所有的电子都能够顺利地到达阳极，只有碰撞过后能量大于第二栅极与阳极之间势能的电子才能够到达阳极. 当拒斥电压比较大时，电子到达阳极所需要的能量便会相应地增大，电子的能量是在第二栅极之前在加速电压的作用下获得的，电子只有在更高的加速电压下才能到达阳极，形成阳极电流. 因此实验曲线整体向右移动，相应的波峰和波谷位置也向右移动[7].不同的拒斥电压会对F-H曲线产生不同的影响. 当拒斥电压设置过小时，对电子的筛选作用不明显，测出的电流跌落不明显，不能正确反映出碰撞区的电子与氩原子的碰撞情况；当拒斥电压设置过高时，对电子又产生了过度筛选，影响了阳极电流的测量，也不能正确反映出电子与氩原子的碰撞情况. 所以过大或过小的拒斥电压都会对实验数据产生很大影响，使测量出的氩原子的第一激发电位不准确. 该台仪器当前情况下的拒斥电压设置为7.0 V或9.0 V时，实验曲线比较理想.1.4 正常F-H管工作参量的调整由以上不同工作参量下获得的经验曲线，对环境温度变化及学生预热时长不统一所引起的工作参量设置不合适，可以进行以下调节：1)当阳极电流值较低、有效数位较少(或电流值过高超出电流表量程)，可视电流值大小具体情况以0.1～0.3 V为间隔逐步增大(或减小)灯丝电压，观察修改灯丝电压后的I-U曲线；2)当I-U曲线震荡不明显，可以同时考虑灯丝电压是否过小和拒斥电压是否过小；3)当I-U曲线谷值跌落太低不随加速电压UG2K逐渐上升，或者峰/谷出现得较迟，可以1.0 V为间隔减小拒斥电压，观察修改拒斥电压后的I-U曲线；4)控制电压一般保持1.5 V不变，调整灯丝电压时应同时考虑拒斥电压，二者应互相配合，使之适合当前的电流表挡位.若按照以上正常F-H管的调整方式进行参量修正后，F-H曲线仍然异常，可以考虑该F-H管进入了老化状态. 根据实验室管理经验，对已经老化的F-H管，如果暂时不能替换，可以尝试在设置好工作参量后，加长预热时间或者反复测试I-U曲线，该F-H管可能会暂时进入较稳定状态，否则只能尽快更换，以免影响实验教学的开展. 图6列举了几种F-H管老化后测量出的I-U曲线.根据实验室管理经验，温度变化、预热时长不定、F-H管进入老化状态等因素都会让F-H曲线的测量变得捉摸不定、不可预测，不利于实验教学的稳定开展. 为此，本文结合传统弗兰克-赫兹实验教学的实施流程，设计了让学生在实验时获得稳定F-H曲线的教学方案，实验仪器的配置如图7所示.传统弗兰克-赫兹实验教学中，一般是让学生根据参考工作电压设置好参量后，逐一记录I-U值，数据量较大，而且记录过程中对I-U曲线不能进行直观地判断. 如果中途仪器出现异常，往往需要重新记录，影响实验进程. 图7所示仪器配置，即在现有ZKY-FH型实验仪上增加数字示波器，只需要将实验仪的“信号输出”和“同步输出”连接到示波器的2个通道(或将“同步输出”连接到“外触发”)，再按下示波器AUTO按键，就可以在示波器上直观看到F-H曲线. 由此，可以利用弗兰克-赫兹实验仪的自动测试功能，设置好灯丝电压UF、控制电压UG1K、拒斥电压UG2A以及加速电压UG2K的截止值，按下启动按钮，即可在示波器上观察F-H曲线，如果曲线异常，可以根据具体情况调整工作参量，通过自动测量尽快获得新的曲线.在获得较理想的F-H曲线后，记录数据可以采用2种方式：第一种是和传统实验结合，通过回访实验仪存储器存储的数据(每个UG2K值对应1个电流I值，通过按动UG2K按钮查询可得)，逐一将I-U值记录在原始记录纸上(这种方式下也可以采用模拟示波器)；第二种是从数字示波器直接拷贝出数据，在计算机上作I-U曲线，只是由于数据结构的原因，需要根据具体所使用的弗兰克-赫兹实验仪型号和示波器型号，考察数据结构转换的方式，将示波器的“时间-电压”转换为“加速电压-阳极电流”关系. 图8为SIGLENT SDS1102CML型示波器拷贝出的原始数据未经转换所作的图.由于数字示波器是以采样方式进行实时记录，含有有效数据的同时也含有很多无效数据，所以需要对数据进行抽取以及明确有效数据的起止点. 具体做法是：以弗兰克-赫兹实验仪“同步输出”连接到示波器通道2所产生的提示信号找出实验测量的起点，如图8所示，弗兰克-赫兹实验仪开始工作时，仪器的“同步输出”端输出高电平，通过这个高电平可以找出起点数据. 再通过将UG2K最大时(例如设置为85 V)弗兰克-赫兹实验仪测量出的电流值与示波器测出的电压值对应找出实验测量的终点，起点与终点之间所对应的电压为85 V，这样可算出横轴的“时间-加速电压”转换关系为0.06 V/μs；再通过回访弗兰克-赫兹实验仪测出的电流峰或谷值与示波器所显示的曲线峰或谷点处的电压值比较，得出纵轴的“电压-阳极电流”转换关系约为0.17 μA/V. 由此，通过横、纵坐标的换算，可画出弗兰克-赫兹实验的I-U曲线.在日常弗兰克-赫兹实验室管理经验基础上，通过控制变量法测试了不同工作参量组合下的F-H曲线作为经验曲线，用于指导温度变化、预热时长不定等情况下F-H管工作参量的调整，并列举了几种老化F-H管易出现的状况，最后提出了不论对于正常或是老化F-H管都适用的获得稳定F-H曲线的实验教学方案：增设数字示波器来直观观测F-H曲线，以便灵活调整工作参量. 这种仪器配置不仅保留了当前的弗兰克-赫兹实验仪，而且有利于扩展弗兰克-赫兹实验内容，同时还可以对示波器实验教学进行补充. 为不增加额外的教学难度，可以根据各校实际情况，采用传统数据记录方式或者利用数字示波器存储数据绘制F-H曲线.【相关文献】[1] 陶纯匡，王银峰，汪涛，等. 大学物理实验[M]. 北京：机械工业出版社，2005:302-306.[2] 张建民,才让卓玛. 夫兰克-赫兹实验中影响板极电流因素浅析[J]. 大学物理实验,2014,27(4):66-69.[3] 冯娟,张贺,赵飞. 夫兰克-赫兹实验的改进[J]. 物理实验,2014,34(9):39-41.[4] 贾虎. HL1型夫兰克-赫兹实验仪中存在的两个问题与仪器的改进[J]. 实验技术与管理,2007,24(2):61-63.[5] Robson R E, White R D, Hildebrandt M. One hundred years of the Frank-Hertz experiment [J]. Eur. Phys. J. D, 2014,68(7):188.[6] 张新昌. 夫兰克-赫兹实验中的气体击穿现象和空间电荷的影响[J]. 物理实验,1993,13(6):241-243.[7] Rapior G, Sengstock K, Baev V. New features of the Franck-Hertz experiment [J]. American Journal of Physics， 2006,74(5):422-428.。

