《工科物理实验》课件汇 3.2 刚体转动惯量的测定 - 3.20 液晶电光效应综合实验

刚体转动惯量的测定1、实验报告标明编号【签到表编号】，组(签到表左列组号)，课程编码：1921990392、实验完成后任课老师需查看实验数据后签字3、交报告地点：4楼电梯右侧报告箱，实验项目+教师名字的报告箱4、实验完成后实验报告要在三天内交回5、没有交实验报告30分，有实验报告但报告中数据错误50分。6、实验完成后，整理实验台，实验器材摆放好，保持实验台整洁干净。要求

转动惯量的定义

转轴通过圆盘中心与盘面垂直的物体的转动惯量：理论计算：转轴通过圆环中心与环面垂直的物体的转动惯量：

平行轴定理：

规则物体的转动惯量计算公式示例1．学习用恒力矩转动法测定刚体转动惯量的原理和方

法；2．观测刚体的转动惯量随其质量，质量分布及转轴不

同而改变的情况，验证平行轴定理；3．学会智能计时计时器测量时间；4.学会用逐差法处理数据。实验目的实验仪器转动惯量测试仪、圆环、圆盘、圆柱（2个）、水平仪、电子秤实验原理

实验原理

实验原理

实验仪器塔轮半径为15，20，25，30，35mm共5挡，可与53.5g的砝码托，产生大小不同的力矩。被测试样有1个圆盘，1个圆环，2个圆柱。载物台上的不同孔离中心的距离分别为45,60,75,90,105mm，便于验证平行轴定理。一只光电门作测量，一只作备用。

液晶显示屏：显示实验内容和实验测量数据；

数字键：“0～9”10个数字按键用于实验中对测量物体的参数进行设置（如圆柱的质量、半径等）；

确定键：当前选中实验、参数设置完成，以及完成一次实验，都需要按确定键来完成操作；

↑↓键：用于选择实验内容；

←→键：用于测量物体参数设置时移动光标；

清零键：在进行每组实验前，将当前的显示数据清除；以及在实验选项界面清除选项数据或全部数据。

取消键：取消或退出当前的操作，进入到“返回上一步骤”和“返回实验选项菜单”界面，这时可以根据需要选择返回

界面。测试仪机箱后有12V电源接口和光电门接口，分别使用12V电源、航空插头连线连接。最后需确认无

线天线已经安装良好。

实验操作滑轮调节塔伦滑伦砝码按上下箭头按键选定实验项目，按确定键，按上下箭头按键选定匀加速，输入实验参数，按确定键，细绳绑定绕线塔伦，手放开，砝码下落，按确定键开始计时，计时完成按确定键；按上下箭头按键选定匀减速，输入实验参数，按确定键，按确定键开始计时，计时完成按确定键。鼠标选定所用仪器设备，双击鼠标左键测试数据及处理结果实验内容及步骤

实验内容及步骤

百分差E(%)一列数据绝对值≤10清除计数器保存圆环有关实验数据圆环实验数据错误重置数据：清除电脑保存实验数据实验数据全部错误清除数据：清除计数器保存所有实验数据1．连接，应找准位置，顺势插入。2．塔伦绕线不能重叠。3．选择适当的塔轮，保证有至少8组可用数据，砝码落地后所记数据为无用数据。4．保持滑轮与所选塔轮等高。5．当试样的转动惯量远小于实验台的转动惯量时，误差的传递公式可能使测量的相对误差增大。6．可改变实验条件进行测量并对数据进行分析，探索其规律，寻求发生误差的原因，探索测量的最佳条件。注意事项1．

总结本实验所要保证的实验条件，说明它们在实验中是如何实现的？

2．

请想出办法粗略检查所得数据的正确性。3．

转动惯量还可以用其他那些方法测定，请查找资料。思考题参考数据圆环外半径120mm圆环内半径105mm圆盘半径120mm圆柱半径15mm试件轴中心距105mm表1一次性测量数据表2金属丝直径测量数据表3加减力时刻度与对应拉力数据签到，填好课程代码（192199039）、编号、组号，对号入座，画好数据表格螺旋测微器零差d0=

mm实验室安全须知及注意事项

进入实验室后应保持安静，不得高声喧哗打闹，不准随地吐痰，不准乱丢垃圾，不得吸烟和在实验室内吃东西。

实验中，应注意安全，爱护仪器设备，严禁弄虚作假，抄袭他人实验数据。

实验完毕，应将实验设备关闭电源，仪器和凳子摆放整齐，未按要求完成的组，每人扣5分。不得私自带走实验室的任何仪器设备等，两天之内把实验报告投到四楼电梯口“对应实验、对应时间”的报告箱内。金属丝的杨氏模量测定实验目的实验原理实验内容总结与思考背景概述目录如何定量描述材料的弹性性能？运动鞋皮球橡皮筋齿轮链条轴承杨氏模量（Young‘smodulus）也称弹性模量，1807年由英国物理学家托马斯·杨(ThomasYoung,1773-1829)首先测得而命名。杨氏模量是衡量材料产生弹性变形难易程度的物理量，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。托马斯·杨（ThomasYoung）1773~1829杨氏模量实验目的实验原理实验内容总结与思考背景概述目录1.学会用拉伸法测量金属丝的杨氏模量。2.掌握光杠杆法测量微小伸长量的原理。3.掌握各种基本长度测量工具的正确使用方法。4.学会用逐差法处理实验数据。5.学会不确定度的计算方法，正确表达实验结果。实验目的及任务实验目的实验原理实验内容总结与思考背景概述目录1.杨氏模量的定义在弹性范围内物体的应力与应变成正比，即：应力：σ=F/S，应变：ε=ΔL/L或比例系数E即为金属丝的杨氏模量（单位：Pa或N/m2），即：LSFΔL常见材料的杨氏模量

Fe:～2.0×1011N.m-2；Cu:～1.0×1011N.m-2；

Al:～7.0×1010N.m-2；

Au:～7.9×1010N.m-2实验目的实验原理实验内容总结与思考背景概述目录F=k·ΔL2.拉伸法测金属丝的杨氏模量对于长度为L直径为d的圆柱形金属丝，其杨氏模量为：式中:L（金属丝原长）可由卷尺测量；

d（金属丝直径）可由螺旋测微器测量；

mg（拉力）可由数字拉力计测量计算，F=mg；

ΔL（金属丝拉伸长度）是一个微小长度变化，不能直接测得，本实验采用光杠杆法进行测量。mgdLΔL实验目的实验原理实验内容总结与思考背景概述目录实验中2H/D称作光杠杆的放大倍数（27倍左右）3.光杠杆法测微小形变θθ2θΔLx2式中:H（标尺到反射镜距离）可由卷尺测量；

