1、4）灯丝电压3.0V，第一栅极电压1.5V，拒斥电压8.0V12六、实验结果探究131）实验结果分析探究132）误差来源分析探究13七、实验感想14参考文献：14附：15本研究性报告以“弗兰克赫兹实验”实验为深入研究探讨的课题，简单介绍弗兰克赫兹实验的基本原理以及操作步骤等，重点进行改变某个实验步骤后实验的误差分析，从而进一步了解在实验过程中严格控制实验步骤的正确性对实验结果的重要性，对今后误差分析有一定的作用。关键词：弗兰克赫兹 实验步骤 误差AbstractThis research report Frank Hertz experiment experiments in-depth st
2、udy of the themes, a brief introduction of the basic principles of Frank Hertz experiment and procedure, focusing steps to change an experiment experimental error analysis, and learn more about the experimental procedure strict control of the correctness of the experimental procedure of the importan
3、ce of the experimental results, error analysis for the future have a certain role.Keywords: Frank Hertz experiment step error一、 实验目的 1、了解弗兰克-赫兹试验的原理和方法；2、学习测定氩原子的第一激发电位的方法；3、证明原子能级的存在，加强对能级概念的理解。二、 实验原理1） 激发电位玻尔提出的原子理论指出：（1）原子只能较长地停留在一些稳定状态（简称为定态）。原子在这些状态时，不发射或吸收能量：各定态有一定的能量，其数值是彼此分隔的。原子的能量不论通过什么方式发
4、生改变，它只能从一个定态跃迁到另一个定态。（2）原子从一个定态跃迁到另一个定态而发射或吸收辐射时，辐射频率是一定的。如果用Em和En分别代表有关两定态的能量的话，辐射的频率决定于如下关系：h Em En （111）式中，普朗克常数h = 663 10-34 Js为了使原子从低能级向高能级跃迁，可以通过具有一定能量的电子与原子相碰撞进行能量交换的办法来实现。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的原电子与原子（比如十几个乇的氩原子）发生碰撞时，就会发生能量交换。如以E1代表氩原子的基态能量、E2代表氩原子的第一激发态能量，那么当氩原子吸收
5、从电子传递来的能量恰好为eU0 = E2 E1 （l12 ）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（或称氩的中肯电位）。测定出这个电位差U0，就可以根据（l22）式求出氩原子的基态和第一激发态之间的能量差了（其他元素气体原子的第一激发电位亦可依此法求得）。2） 夫兰克-赫兹实验的原理 夫兰克一赫兹实验的原理图如图一所示。在充氩的夫兰克一赫兹管中，电子由热阴极发出，阴极K和第二栅极G2之间的加速电压UG2K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UG2A 。管内空间电位分布如图二所示。当电子通过KG2空间进入G2A空间时，如果有较大的能量（ eU
6、G2A ），就能冲过反向拒斥电场而到达板极形成板极电流，为微电流计A表检出。如果电子在KG2空间与氩原子碰撞，把自己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于克服拒斥电场而被折回到第二栅极，这时，通过微电流计A表的电流将显著减小。实验时，使UG2K电压逐渐增加并仔细观察电流计的电流指示，如果原子能级确实存在，而且基态和第一激发态之间有确定的能量差的话，就能观察到如图三所示的IAUG2K曲线。 图三所示的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
7、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板极电流IA 将随第二栅极电压UG2K 的增加而增大（如图三的oa段）。当KG2间的电压达到氩原子的第一激发电位Uo时，电子在第二栅极附近与氩原子相碰撞，将自己从加速电场中获得的全部能量交给后者，并且使后者从基态激发到第一激发态。而电子本身由于把全部能量给了氩原子，即使穿过了第二栅极也不能克服反向拒斥电场而被折回第二栅极（被筛选掉）。所以板极电流将显著减小（图三所示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
8、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间又会因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UGK2 n Uo（ n1，2，3 ）（ 113）的地方板极电流IA都会相应下跌，形成规则起伏变化的IAUGK2 曲线。而各次板极电流IA下降相对应的阴、栅极电压差Un+1一Un应该是氩原子的第一激发电位Uo。.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 Uo 11.61V）。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