基于单片机的对物理实验弗兰克—赫兹实验装置仪器的改进

基于单片机的对物理实验弗兰克—赫兹实验装置仪器的改进弗兰克—赫兹实验是用电子与原子碰撞的方法证实原子能级量子化的著名实验。

该实验证明了原子能级的存在，也证明了原子发生跃变时吸收能量是完全确定的、不连续的。

以前观察该实验是通过逐点测试法描出该曲线的，或用慢扫描示波器显示，这种显示速度非常快，不能在示波器上得到稳定的波形，给实验者观察实验结果带来一定的困难。

为了克服上述困难，我们采用单片机作为主要控制器，将弗兰克—赫兹板极电流和栅极电压，经A/D转换后传输给单片机，经过单片机处理后再由D/A转换后传输给示波器。

一、改进后的弗兰克—赫兹实验装置的框图如图1所示是改进后的弗兰克—赫兹实验装置的框图，它主要由弗兰克—赫兹实验装置，稳压电路，滤波电路，栅极电压降压电路，A/D转换电路，D/A转换电路，单片机小系统，示波器等组成。

图1 弗兰克—赫兹实验装置的框图将Vg的信号经过降压和滤波电路后引到数据采集系统中，作为数据采集的同步信号，其输入到A/D转换器的通道1；Ig随着栅极电压Vg的变化而变化，Ig（本实验中电流的输出是以电压的形式，每一个电流值都有一个相应的电压）经稳压电路及滤波电路后输入到A/D转换器的通道0转换成数字信号，由单片机采集并进行相应的处理，存储到外部数据存储器6264中；Vg达到临界电压时，单片机自动从数据采集状态转变为扫描显示状态，取出数据经过D/A转换成模拟信号，经过滤波电路送给示波器显示，只要扫描速率提高，并不断的重复扫描，就可以得到稳定的曲线图形。

二、弗兰克—赫兹实验简介1、工作原理电子与原子碰撞过程可以用下面的方程表示：m e是电子质量、M是原子质量、v是电子的碰撞前速度、V是原子的碰撞前速度、v’是电子碰撞后的速度，V’是原子碰撞后的速度、△E为原子的内能变化。

弗兰克—赫兹实验仪测量第一激发态的实验示意图如图2所示。

原理是热电子从阴极（k极）出发经过K—G之间的电场逐渐加速，当电子的动能等于原子的第一激发态时动能转换为原子的内能，电子的动能将为0，损失动能等于原子的第一激发态，那么就会发生第二次碰撞甚至更多。