D（光杠杆常数）可由游标卡尺测量。实验目的实验原理实验内容总结与思考背景概述目录序号仪器名称及型号1ZKY-YM近距转镜杨氏模量仪2数字拉力计3金属丝4长度测量工具（包括卷尺、游标卡尺、螺旋测微器）5光杠杆6望远镜施力螺母上夹头光杠杆金属丝数字拉力计标尺望远镜游标卡尺螺旋测微器卷尺拉力传感器实验仪器及测量工具1.实验仪器实验目的实验原理实验内容总结与思考背景概述目录量具名称量程分辨力误差限Δ器用于测量标尺(mm)8010.5Δx钢卷尺(mm)300010.8L游标卡尺(mm)1500.020.02D螺旋测微器(mm)250.010.004d数字拉力计(kg)200.010.005m测量工具参数及读数(14.0mm)(736.5mm)(0.655mm)(50.10mm)(3.00kg)1.实验仪器实验目的实验原理实验内容总结与思考背景概述目录1）开机预热：打开数字拉力计电源开关，预热10min。逆时针旋转施力螺母施加预拉力，使数字拉力计显示1.00kg左右，将金属丝拉直。2）测量L：用钢卷尺测量金属丝的原长L。从上夹头的下表面到下夹头的上表面，将实验数据记入表1。3）测量H：将光杠杆置于台板上，调节光杠杆使前两足置于同一凹槽内，并使动足尖贴近并处于金属丝正前方。用钢卷尺测量标尺表面到反射镜中心的垂直距离H，将实验数据记入表1。4）测量D：取下光杠杆，用三足尖在平板纸上压出三个痕迹，用游标卡尺量出前两足连线到动足的高（即光杠杆常数D），将实验数据记入表1。放回光杠杆。(H)(D)(L)2.实验步骤实验目的实验原理实验内容总结与思考背景概述目录5）测量d：用螺旋测微器测量上、中、下不同位置、不同方向的金属丝直径视值d（至少6处），注意测量前记下螺旋测微器的零差d0。将实验数据记入表2。6）望远镜调节：将望远镜移近并正对反光镜中心（望远镜前沿与平台板边缘的距离在0~30cm范围内均可）。调节反射镜角度，使从望远镜中能看到标尺背光源发出的明亮的光。旋转调节望远镜目镜→物镜→镜身使望远镜中十字叉丝与标尺刻度线清晰可见并且相互平行。7）设置初始值：逆时针旋转施力螺母，增加拉力至2.00kg。调节反光镜角度将十字叉丝调至10.0mm位置附近，作为xi+初始值，并计入表3。

调好后望远镜、光杠杆、测试架不再移动调节，并举手示意🙋‍。(d0)(d)1232.实验步骤实验目的实验原理实验内容总结与思考背景概述目录

（注意：以下步骤中不能再调整望远镜，并尽量避免桌面震动，以保证光杠杆系统稳定。）8）继续逆时针缓慢旋转施力螺母，逐渐增加金属丝的拉力，从3.00kg开始每隔1.00（±0.02）kg记录一次标尺的读数xi+，加力至11.00kg。注意：整个过程施力螺母不能反向旋转。数据记录后再加0.5kg左右拉力（不超过1.0kg，且不记录数据）。再反向旋转施力螺母，逐渐减小金属丝的拉力，同样地，从11.00kg开始每隔1.00（±0.02）kg记录一次标尺读数xi−，直到拉力减为2.00kg。注意：整个过程施力螺母不能反向旋转。将以上数据记入表3对应位置。9）将实验数据输入计算机进行数据处理并拍照。

10）实验完成后，旋松施力螺母，使金属丝自由伸长，盖好目镜、物镜罩。（注意：电脑及数字拉力计不用关闭。）(mi)(xi+或xi-)2.实验步骤实验目的实验原理实验内容总结与思考背景概述目录表1一次性测量数据表2金属丝直径测量数据表3加减力时刻度与对应拉力数据螺旋测微器零差d0=

mm3.数据处理L(mm)H(mm)D(mm)

序号i123456平均值直径d视i(mm)

序号i12345678910拉力视值mi(kg)2.00

加力时标尺刻度xi+(mm)

减力时标尺刻度xi−(mm)

平均标尺刻度(mm)xi=(xi++xi−)/2

标尺刻度改变量(mm)Δxi=xi+5−xi

实验目的实验原理实验内容总结与思考背景概述目录实验目的实验原理实验内容总结与思考背景概述目录逐差法计算标尺平均位移：钢丝的杨氏模量为：钢丝杨氏模量不确定度计算：钢丝杨氏模量计算：3.数据处理4.注意事项1）光杠杆、望远镜和标尺所构成的光学系统一经调节好后，在实验过程中就不可再移动。否则，所测的数据无效，实验应从头做起。2）读数时应正对刻度面读数。3）光学器件属易碎件，请轻拿轻放。勿用硬物触碰或用手指触摸光学表面。4）实验完毕后，应旋松施力螺母，使金属丝自由伸长。实验目的实验原理实验内容总结与思考背景概述目录思考

1.材料相同，但是粗细和长度不同的两根金属丝，它们的杨氏模量是否相同？为什么？

2.本实验的各个长度量为什么使用不同的测量仪器？

3.在加力和减力过程中施力螺母为什么不能反向旋转？

4.实验中，在金属丝下端加有初始拉力F0作用下测量其原长的，这对测试结果有无影响？为什么？实验目的实验原理实验内容总结与思考背景概述目录求

明

卓是

德

越谢谢THANKYOU表1三个待测电阻的阻值表2应变片单臂输入时的电压输出表3应变片双臂输入时的电压输出课程代码：192199039，编号:XX,组号:XX进入教室先签到，对号入座，微信扫“雨课堂”，画好数据表格实验室安全须知及注意事项

进入实验室后应保持安静，不得高声喧哗打闹，不准随地吐痰，不准乱丢垃圾，不得吸烟和在实验室内吃东西。

实验中，应注意安全，爱护仪器设备，严禁弄虚作假，抄袭他人实验数据。

实验完毕，应将实验设备关闭电源，仪器和凳子摆放整齐，未按要求完成的组，每人扣5分。不得私自带走实验室的任何仪器设备等，本周之内把实验报告投到四楼电梯口“电桥的使用”的报告箱内。实验

电桥的使用课程名称：大学物理实验【实验目的及任务】1、理解直流单臂电桥（或惠斯通电桥）的原理，掌握直流单臂电桥测量未知电阻阻值的方法；2.学习常用压力传感器应变片基本原理，并使用三种电桥自主设计三种灵敏度各不相同的压力测量电路。【实验原理】惠斯通电桥惠斯通电桥测中值电阻原理

电桥平衡比例臂比较臂

：检流计不偏转I1I2惠斯通电桥测中值电阻原理

【实验原理】图1惠斯通电桥测电阻接线图【实验原理】双孔平行梁式应变测力传感器电压输出特性测量

若电桥平衡时R1=R2=R3=R4=R0，电压灵敏度取最大值，施加F后1、单臂输入2、半桥差动3、全桥差动双孔平行梁式应变测力传感器电压输出特性测量【实验原理】图2双孔平行梁式应变测力传感器电压输出特性测量接线图序号仪器及配件名称型号数量单位1自主电桥实验仪ZKY-ZB1台2直流电阻箱ZX211台3秤砣及秤砣限位杆250g6个4导线-若干根【实验仪器】自主电桥实验仪直流电阻箱秤砣及秤砣限位杆导线【实验步骤】直流单臂电桥测量待测电阻1、测量Rx1:打开实验箱，按照图1连接电路。设置比例臂k=1，即R1=R2=100Ω，将待测电阻Rx1接入测量臂，将电阻箱作为Rs1接入比较臂。