9、该有e Uo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 （ 114）对于氩原子 如果夫兰克一赫兹管中充以其他元素，则可以得到它们的第一激发电位（表一）表一 几种元素的第一激发电位ElementSodium （Na）Potassium （K）Lithium（Li）Magnesium（Mg）Mercury（Hg）Helium（He）Neon（Ne）U0（V）2.121.631.843.24.921.218.6 （）58985896766476996707.845712500584.3640.2三、 实验仪器FH-2智能夫兰克一赫兹实验仪，示波器，导线
10、若干。四、 实验内容1） 准备工作 按照下图所示，连接好各组工作电源线，仔细检查，确定无误。连接示波器，以直观观察IA-UG2K的波形变化情况 打开电源，将实验仪预热2030分钟。2） 氩元素的第一激发电位手动测量 设置仪器为“手动”工作状态，按“手动/自动”键，“手动”指示灯亮。 设定电流量程，按下相应电流量程键，对应的量程指示灯点亮。 设定电压源的电压值。 按下“启动”键，实验开始。 重新启动.这时，操作者可以在该状态下重新进行测试，或修改状态后再进行测试。3） 氩元素的第一激发电位自动测量智能夫兰克一赫兹实验仪除可以进行手动测试外，还可以进行自动测试。进行自动测试时，实验仪将自动产生VG
11、2K扫描电压，完成整个测试过程；将示波器与实验仪相连接，在示波器上可看到夫兰克一赫兹管板极电流随VG2K电压变化的波形。自动测试状态设置 VG2K扫描终止电压的设定自动测试启动自动测试过程正常结束自动测试后的数据查询中断自动测试过程结束查询过程回复初始状态五、 数据处理（手动测量）1） 灯丝电压3.0V，第一栅极电压1.5V，拒斥电压9.0V计算氩的第一激发电位VG2k/V20.033.544.055.066.578.5IA/A10-70.1800.4780.8231.2211.5781.833逐差法：V1=35V V2=33V V3=34.5Vu0=19V1+V2+V3=11.39V不确定度
12、：a=3i（Vi3-u0）2n（n-1）=0.20031V b=仪3=0.0577Vu0=2a+2（b）=0.2085V最终表达式为：u0u0=11.40.2V相对误差:=|u0实际-u0理论|u0理论=1.39%2） 灯丝电压3.2V，第一栅极电压1.5V，拒斥电压9.0V0.3701.0491.8352.6573.3243.7693） 灯丝电压3.0V，第一栅极电压1.0V，拒斥电压9.0V24.033.043.50.2460.5310.8731.2581.6011.855V1=31V V2=33.5V V3=35Vu0=19V1+V2+V3=11.06Va=3i（Vi3-u0）2n（n-
13、1）=0.38859V b=仪3=0.0577Vu0=2a+2（b）=0.3929Vu0=11.10.4V=|u0实际-u0理论|u0理论=4.24%4） 灯丝电压3.0V，第一栅极电压1.5V，拒斥电压8.0V14.032.554.566.078.00.1890.6440.9851.3961.7602.029V1=40.5V V2=33.5V V3=34Vu0=19V1+V2+V3=12Va=3i（Vi3-u0）2n（n-1）=0.75154V b=仪3=0.0577Vu0=2a+2（b）=0.75376Vu0=12.00.8V=|u0实际-u0理论|u0理论=3.90%六、 实验结果探究1
14、） 实验结果分析探究1、增大第一栅极电压，板极电流的变化不显著，对应相同的VG2k的IA有增有减，但总体趋势不变，各峰值对应的VG2k变化不大，经理论分析，增大第一栅极电压，电流会增大，说明个别数据测量有误差。2、增大灯丝电压，板极电流显著增大，而VG2k基本无变化。3、增大拒斥电压，理论上分析，板极电流将下降，而实验中测得板极电流有小幅上升，数据测量有误差。2） 误差来源分析探究1. 由于预热不足，使测量值产生误差；2. 在实验时，由于电压的步差不可能连续，故测量的峰值会有一定的误差；3. 仪器本身存在一定的误差。4. 前面的氩原子激发后产生了一个额外的电场，导致后面的激发电压越来越高5.
15、挣值分析方法的数据来源于项目计划与跟踪，所以应该在项目计划中指定收集数据的周期，这个周期被称作报告期。报告期的设置视项目的规模而定，周期不宜过短或过长。报告期设置太短，会导致度量频繁发生，增加度量成本，得出一些无意义的结果。总体来说，各个参数对VG2k的影响不大，主要影响IA的大小和变化的剧烈程度。七、 实验感想本实验原理相比于其他实验很简单，实验操作也没有难度，虽然需要测量的数据很多，需要记录的数据也很多，这就需要操作者有足够的耐心，不能急于求成。在第一次实验中我就很急躁，结果电压测完发现中间一组数据没测，电压又不能回调，只能重新做，浪费了时间和精力。所以说，耐心和踏实是做好实验的重要条件，这将对我今后的学习带来很大的帮助。【1】.李朝荣 徐平 唐芳 王慕冰 基础物理实验（修订版） 北京航空航天大学出版社，2010年9月原始实验数据（部分）
