大物实验弗兰克赫兹实验报告

弗兰克-赫兹实验

一．实验目的

测量F-H管传统情况下加速电压与板极电流的关系曲线。 二．实验原理 1.激发电势

(1)玻尔的原子理论

原子只能较长地停留在定态，原子在这些状态时，不发射也不吸收能量。各定态有一定的能量，其数值是彼此分割的。原子的能量不论通过什么方式发生改变，它只能从一个定态跃迁到另一个定态。

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分别表示有关两定态的能量，辐射的频率?决定如下关系：

h??Em?En

式中，h为普朗克常量，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。

（2）设初速度为零的电子在电势差为U0的加速电场作用下，获得能量

eU0，当具有这种能量的汞电子与稀薄气体的原子发生碰撞时，就会发生能量

交换。如以E1代表汞原子的基态能量，E2代表汞原子的第一激发态能量，那么当汞原子吸收从电子传递来的能量恰为

eU0?E2?E1 （1）

汞原子就会从基态跃迁到第一激发态，相应的电势差称为汞的第一激发电势。测定出这个电势差U0，就可以根据公式（1）求出汞原子的基态和第一激发态之

弗兰克—赫兹实验

一、实验的历史背景

1913年丹麦物理学家玻尔（N?Bohr）提出了原子能级的概念并建立了原子模型理论。

玻尔认为，原子内部存在稳定的量子态，电子在量子态之间跃迁时伴随着电磁波的吸收和发射，即有

?E = Em?En （1）

对于外界提供的能量，只有满足原子跃迁到高能级的能级差，原子才吸收并跃迁，否则不吸收。

弗兰克与赫兹认为，用电子束激发原子，如果原子只能处于某些分立的能态，那么实验一定会显示：只有某种能量的电子能引起原子的激发。

1914年德国物理学家弗兰克（J?Franck）和赫兹（G?Hertz）用慢电子穿过汞蒸气的实验，测定了汞原子的第一激发电位，从而证明了原子分立能态的存在。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理论。弗兰克—赫兹实验的结果为玻尔理论提供了直接证据。

但是他们1914年的实验装置有一缺点：电子的动能难以超过4.9eV，一旦被加速达到4.9eV，就将与汞原子碰撞而失去能量，这样，就无法使汞原子受激发达到更高的能态，以至于只能证实汞原子的4.9eV这一个量子态。

1920年，弗兰克将原先的实

弗兰克赫兹实验

亡灵 311300

【实验目的】

通过测定氩原子等元素的第一激发电位（即中肯电位），证明原子能级的存在。

【仪器用具】

ZKY-FH-2型智能弗兰克-赫兹实验仪、SS-7802型双踪示波器

【实验原理】

玻尔提出的原子理论指出：

（1）原子只能较长就地停留在一些稳定状态（简称为稳态）。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，期数值是彼此分隔的。原子的能量不论通过什么方式发生改变，它只能从一个定态迁到另一个定态。

（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 （23-1） 式中，普朗克常量h?6.63?10J?s。

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

2-2弗兰克—赫兹实验

【实验简介】

1913年丹麦物理学家玻尔在卢瑟福原子核模型的基础上，结合普朗克量子理论，提出了原子能级的概念并建立了原子模型理论，成功地解释了原子的稳定性和原子的线状光谱理论。该理论指出，原子处于稳定状态时不辐射能量，当原子从高能态（能量Em）向低能态（能量En）跃迁时才辐射。辐射能量满足?E = Em?En 对于外界提供的能量，只有满足原子跃迁到高能级的能级差，原子才吸收并跃迁，否则不吸收。

1914年德国物理学家弗兰克和赫兹用慢电子穿过汞蒸气的实验，测定了汞原子的第一激发电位，从而证明了原子分立能态的存在。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理论。弗兰克—赫兹实验的结果为玻尔理论提供了直接证据。