打开2V稳压电源供电，调节电阻箱（调节前需预设RS），使检流计指针（拨到“细测”）不发生偏转，此时电桥平衡，将R1、R2、Rs1记录在表1中，记录好后改变Rs1使检流计指针往右偏转1格，将ΔRs1记录在表1中。交换Rx1与Rs1的位置（或交换电源正、负极）重复上述步骤将Rs1´与ΔRs1´记录在表1中。根据Rx=kRs计算出测量结果Rx1、Rx1´，取平均值计入表格。根据

计算出电桥的灵敏度S1、S1´，取均值计入表格。2、测量Rx2:将Rx1更换为Rx2，重复上述步骤，计算出Rx和S。3、测量Rx3:将Rx1更换为Rx3，设置比例臂k=10：1，即R1=1000Ω，R2=100Ω

，重复上述步骤，计算出Rx和S。【实验步骤】双孔平行梁式应变测力传感器电压输出特性测量1、应变片在单臂输入时电桥电压输出特性:按照图2连接电路。将“应变片”模块中的R1接入“非平衡电桥”，非平衡电桥剩下的三个臂接“应变片等值电阻”中的对应电阻，将其他线路接好，拧上秤砣限位杆。打开10V稳压电源供电，预热五分钟以上，旋转调零旋钮，使电压表显示为0.0000V。按顺序依次增加秤砣（每次1个，每个250g，共6次），在表2中记录每次加载时的输出电压值U1。再按相反次序将秤砣逐一取下，在表2中记录输出电压值U1´。计算U1与U1´平均值

。用逐差法求出传感器的灵敏度S1。作-F曲线。2、应变片在双臂输入时电桥电压输出特性:将“应变片等值电阻”中的R2更换为“应变片”中的R2，重复步骤1完成表3。作-F曲线。【数据处理】1.直流单臂电桥测量待测电阻表1三个待测电阻的阻值数据处理要求：计算Rxi、Si，写出RX1，S1计算过程，将计算结果填入表格【数据处理】2.双孔平行梁式应变测力传感器电压输出特性测量数据处理要求：计算Si，结果计入表格，写出S1计算过程，作图表2应变片单臂输入时的电压输出表3应变片双臂输入时的电压输出【注意事项】

1.请遵循“接线→检查→通电→测量”的顺序。在插线时请稍微用力，以保证接头和台阶插座接触良好。2.请不要在压力传感器上放置超过5kg的物体或者用力按压托盘，避免弹性体造成不可恢复的形变。加减砝码时请轻拿轻放，以免电压表显示值突变。3.应变测力传感器实验过程中请不要抖动桌面或机箱。4.在插拔线时，请注意用食指和拇指捏住线的端部进行操作，请不要直接拉扯软线部分，否则内部金属线容易被扯断而导致整根线不能使用。表1波形参数测量记录表（正弦波、三角波、方波）参数波形峰—峰值电压Vp-p(V)电压有效值Vrms(V)波的周期Tp(s)波的频率f(Hz)表2用李萨如图形测正弦波频率记录表Nx:Ny1:11:21:32:33:23:12:1fx(Hz)

(表2画宽一点)实验室安全须知及注意事项

进入实验室后应保持安静，不得高声喧哗打闹，不准随地吐痰，不准乱丢垃圾，不得吸烟和在实验室内吃东西。

实验中，应注意安全，爱护仪器设备，严禁弄虚作假，抄袭他人实验数据。

实验完毕，应将实验设备关闭电源，仪器和凳子摆放整齐，未按要求完成的组，每人扣5分。不得私自带走实验室的任何仪器设备等，今天之内把实验报告投到四楼电梯口“示波器的调整与使用”的报告箱内。实验

示波器的调整与使用课程名称：大学物理实验【实验目的及任务】1、学习数字示波器的基本结构。2、掌握数字示波器的调整和使用方法。3、用数字示波器观察各种信号的波形。4、用李萨如图形测量频率。

序号仪器及配件名称型号数量单位1数字示波器UPO7102Z1台2函数/任意波形发生器UTG7025B1台3普通电源线-2根4线缆-2根【实验仪器】数字示波器信号发生器【实验原理】示波器示波器是一种显示电子信号波形的电子仪器。它可以显示信号波形随时间的变化，是一种综合信号特性测试仪，是电子测量仪器中的基本仪器。主要功能是：准确地再现时间和电压幅度的函数波形。用它可以即时地观察电压幅度随时间的变化情况，从而获得波形的信息。【实验原理】1、数字示波器的基本结构数字示波器（垂直通道、触发通道、数据采集、数据处理、波形显示、控制系统）2、数字示波器主要技术指标【实验原理】（1）采样率：示波器单位时间内采样次数

单位：Sa/s或S/s（如10GSa/s，1GS/s）2、数字示波器主要技术指标【实验原理】（2）带宽：示波器的频带宽度，是指随着输入信号的频率增加，示波器显示的信号幅度衰减为真实幅度的70.7%（即-3dB）时的截止频率。单位：Hz（如：100MHz，1GHz）。通常按“5倍法则”选择示波器。2、数字示波器主要技术指标【实验原理】（3）存储深度：是指示波器在一次触发采集中所能存储的波形点数。它反映了采集存储器的存储能力。单位：pts（即points）（如56Mpts）。存储深度=采样率×水平时基×波形在屏幕水平方向的格数3、用李萨如图形测频率【实验原理】在示波器的X、Y输入端分别加上两个正弦电压信号，在荧光屏上则出现由两个互相垂直的正弦振动合成的图形，一般为封闭曲线，称为李萨如图形。3、用李萨如图形测频率【实验原理】李萨如图形Nx11122Ny12331fx:fy1:12:1

李萨如图形与频率比的关系【实验原理】①.屏幕显示区域②.拷屏键③.多功能旋钮(Multipurpose)④.功能菜单键⑤.自动设置控制键⑥.运行/停止控制键⑦.单次触发控制键⑧.全部清除控制键⑨.探头补偿信号连接片和接地端⑩.触发控制区(TRIGGER)⑪.水平控制区(HORIZONTAL)⑫.模拟通道输入端⑬.垂直控制区(VERTICAL)⑭.控制菜单软键⑮.USBHOST接口⑯.电源软开关键1.连接线路【实验内容和步骤】2.开机,校准波形3.调节波形4.测量表1数据打开信号源、示波器“通道1”（亮绿灯），输入“正弦波”。示波器操作：①按“CURSOR键”调出菜单；②按“F1健”；③­旋转“Multipurpose”旋钮至“电压”选项，并点按“Multipurpose”旋钮，屏幕弹出两条水平刻度线；④旋转“Multipurpose”旋钮使两条刻度线分别对准波形的上下峰值，屏幕上即显示出峰—峰值电压，将数据记入表1；⑤按“F1健”，旋转“Multipurpose”旋钮至“时间”选项，并点按“Multipurpose”旋钮，屏幕弹出两条竖直刻度线；⑥­旋转“Multipurpose”旋钮,使两根刻度线截得波形的一个完整周期，屏幕上即显示出一个周期的时间，将数据记入表1。