夫兰赫兹实验报告

1. 通过实验验证原子能级的存在，加深对量子化概念的认识。

2. 学习将电子与原子碰撞微观过程与宏观物理量相结合的实验设计方法。

3. 测量氩原子的第一激发电势。

二、实验原理夫兰克-赫兹实验是德国物理学家夫兰克和赫兹于1914年提出的。

该实验通过研究电子与氩原子碰撞的过程，验证了原子能级的存在，并测量了氩原子的第一激发电势。

实验原理如下：1. 在夫兰克-赫兹实验中，电子从阴极K发射出来，在加速电场的作用下，电子在K-G1区间获得能量，进入G1-G2区间与氩原子发生碰撞。

2. 在G1-G2区间，电子与氩原子发生弹性碰撞，即电子将部分能量传递给氩原子，但自身能量不发生改变。

3. 当电子能量达到一定值（即氩原子的第一激发电势）时，电子与氩原子发生非弹性碰撞，即电子将全部能量传递给氩原子，使氩原子从基态跃迁到第一激发态。

4. 在G2-A区间，电子在拒斥电场的作用下，若能量大于或等于eU（e为电子电荷，U为拒斥电压），则电子能够到达板极A，形成板极电流I。

根据上述原理，通过测量板极电流I与加速电压U的关系，可以确定氩原子的第一激发电势。

三、实验仪器与设备1. 智能型夫兰克-赫兹实验仪2. 示波器3. 阴极灯丝4. 氩气瓶5. 电压表6. 电流表1. 连接实验仪器，调整仪器参数，使实验条件符合实验要求。

2. 开启实验仪，预热一段时间，确保仪器稳定运行。

3. 逐步增加加速电压U，观察板极电流I的变化。

4. 记录不同加速电压U对应的板极电流I，分析数据，确定氩原子的第一激发电势。

五、实验结果与分析通过实验，测量得到氩原子的第一激发电势约为9.6V。

实验结果表明，在加速电压U为9.6V时，板极电流I发生显著变化，验证了原子能级的存在。

六、误差分析1. 数据记录点较少，峰值不一定出现在电压为整数或0.5V的点上，导致精确度较低。

2. 温度与电压也会对实验结果产生影响，实验过程中应尽量保持温度稳定。

3. 预热时间不足，仪器状态不稳定，导致实验数据存在一定误差。

夫兰克-赫兹实验报告

夫兰克-赫兹实验报告夫兰克-赫兹实验报告夫兰克-赫兹实验是物理学中一项重要的实验，通过该实验，科学家们揭示了原子结构的奥秘，为量子力学的发展奠定了基础。

本文将对夫兰克-赫兹实验进行介绍和分析。

夫兰克-赫兹实验是由德国物理学家夫兰克和赫兹于1914年共同完成的。

他们的实验目的是研究气体放电中的电子行为。

实验装置由一个玻璃管、一个阴极和一个阳极组成。

玻璃管内充满了一定压强的气体，通电后，观察气体中的电子在不同电压下的行为。

在实验中，夫兰克和赫兹发现，当电压较低时，电子从阴极发射出来，经过气体中的碰撞后，会散射到不同的方向。

这是由于电子与气体分子碰撞后，能量损失较小，仍然能够继续运动。

然而，当电压逐渐增加时，他们观察到了一个意想不到的现象：电子在经过气体时，突然停止运动，然后再次加速通过。

夫兰克和赫兹的实验结果表明，当电压达到某个特定值时，电子在经过气体时会发生能量的跃迁。

在这个电压值之前，电子与气体分子的碰撞并不足以使电子失去能量，因此电子能够持续运动。

而当电压超过这个临界值时，电子与气体分子发生弹性碰撞，电子会失去能量并停止运动，直到再次加速通过。

这一实验结果揭示了原子结构的重要特征。

根据量子力学的理论，原子是由离散能级组成的。

夫兰克-赫兹实验的实验结果证明了电子在经过气体时只能在特定的能级上停留，而不能在连续的能量上持续运动。

这一现象被称为能量量子化，它揭示了原子结构的离散性质。

夫兰克-赫兹实验对于量子力学的发展具有重要意义。

它为后来的科学家们提供了重要的实验依据，进一步推动了对原子结构和量子力学的研究。

通过夫兰克-赫兹实验，科学家们逐渐揭示了原子内部的奥秘，为量子力学的建立奠定了基础。

除了对原子结构的研究，夫兰克-赫兹实验还在其他领域产生了重要影响。

例如，它对电子学和半导体物理学的发展起到了关键作用。

夫兰克-赫兹实验揭示了电子在气体中的行为规律，为电子在固体中的行为提供了重要的参考。

这对于发展半导体器件和电子技术有着重要的意义。