玻尔因其原子模型理论获1922年诺贝尔物理学奖，而弗兰克与赫兹的实验也于1925年获诺贝尔物理学奖。 【实验目的】

1、测量氩原子的第一激发电位；证实原子能级的存在，加深对原子结构的了解；

2、了解在微观世界中，电子与原子的碰撞和能量交换过程几率及影响因素。

【预习思考题】

1． 2．

【实验仪器】

DH4507智能型弗兰克-赫兹实验仪，示波器

DH4507智能

课程名称： 大学物理实验

实验名称： 亥姆霍兹线圈

学院： 学院 专业班级：

学生姓名：学号： -

实验地点： 座位号：

实验时间：

一． 实验项目名称

亥姆霍兹线圈磁场 二． 实验目的

1. 学习和掌握霍尔效应原理测量磁场的方法。 2. 测量载流圆线圈和亥姆霍兹线圈轴线上的磁场分布。

三． 实验原理

1．载流圆线圈与亥姆霍兹线圈的磁场

（1） 载流圆线圈磁场

一半径为Ｒ，通以电流Ｉ的圆线圈，轴线上磁场的公式为

B??0N0IR22(R2?X2)3/2 （1-1）

式中N0为圆线圈的匝数，X为轴上某一点到圆心O的距离。

?0?4??10?7H/m, 它的

磁场分布图如图1-1所示。

（2）亥姆霍兹线圈

所谓亥姆霍兹线圈为两个相同线圈彼此平行且共轴，使线圈上通以同方向

电流Ｉ，理论计算证明：线圈间距a等于线圈半径R时，两线圈合磁场在轴上（两线圈圆心连线）附近较大范围内是均匀的，如图1-2所示。

2．霍尔效应法测磁场

（1）霍尔效应法测量原理

将

弗兰克—赫兹实验思考题答案

[预习思考题]

1、什么是能级玻尔的能级跃迁理论是如何描述的

答：在玻尔的原子模型中，原子是由原子核和核外电子所组成，原子核位于原子的中心，电子沿着以核为中心的各种不同直径的轨道运动。在一定轨道上运动的电子，具有对应的能量，轨道不同，能量的大小也不相同。这些与轨道相联系、大小不连续的能量构成了能级。

当原子状态改变时，伴随着能量的变化。若原子从低能级Ｅn跃迁到高能级Ｅm，则原子需吸收一定的能量，该能量的大小为△E：

△E＝Ｅm－Ｅn

若电子从高能级Ｅm跃迁到低能级Ｅn，则原子将放出能量△E。

2、为什么I G2A－U G2K曲线上的各谷点电流随U G2K的增大而增大

答：电子与汞原子的碰撞有一定的几率，总会有一些电子逃避了碰

撞，穿过栅极而到达板极。随着U G2K的增大，这些电子的能量增大，因此在I G2A－U G2K曲线上的各谷点电流也随着增大。

[实验后思考题]

1、温度对充汞F－H管的I G2A－U G2K曲线有什么影响

答：当温度过大时，单位体积内的汞原子数增加，电子的平均自由程减小，电子与汞原子的碰撞次数增加，因此，在整个加速过程中，弹性碰撞的总能量损失相应增大，其I G2A电流减小。

２、在I G2A－U G2K曲线上，为什么对

广东第二师范学院学生实验报告

院（系）名称 物理系 姓名 班别 11物理本四B 专业名称 物理教育 学号 实验课程名称 近代物理实验 实验项目名称 弗兰——赫兹实验 实验时间 2014年 4 月 1日 实验地点 物理楼六楼 实验成绩 指导老师签名 果与分析、实验心得 游富 115506020 内容包含：实验目的、实验使用仪器与材料、实验步骤、实验数据整理与归纳（数据、图表、计算等）、实验结一.实验目的 1、了解弗兰克--赫兹实验的原理和方法； 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、实验使用仪器与材料 F-H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、温度计 三、实验步骤 1． 正确连接电路； 2． 启动预热与控温： 使加热炉温度稳定在适当值（此值可由实验室给出），以保证在此温度下有利于电子激发汞原子到3P1态，并将激发到高能态和电离的概率限制到最小（在炉温达到设定值以前，先不要通电测量）。 3． 手动测量； 4. 调节电压，记录数据； 5. 绘制曲线 ； 四、实验数据整理与归纳（数据、图表、计算等） U(V) 0 1 1.1 1.4 1.5 1.7 1.8