保持频率不变，调节信号源输出“方波”、“斜波”，重复以上步骤。对其中一组数据拍照记录。【实验内容和步骤】5.测量表2数据打开信号源、示波器“通道1”、“通道2”，输入“正弦波”。调节信号源“通道2”频率至500Hz左右，作为待测信号。示波器操作：①按“DISPLAY键”调出菜单；②按F2健将格式调为XY1＆2信号源操作：③调节信号源“通道1”频率使示波器的显示屏上显示表2中与Nx:Ny比值对应的李萨如图形，读出信号源“通道1”频率，计入表2中。对Nx:Ny=3:2组数据拍照记录。【数据处理】1.波形参数的测量表1波形参数测量记录表（正弦波、三角波、方波）参数波形峰—峰值电压Vp-p(V)电压有效值Vrms(V)波的周期Tp(s)波的频率f(Hz)数据处理要求：计算各波形电压有效值Vrms及频率f，写出计算过程，将计算结果填入表格【数据处理】2.用李萨如图形测正弦波频率表2用李萨如图形测正弦波频率记录表Nx:Ny1:11:21:32:33:23:12:1fx(Hz)已知的不同值

测量结果：

(直接读取信号源CH1频率)(计算得到待测信号CH2频率,500Hz左右)1.通道打开后,按“AUTO”按键自动检索显示波形【注意】2.实验2中，信号源CH2输出信号作为待测信号，频率设置为“500+组号”Hz，设置好后不调节，将CH1作为可调已知信号，调出相应稳定里萨如图后，读取信号源CH1频率（不能编造数据）。3.记录数据时应将显示数据记录完全（“0”也要写完）。【拍照示例】牛顿环及劈尖干涉实验82实验室注意事项1.上实验室前：

弄清楚时间、地点、实验项目、选课编号、组号。写预习报告(要画原理图)。

准备好实验用品如：铅笔、直尺、圆规、草稿纸等，正式报告单不要用钢笔做图做表。2.进入实验室：

先签到，按组号坐。在报告单上填写完整信息。保持秩序，不得随地吐痰、丢垃圾、吃东西等。3.实验中：

爱护仪器设备，轻拿轻放，按照操作步骤，注意设备和人身安全。不得抄袭他人实验数据。4.实验结束：

数据记录拍照，老师检查签字后，清除生成的2个文件，关闭电源及电脑、清理台面，将光学镜锁紧在轨道上，恢复凳子位置（桌子下，一桌2把，多余的还到原来位置）。不得带走实验室物品。

三天之内把实验报告投放到实验楼4楼电梯间名称对应的报告箱内。

83实验室安全事项1.上实验室前：

弄清楚楼层、安全疏散通道位置、消防器材位置等。

不要穿拖鞋、带围巾、长项链、液体、食品等进入实验室。长发、长袖要捆扎。2.进入实验室：

不得吃东西，不得将茶水及杂物放置试验台上，严禁抽烟。3.实验中：

按照操作步骤，禁止乱动乱调仪器。所有光学镜片卡在导轨上移动，必要时松螺丝调换位置。仪器轻拿轻放，不要撞击跌落。发现异常现象立即报告。4.实验结束：

实验做完后，立即关闭电源、清理台面，恢复好仪器和凳子位置，带走自己物品及垃圾。84一、实验目的概述光的干涉是指满足相干条件：两列光波频率相同、相位差恒定、振动方向一致，相互叠加时所出现的光强按空间周期性重新分布的一种重要光学现象。它是光波动性的实验证明。实验目的1.在熟悉光路调整的基础上，用反射光观察等厚干涉现象；2.学习利用干涉现象测量平凸透镜的曲率半径R。3.学习利用干涉现象测量薄纸片的厚度d。85二、实验原理11.牛顿环如图1所示，将一块曲率半径很大的平凸透镜放在一块平面玻璃上时，在透镜的凸面和平面玻璃之间将形成一个厚度自接触点向边缘逐渐增加的空气层（等厚线是一组以接触点为圆心的同心圆）。当一束单色光垂直照射时，由空气层上下两表面反射的光将发生干涉，其干涉条纹是一组定域在空气层上表面的以接触点为圆心的明暗相间的同心圆环。图1牛顿环及光路图这一干涉现象最早是英国科学家牛顿于1675年在制作天文望远镜时偶然将望远镜的物镜放在平板玻璃上发现的，因而又称牛顿环。86二、实验原理2

实际测量时，由于受接触形变或附着尘埃等因素的影响，观测到的牛顿环中心不再是理论上的暗点而是不规则的圆斑，难以判断干涉条纹的准确级次k和精确测量条纹的半径rk。为了克服这一不足，实验中通过测量距中心较远又较清晰的某两级干涉暗条纹的直径Dk和Dk+m来计算R，即：

曲率半径R只与条纹的干涉级次差m有关，而与干涉级次k自身的准确与否无关，并且即使在测量中没有严格经过干涉条纹的圆心，所测Dk和Dk+m不是直径而是某一割线上的两条弦，也不会影响R的测量结果。可以很容易地证明，同心圆环弦的平方差等于直径的平方差。建议从中心起，至少第3个环开始进行测量。图2测量不同级次暗纹的实际直径（1）87二、实验原理3

2.劈尖如图3所示，取两块光学平面玻璃，使其一端接触（形成交棱），另一端夹一薄纸片，同样在两玻璃板之间就形成了一个空气劈尖（等厚线是一组平行于交棱的直线）。当一束平行单色光垂直入射时，由空气层上下表面反射的光将在空气层上表面处发生干涉，形成一组平行于交棱的明暗相间、等间距的直条纹，见图4。图4等厚干涉条纹图3劈尖及其干涉条纹（2）相邻干涉暗条纹对应的空气薄膜厚度差为：在图3中，设相邻两干涉暗条纹之间的距离为l，薄纸片边缘到劈尖交棱的距离为L，薄纸片的厚度为d，由图3中的几何关系（3）联立（2）式和（3）式，有：际测量时，由于相邻间距之间的距离很小，为了减小测量误差，通常测量n条干涉暗条纹之间的间距ln，由（4）式来计算薄纸片的厚度d，即（4）88三、实验器材由导轨、低压钠灯、半反半透镜、牛顿环、分划板、劈尖、工业镜头和工业相机等组成。如图5所示：图5牛顿环及劈尖干涉实验整机序号名称备注序号名称备注1牛顿环曲率半径R0=2000mm8工业镜头50mm/F1.42劈尖

9双凸透镜f120mm3半反半透镜

10直尺配件4导轨600mm11滑块宽50mm，带俯仰调节5低压钠灯波长589.3nm12滑块宽30mm6分划板对焦、定标13高度定位环Φ12mm7工业相机含USB线、转接环14计算机自备表1牛顿环及劈尖干涉实验器材图6左：牛顿环、右：劈尖手拧压环的作用是压紧玻片组，切忌将其拧得很紧，这可能会造成玻片变形、曲率偏大，甚至可能损坏牛顿环玻片（比如碎裂）。手拧螺钉可以改变干涉条纹的方向，但切忌将螺钉拧很紧，这可能会造成条纹变形，甚至损坏劈尖玻璃（比如碎裂）。其中L代表薄纸片朝内的边缘线到劈尖交棱的距离，需要用直尺来测量，请小心操作，避免刮擦光学器件表面。钠灯可以它视作波长为589.3nm的单色光源。89四、实验步骤1.实验光路2.仪器的安装与调整（见后面6个要领）3.定标将得到的定标原始图样，使用配套软件得到标尺1mm间隔对应的像素间距。具体测试方法参见图8，最终定标结果为：n为X1、X2两点间的格数。具体见附件操作。注意：标定数据确定后，在完成牛顿环和劈尖测试前，不能再移动或改变相机、双凸透镜、半反半透镜的位置及焦距，否则标定结果将失效，需重新标定后方可进行实验。4.牛顿环的测量1)微调牛顿环组件滑块位置、高度，使圆环中心大致居中且合焦准确。2)微调牛顿环旋转方向、滑块位置，使整个画面全部清晰（微调钠灯指向和左右位置，相机镜头的上下左右角度，该调节不影响标定）。3)拍照，得到牛顿环图像。4)通过软件测量不同级次暗纹的实际直径Dk。最后根据（1）式可得到平凸透镜的曲率半径R。5.劈尖干涉的测量1)取下牛顿环组件，先用直尺测量劈尖的L值。将劈尖安装在相同位置，可略微调节其位置使显示屏上呈现清晰的条纹。拍照，得到劈尖干涉的图像。2)通过软件测量n个暗条纹之间的像素间距dn，然后根据定标结果得到实际间距:最后根据（4）式得到劈尖薄纸片的厚度d。图7实验光路示意图图8定标9091光学镜6个操作要领1.按照光路图摆放导轨：将半反半透镜对准汞灯。2.半反半透镜、双凸镜、相机：已经固定好位置，不能再在导轨上移动。3.分划板、牛顿环、劈尖：轮流固定在导轨约240mm处，其玻璃片要垂直于导轨方向。4.调整图像到中央：相机左右角度（捏住相机四方体左右摆动）、俯仰角度（调整相机立柱底下的俯仰螺丝）。5.调整图像明暗度：汞灯入射光方向、半反半透镜偏转角度、导轨整体角度。6.调整图像清晰度：定标时调整相机焦距、定标后不能再调焦使图像清晰（否则误差很大），只能在导轨上前后移动牛顿环或劈尖。光路示意图五、数据处理92仔细学会软件操作，将软件生成的PDF文件拍照后，将原始表格及数据抄到报告单的第五项—数据处理上。六、结果分析及问题讨论93结果分析：你测出来的R平均值相对误差η是否小于10%？如果大于10%，原因是什么？在实验中怎么样调整？讨论回答：1.用同样的实验方法，能否测定凹透镜的曲率半径？2.牛顿环干涉条纹畸变的可能原因有哪些？3.牛顿环实验中，光源的大小对干涉条纹的可见度有何影响？七、实验注意事项941.钠灯为气体放电，实验时应先预热10分钟，待其稳定工作。2.实验过程中不使用的光学镜片应锁在导轨上，以免摔坏。3.不要碰触光学镜面，有灰尘请使用气吹、镜头纸等进行处理。4.为避免干涉图样对比度太低，请避免强光环境下进行实验。5.牛顿环、劈尖避免压太紧，会造成损伤、碎裂。6.实验中除去钠灯和半反半透镜，其他器件应该做到等高共轴。7.实验中的图像处理与数据分析，请参考配套软件使用说明。8.实验完成后，将数据拍照，老师检查后，清空数据、关闭钠灯和电脑。恢复仪器及凳子位置，光学镜片应锁紧在导轨上。衍射光栅测光波波长9512:35:01实验室注意事项1.上实验室前：

弄清楚时间、地点、实验项目、选课编号、组号。写预习报告。

准备好实验用品如：U盘、铅笔、直尺、圆规、草稿纸等，不要用钢笔做图做表。2.进入实验室：

先签到，按组号坐。在报告单上填写完整信息（特别是编号签到表右上角、组号）。保持秩序，不得随地吐痰、乱丢垃圾、吃东西、抽烟等。3.实验中：

爱护仪器设备，轻拿轻放，按照操作步骤，注意设备和人身安全。不得抄袭他人实验数据。4.实验结束：

数据记录交老师签字后，关闭电源、清理台面，恢复仪器和凳子位置。不得带走实验室物品。

一周之内把实验报告投放到实验楼4楼电梯间名称对应的报告箱内。9612:35:01实验室安全事项1.上实验室前：

弄清楚楼层、安全疏散通道位置、消防器材位置等。

不要穿拖鞋、带围巾、长项链、液体、食品等进入实验室。长发、长袖要捆扎。2.进入实验室：

不得吃东西，不得将茶水及杂物放置试验台上，严禁抽烟。3.实验中：

注意按照操作步骤，禁止电路短接。发现仪器发热、冒火花、焦臭等异常现象立即报告。仪器轻拿轻放，不要撞击跌落，探针等尖锐物品不得伤人。不得直视强光源，以免伤害眼睛。4.实验结束：

实验做完后，立即关闭电源、清理台面，恢复好仪器和凳子位置（推至桌子下），带走自己物品及垃圾。9712:35:01一、实验目的和任务光学技术中的光谱分析、晶体结构分析、全息照相、光学信息处理等都以光的衍射为理论基础。1.加深光栅分光原理的理解。2.用透射光栅测定光栅常数d、光波波长λ。3.熟悉分光计的使用方法。9812:35:01二、实验原理1

如图所示，设S为位于透镜L1第一焦平面上的细长狭缝，Ｇ为光栅，光栅的缝宽为d，相邻狭缝间不透明部分的宽度b，透光部分的宽度为a，即d=a+b,自射出的平行光垂直地照射在光栅Ｇ上。透镜L2将与光栅法线成θ角的衍射光会聚于其第二焦平面上的Pθ点。由夫琅和费衍射理论知，产生衍射亮条纹的条件：

9912:35:011mm内激光雕刻300条，一片几百元二、实验原理2

dsinθ=kλ（k＝±1，±2，…，±n）(1)该式称为光栅方程，式中θ角是衍射角，λ是光波波长，k是光谱级数，d=a+b是光栅常数，因为衍射亮条纹实际上是光源狭缝的衍射象，是一条锐细的亮线，所以又称为光谱线。