一． 实验项目名称

亥姆霍兹线圈磁场 二． 实验目的

1.掌握霍尔效应原理测量磁场。

2.测量单匝载流圆线圈和亥姆霍兹线圈轴线上的磁场分布。 三． 实验原理

1.载流圆线圈与亥姆霍兹线圈的的磁场 （1）载流圆线圈磁场

根据比奥-萨伐尔定律，载流圆线圈在轴线（通过圆心并与线圈平面垂直的直线）上某点磁场强度B为

B??0N0IR2(R2?x)322

式中?0?4??10?7Hm为真空磁导率，R为线圈的平均半径,N0为线圈的匝数,I为通过线圈的电流,x为轴线上某点到圆心O的距离。因此它在轴线上磁场分布如图25-1所示.

B Y

I B X

图25-1

（2）亥姆霍兹线圈

所谓亥姆霍兹线圈是两个相同的圆线圈，彼此平行且共轴，通以同方向电流I,理论计算证明:当线圈见距a等于线圈半径时,两线圈合磁场在轴线上（两线圈圆心连线）附近较大范围内是均匀的，如图25-2所示，这种均匀磁场在工程运用和科学实验中应用十分广泛。

B Y

B X

图25-2

2.霍尔效应法测磁场

广东第二师范学院学生实验报告

院（系）名称 物理系 姓名 班别 11物理本四B 专业名称 物理教育 学号 实验课程名称 近代物理实验 实验项目名称 弗兰——赫兹实验 实验时间 2014年 4 月 1日 实验地点 物理楼六楼 实验成绩 指导老师签名 果与分析、实验心得 游富 115506020 内容包含：实验目的、实验使用仪器与材料、实验步骤、实验数据整理与归纳（数据、图表、计算等）、实验结一.实验目的 1、了解弗兰克--赫兹实验的原理和方法； 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、实验使用仪器与材料 F-H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、温度计 三、实验步骤 1． 正确连接电路； 2． 启动预热与控温： 使加热炉温度稳定在适当值（此值可由实验室给出），以保证在此温度下有利于电子激发汞原子到3P1态，并将激发到高能态和电离的概率限制到最小（在炉温达到设定值以前，先不要通电测量）。 3． 手动测量； 4. 调节电压，记录数据； 5. 绘制曲线 ； 四、实验数据整理与归纳（数据、图表、计算等） U(V) 0 1 1.1 1.4 1.5 1.7 1.8

示范报告

1实验名称 电桥法测中、低值电阻

一.目的和要求

1.掌握用平衡电桥法测量电阻的原理和方法;

2.学会自搭电桥，且用交换法测量电阻来减小和修正系统误差; 3.学会使用QJ-23型惠斯登电桥测量中值电阻的方法; 4.学会使用QJ-42型凯尔文双臂电桥测量低值电阻的方法;

二.实验原理

直流平衡电桥的基本电路如下图所示。

图中RA,RB称为比率臂，Rs为可调的标准电阻，称为比较臂，Rx为待测电阻。在电路的对角线（称为桥路）接点BC之间接入直流检流计，作为平衡指示器，用以比较这两点的电位。调节Rs的大小，当检流计指零时，B，C两点电位相等UAC?UAB；UCD?UBD ，即IARA?IBRB；IXRX?ISRS。因为检流计中无电流，所以IA?IX，IB?IS，得到电桥平衡条件 Rx?

三.实验仪器

直流电源，检流计，可变电阻箱，待测电阻，元器件插座板，QJ24a型惠斯登直流电桥，QJ42型凯尔文双臂电桥，四端接线箱，螺旋测微计

四.实验方法

1.按实验原理图接好电路；

2.根据先粗调后细调的原则，用反向逐次逼近法调节，使电桥逐步趋向平衡。在调节过程中，先接上高值电阻Rm，防止过大电流损坏检流计。当电桥接近平衡时，合上KG以提高桥路的