10012:35:01二、实验原理3

当k＝０时，任何波长的光均满足（1）式，亦即在θ=0的方向上，各种波长的光谱线重叠在一起，形成明亮的零级光谱，对于k的其它数值，不同波长的光谱线出现在不同的方向上（θ的值不同），而与k的正负两组相对应的两组光谱，则对称地分布在零级光谱两侧。若光栅常数d已知，在实验中测定了某谱线的衍射角θ和对应的光谱级k，则可由（1）式求出该谱线的波长λ；反之，如果波长λ是已知的，则可求出光栅常数d。

dsinθ=kλ（k＝±1，±2，…，±n）

10112:35:01三、实验器材1.分光计（JJY－1型）2.平面透射光栅3.汞灯

汞光源：可发出多条分立谱线的复色光源可调狭缝：作为发光物体平行光系统望远镜系统目镜系统载物平台游标尺：1‘主尺：0.5°变压器及照明放大镜10212:35:01四、实验步骤11.分光计的调节（1）目测粗调：将望远镜、载物台、平行光管用目测粗调成水平，并与中心轴垂直。（2）用自准法调整望远镜聚焦于无穷远。调节目镜调焦手轮，直到能够清楚地看清分划板上的刻线为止。将小平面镜放到载物台上轻缓转动载物台，或轻调载物台和望远镜的水平，从望远镜中观察到反射回的绿色十字像（或模糊的像斑）。调节望远镜目镜套筒的位置，使十字像清晰。注意消除视差。（3）调节望远镜光轴与分光计中心轴垂直。先粗调，也就是首先通过目视调节望远镜和载物台的水平调节螺钉，并轻缓转动载物台，从望远镜中能够观察到小平面镜两面反射回的十字像，然后细调望远镜及载物台的水平，使十字像与望远镜视场中上方刻线十字处重合。（4）调整平行光管。用已调好的望远镜调整平行光管。调节狭缝装置的位置，使从望远镜里看到的狭缝的像最清晰，调节缝宽，使像的宽度大约1mm。调节平行光管的光轴与分光计的中心轴垂直。

10312:35:01四、实验步骤22．调节光栅光栅的调节要求是：调节衍射光栅刻痕与分光计主轴平行。调节方法是：（1）点亮汞灯把平行光管的狭缝照亮，调节望远镜，使其叉丝对准平行光管的狭缝像，然后固定望远镜。（2）把光栅放置在分光计的载物平台上，放置位置如图所示。尽可能做到使光栅平面垂直且平分载物台上调节螺旋Z1、Z2的连线。

诀窍：光栅B头与固定夹靠紧放置，AB光栅压住固定夹对面半径。（3）开启目镜小灯，旋转刻度圆盘并转动载物平台，调节螺旋Z1、Z2，使得从光栅平面反射回来的十字叉丝像与上十字叉丝重合，而且无视差。（4）把载物平台连同光栅转过180°，重复以上步骤，直至这两个位置上，两组叉丝都重合且无视差，至此，光栅平面既平行于分光计的主轴，且与平行光管的光轴相垂直。（5）汞灯光照射在平行光管的狭缝上，调节平行光管的倾斜角度，使狭缝像清晰地呈现在望远镜视场正中。旋松望远镜固定螺旋，转动望远镜，在光栅法线的两侧观察各级衍射光谱，调节平台螺旋Z3，使各级光谱线等高，这时，光栅刻痕与分光计主轴相平行。

10412:35:01四、实验步骤33．光栅常数d的测定以汞灯为光源，设汞灯绿色谱线的波长λ=546.07nm为已知。（1）从光栅的法线（零级光谱明条纹）起向左转动望远镜，使望远镜中叉丝与左边第一级（k=-1）汞灯绿色谱线相重合，并记录此时的游标读数φ-1，φ-1’。（2）反向向右转动望远镜，越过光栅法线，使望远镜中叉丝与另一方向第一级（k=1）汞灯绿色谱线相重合，并记下此时的游标读数φ1，φ1’。则第一级谱线的衍射角为（3）将所测得绿光K=±1级衍射角φ值代入dsinθ=kλ式中，可计算出待测光栅的光栅常数d

值。（4）重复(1)-(3)步骤5次，并求出光栅常数d

的平均值。

10512:35:01四、实验步骤44．未知光波波长λ测定（1）以汞灯为光源，可以看到一系列谱线，选紫蓝色的谱线进行测量。从光栅的法线起，向左转动望远镜，使望远镜中叉丝分别与k=-1级衍射谱线相重合，并记录每一条谱线对应的两个游标读数φ-1，φ-1’。（2）反向向右转动望远镜，使望远镜叉丝分别对准另一方向（中央明条纹另一侧）k=1级衍射谱线，记录各谱线对应的两个游标读数φ1，φ1’。（3）重复步骤(1)-(2)五次，记录数据并求出平均值

,则一级谱线的衍射角为：（4）将其代入dsinθ=kλ中，求得波长λ取平均值，并与公认值相比较，要计算相对百分误差。

老师演示实验最显著的汞灯光谱线分别为435.835nm(蓝色)，546.074nm(绿色)，576.959nm和579.065nm(黄橙)。10612:35:01五、数据记录与处理11.望远镜对准k=±1级，绿色光谱时两个读数窗口的读数。

表1.绿色光谱光栅常数测量数据记录表

次数K=-1级(望远镜偏左)K=1级(望远镜偏右)φ(°′)d（nm）φ-1(°′)φ-1’(°′)φ1(°′)φ1’(°′)1

/2

/3

/4

/5

///将5个角度的平均值度和分°′化为度°9.xx°d平均值sinφ°d的理论值为1/300mm即3333.33nm，求出d相对百分比误差。dsinθ=λ，λ=546.07nm角度中1分=1/60度所有数据保留2位小数10712:35:01五、数据记录与处理22.望远镜对准k=±1级，紫蓝色光谱时两个读数窗口的读数。

表2.汞灯蓝紫光谱线波长测量数据记录表

次数K=-1级(望远镜偏左)K=1级(望远镜偏右)φ(°′)λ（nm）φ-1(°′)φ-1’(°′)φ1(°′)φ1’(°′)1

/2

/3

/4

/5

///将5个角度的平均值度和分°′化为度°7.xx°λ平均值sinφ°紫蓝色光谱波长435.835nm，求出λ相对百分比误差。10812:35:01d=3333.33nmdsinθ=λ五、数据记录与处理3

读数装置由刻度圆盘和沿圆盘边相隔180°对称安置的两个游标T、T′组成，如附图所示。刻度圆盘分成360°，最小分度为半度（30′），小于半度的读数，利用游标读出。游标上有30格，故游标上的读数单位为1′。角游标读数方法与一般游标相同。如附图所示的位置，其读数为87°（30′+15′）=87°45′,化为87.75°。两个游标对称放置，是为了消除刻度盘中心与分光计中心轴线之间的偏心差，测量时，要同时记下两游标所示的读数。注意望远镜转动过程中是否越过了刻度的零点。如越过了刻度零点，则需要减去360°取绝对值。（可以用手机拍下来放大去看）10912:35:01六、实验注意事项1．光栅是精密的光学仪器，严禁用手触摸玻璃刻痕，以免弄脏损坏。2．汞灯在使用过程中不要频繁开关，否则会降低其使用寿命。3．汞灯紫外光很强，不可直视，以免灼伤眼睛。七、思考题1．用式（1）来测定光栅常数d时，应满足哪些条件？2．光栅放置在载物平台上时，刻痕面是否一定要垂直分光计的主轴？3．在调节过程中，如果发现光谱线倾斜，这说明什么问题？如何调整？4．为什么在分光计平台上放置光栅时，要求光栅平面垂直于小平台两个调节螺旋的连线？11012:35:01霍尔效应——原理、测量与应用实验目的及任务1.掌握原理：了解霍尔效应原理及霍尔元件有关参数；2.学会方法：学习利用“对称测量法”消除副效应的影响；3.测绘关系：测绘UH-IM

曲线，了解UH及IM

之间的关系；4.实践应用：测量磁感应强度B及磁场分布（B-X曲线）。霍尔效应原理

霍尔效应的副效应及其消除单次测得的电压U并不等于纯粹的UH！当+IM,+IS时U1=+UH+U0+UE+UN+UR当+IM,-IS时U2=-UH-U0-UE+UN+UR当-IM,-IS时U3=+UH-U0+UE-UN-UR当-IM,+IS时U4=-UH+U0-UE-UN-URUHU0UEUNURBISBISBISBISBIS有关有关无关有关有关有关有关无关有关无关

实验仪器及操作测试仪实验仪

实验仪器及操作

实验数据处理及分析

小数点后两位！

5.研究电磁铁气隙中磁感应强度B的大小及分布实验数据处理及分析

保留两位有效数字!

总结与拓展回顾实验内容掌握霍尔效应原理学会测量磁感应强度B及磁场分布（B-X曲线）。实验报告作业布置完成实验报告（注：坐标纸上两个图分开画，并写出相应的分析！！！）完成《大学物理实验指导书》P207页思考题（不用抄题目！！！）24小时交报告！！！指导教师:迭东光电效应

光电效应是光具有粒子性的重要表征，是经典电磁理论无法解释的现象之一。对光电效应现象的研究，使人们进一步认识到光的波粒二象性的本质，促进了量子理论的建立和近代物理学的发展。利用光电效应制成的光电器件，如光电管、光电池、光电倍增管等，已在工农业生产、科学研究、天文和军事等方面得到了广泛的应用。一、实验目的和任务验证Einstein方程，测定Planck常数h。了解光电效应的规律，加深对光的量子性认识。

学习测定普朗克常数h的一种实验方法。

光电效应是由物理学家赫兹首先发现的。此后不久，许多的研究者做了各种实验，详细地研究了这种现象。典型实验装置如下图所示：

V光电管RKA光照G-U+U图1光电效应实验装置二、实验原理

图中光电管内装有阴极K和阳极A，阴极K为金属板。A和K两极分别与电流计G、伏特表V及电源相连。当一定频率的单色光照射到阴极K上时，①阴极K有没有光电子释放，可通过电流计有没有电流来判断；②如果有光电子释放，其最大初动能可通过改变阴极K和阳极A两端的电压来测定；③单位时间发射出的光电子数，可通过电流表的电流的大小来反映。根据前人的研究，其基本实验规律有：

1．任何一种金属，都有一个极限频率(又称红限)，入射光的频率低于这个频率就不能产生光电效应。2.光电效应是瞬时效应，即使入射光的强度非常弱，几乎在开始照射的同时就有光电子产生，延迟的时间最多为10-9S数量级。

3.入射光频率大于极限频率时，光电管的伏安特性如图2所示，其中光电流为零时所对应的电压称为截止电压。从图中我们可以看出：饱和光电流IS（单位时间内发射的光电子数）与入射光强度成正比。

UPI大小P图2同一频率，不同光强时的伏安特性曲线IU图3不同频率时，光电管的伏安特性曲线IS4.不同频率的光，其截止电压的值是不同的，如图3所示。显然，光电子的最大初动能与截止电压U0之间有如下关系式：式中m和e分别为电子的质量和电量，Vm是逸出光电子的最大初速率。

以上实验事实是光的波动理论所不能解释的。1905年Einstein在Plank的量子假说基础上，提出了光量子理论：光能不象波动理论所想象的那样连续分布的，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

的光子具有的能量E=h

，其中h为普朗克常数。当光照射在金属上时，实质上是光子和金属中的电子相互作用的一个过程，如果入射光的频率足够高，处于束缚态的电子将吸收光子的全部能量，一部分能量消耗于电子从金属表面逸出所需要的逸出功W，其余部分转变为电子的初动能，根据能量守恒原理可得，光电子的最大初动能为：上式称为爱因斯坦光电效应方程。由此可以看出，光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，与强度无关。当光电子的最大初动能为零时，由(2)式可得截止频率为：将(1)式代入(2)

式可得(4)式表明，对同一阴极，截止电压U0与入射光频率

成线性关系（如图4所示），其斜率为K=h/e。因此，只要对不同频率

的入射光，测出相应的截止电压U0，作v-U0关系曲线图，若得到的是一条直线，则爱因斯坦方程便可得到验证。同时，求出直线斜率K，利用已知的电子电量e，即可算出普朗克常数h，再利用截距还可求出截止频率。图4截止电压U0与入射光频率的关系U0vvc斜率h/e阴极电流实测电流阳极反向电流IU···图5实测光电管的

I–U

特性曲线光电检测装置

光电管暗箱，汞灯，汞灯电源，实验基准平台，滤光片（365nm、405nm、436nm、546nm、577nm），光阑（2mm、4mm、8mm）。实验主机

GD-4型智能普朗克常数测试仪（微电流放大器、扫描电压源发生器）配套设备

控制计算机及相关软件三、实验仪器图6实验装置示意图四、参考实验步骤1.按要求完成电缆连接，盖上光盖，确定无误后，按下汞灯及普朗克常数测试仪的电源开关接通电源，预热约20分钟。2.在预热过程中，调整光电管与汞灯距离约为40cm，并保持不变。然后关闭计算机所有的活动窗口，双击桌面上的“计算机辅助实验系统”图标，在用户栏和密码栏都输入“student”后，再点击“登陆（L）”键，打开“计算机辅助实验系统—光电效应”窗口，然后暂停计算机操作。一.普朗克常数h的测定3.在汞灯和普朗克常数测试仪预热约20分钟之后，先把普朗克常数测试仪后面板上的微电流输入电缆卸掉，再将“电流量程”开关旋转至档，接着旋转“调零”旋钮使电流指示为000.0，调节好后将先前断开的微电流输入电缆与普朗克常数测试仪连接起来，最后按“调零确认/系统清零”键，系统进入测试状态。4.将光电管暗箱光盖取下，装上孔径为4mm的光阑，然后套上中心波长为“365nm”的滤光片。5.回到计算机上操作。

在“计算机辅助实验系统—光电效应”窗口中，将鼠标指

向“开始”并点击，在新的窗口中正确输入或选择相关信息，点击“开始（S）”键，选择“是（Y）”，设置实验参数”，然后点击“设置（S）”和“是”开始实验，取下汞灯的光盖等待，直到电流曲线与横轴相交，然后点击“结束”，将汞灯的光盖盖上，然后移动鼠标使“+”对准“U-I曲线”与U轴（即横轴）的交点使电流为零，此时的电压就是该频率（或波长）光对应的截止电压，并将其记录在实验预习报告的数据记录表格内。6.对于波长为405nm、436nm、546nm、578nm的光，分别重复4、5

测定其截止电压。

7.测完截止电压后，请盖上光电管暗箱和汞灯的光盖，然后点击桌面上的“光电效应数据处理”图标，在数据处理程序中输入各频率对应的截止电压U0，最后将计算结果记录下来。

二.验证光电效应的伏安特性曲线（选做）1.“电流量程”开关拨至10－10A档，并重新调零。2.将直径4mm的光阑及所选谱线的滤色片装在光电管暗箱光输入口上。3.测伏安特性曲线可选用“微机显示/微机测试”两种模式之一，测量的最大范围为-1~50V，自动测量时步长为1V。4.根据实验需要可选择：（a）同时观察5条谱线在同一光阑、同一距离下的伏安饱和特性曲线。

（b）同时观察某条谱线在不同距离(即不同光强)、同一光阑下的伏安饱和特性曲线。

（c）同时观察某条谱线在不同光阑(即不同光通量)

、同一距离下的伏安饱和特性曲线。

由此可验证光电管饱和光电流与入射光强成正比。实验完毕，请老师签字，确定合格后，请关闭计算机，保持仪器整洁，放好凳子。

保护光电管。在正式测试之前或实验完毕之后，应将光电管金属罩上的入射窗口盖好；在换用滤光片或光阑时，应将汞灯的出光窗口盖住，防止光线射入，以免阴极材料老化，减弱光电转化效率，降低光电灵敏度。五、实验注意事项保护光源。汞灯的功率较大，温度很高，一旦打开，不得随意关闭，实验完毕后应及时关闭电源，以免影响使用寿命。保护滤光片。使用时不要用手触摸滤光玻璃，用后立即放回专用盒内盖好，以免磨损或弄破碎。思考题

?测量到的光电流中包含哪些因素的影响？怎样减小截止电压的测量误差？怎样用光量子理论来解释光电效应？怎样解释

I-U

特性曲线？预祝各位同学实验顺利！夫兰克赫兹实验氩原子第一激发电势测定145146147148JamesFranckGustav

Hertz1491913年，伟大的物理学家玻尔(N.Bohr)根据原子光谱的规律性和卢瑟福(E.Rutherford)的原子核式模型等，提出了原子结构量子理论，成功地解释了氢原子的光谱，为量子力学的建立起了巨大的推动作用。但玻尔理论的定态假说与经典的电动力学有明显冲突，频率法则又带有浓厚的人为因素，在当时很难为人们所接受。1914年，夫兰克(J.Frank)和赫兹(G.Hertz)采用电场加速电子轰击气态汞原引言卢瑟福(Rutherford)原子的核式模型151氢原子光谱图152153子的方法研究汞原子的电离电势，发现电子与汞原子碰撞，存在一临界能量，当电子的能量小于该能量时，电子和汞原子产生弹性碰撞，电子不损失能量，当电子的能量大于该能量时，电子和汞原子产生非弹性碰撞，电子把一定的能量传递给汞原子并使其激发，进而可观察到汞原子退激发的谱线，这就是历史上著名的夫兰克-赫兹实验。它为玻尔(N.Bohr)的原子结构量子理论提供了决定性证据，对量子理论的建立具有重要意义。1925年，夫兰克和赫兹荣获诺贝尔物理学奖。

154一、实验目的和任务理解夫兰克-赫兹实验的原理，学习原子激发电势的测定方法，加深对原子结构的认识。测定氩原子的第一激发电势，证实原子能级的存在。

155①原子光谱实验和量子理论已经证明：原子能够而且只能够处于一系列的、不连续的、具有确定值的能量状态(简称定态)。在这些状态时，不发射或吸收能量；原子的能量不论通过什么方式发生改变，它只能由一个定态跃迁到另一个定态。1、原子结构量子理论图1氢原子能级图二、实验原理156②

原子从一个定态(En)跃迁到另一个定态(Em)时将吸收或辐射一定的能量，吸收或辐射的能量只能是这两个能级的能量差。EmEnEmEn图2原子吸收和辐射能量示意图例如，电子碰撞原子可以激发原子到高能态。~~~~~157E1图3原子能级结构示意图③

原子的第一激发电势。基态第一激发态第二激发态第

n

激发态－E0eU0

=E2E3EnE0E0E0=eU1

eU2eUn==－－－………第一激发态我们的任务就是要测定氩原子的第一激发电势U0,怎么测？158E1E0E1–E0=eU02、氩原子第一激发电势测定分析E1–E0=

E=eU0U0=E/e

E

E怎么测？VAeV如果eV<E1-E2，电子和氩原子产生弹性碰撞，电流无变化。如果eV=E1-E2，电子和氩原子产生非弹性碰撞，氩原子由基态激发到第一激发态，能量增加，电子能量很小，不能通过拒斥电场，电流表电流减小。此时

E=eV，由此得：U0=E/e=eV/e=V159A3、实验仪器结构示意图V第一栅极第二栅极阴极板极灯丝电源氩原子第一栅极电压实验中保持不变灯丝加速电压实验中不断增大

拒斥电压实验中保持不变

160A第一栅极第二栅极阴极板极灯丝电源氩原子电子灯丝4、实验仪器工作原理V消除热发射电子在阴极附近空间的电荷堆积，提高阴极的电子发射能力加速电子使其获得能量筛选电子，即只允许能量大于或等于eVG2A的电子由第二栅极到达板极A161

电子由阴极K至第二栅极获得能量：eVG2k

电子由阴极K至第二栅极损失能量：0

电子到达第二栅极处的能量：获得能量损失能量=eVG2k<eVG2A故IA=0162

电子由阴极K至第二栅极获得能量：eVG2k

电子由阴极K至第二栅极损失能量：0

电子到达第二栅极处的能量：获得能量损失能量=eVG2k≥eVG2A故IA增加163

电子由阴极K至第二栅极获得能量：eVG2k

电子由阴极K至第二栅极损失能量：eU0

电子到达第二栅极处的能量：获得能量损失能量=故IA减小eVG2keU0eVG2A<eVG2keU0显然164

电子由阴极K至第二栅极获得能量：eVG2k

电子由阴极K至第二栅极损失能量：eU0

电子到达第二栅极处的能量：获得能量损失能量=eVG2keU0eVG2A故IA增加≥eVG2keU0显然165166三、主要实验仪器夫兰克一赫兹实验仪计算机167168169

170西华大学物理实验中心171172四、数据处理18.029.140.251.462.774.1173注意事项夫兰克-赫兹管的供电线路千万不能接错。在设置实验参数时，灯丝电压应小于4.5V，第一栅压应小于6.0V，拒斥电压应小于8.0V，请勿超出此范围，以免对仪器造成损坏。灯丝电压、第一栅极电压、拒斥电压不能设置的过大或过小。174预祝各位同学实验顺利！175恳请大家赐教，谢谢！176177灯丝电压：第一栅压：拒斥电压：测量步距：时间步距：【实验数据处理】