《近代物理实验》.pdf

1 《 近代物理实验》 实实实实 验验验验 指指指指 导导导导 书书书书 陆赫林 杜涛 杨留方 编 写 适用专业： 物理学 应用物理 云南民族大学电气信息工程学院 2013年 3 月  2 前前前前 言言言言 近代物理实验，是继普通物理实验基础之后的一门重要的基础实验课本实验课程要进一步培养正确的和良好的实验习惯以及严谨的科学作风，使他们具备一定程度的用实验方法技术研究现象和规律的独立工作能力 通过近代物理实验，丰富和活跃学生的物理思想；培养学生对物理现象的观察分析能力；引导他们了解物理实验在物理概念的产生、形成和发展中的作用；学习近代物理实验中基本的实验技能；掌握科学实验的基本知识、方法和技术 本课程设置的具体实验项目有：激光全息实验、普朗克常数测量、弗兰克-赫兹实验、核磁共振实验、密立根油滴实验、光速测定、小型棱镜摄谱仪和高温超导实验都是综合性实验 本课程适用于物理学及应用物理学专业  3 目目目目 录录录录 实验1：核磁共振实验........................................................................................................................4 实验 2：激光全息实验......................................................................................................................10 实验 3：光速测定实验......................................................................................................................25 实验4：夫兰克—赫兹实验..............................................................................................................29 实验5：高温超导转变温度测量实验..............................................................................................34 实验 6：密立根油滴实验..................................................................................................................41 实验7：光电效应法测普朗克常数..................................................................................................49 实验8：小型棱镜摄谱仪..................................................................................................................56  4 实验实验实验实验 1：：：：核磁共振实验核磁共振实验核磁共振实验核磁共振实验 实验学时：2 实验类型： （综合） 实验要求： （必修） 一一一一、、、、实验目的实验目的实验目的实验目的 1．了解核磁共振基本原理； 2．观察样品的核磁共振信号； 3．测量γ和g因子． 二二二二、、、、实验内容实验内容实验内容实验内容 观察H1 (样品水)的核磁共振信号， 观察H1 (样品水)的核磁共振信号γ和g因子。

三三三三、、、、实验原理实验原理实验原理实验原理、、、、方法和手段方法和手段方法和手段方法和手段 对自旋不为零的粒子,如电子和质子,具有自旋磁矩如果我们把这样的粒子放入稳恒的外磁场中，粒子的磁矩就会和外磁场相互作用使粒子的能级产生分裂，分裂后两能级间的能量差为: 0BEhγ=∆ （1） 其中：γ为粒子的旋磁比，h为约化普朗可常数，0B 为稳恒外磁场 如果此时再在稳恒外磁场的垂直方向给粒子加上一个高频电磁场，该电磁场的频率为ν，能量为: νh （2） 当该能量等于粒子分裂后两能级间的能量差E∆时即： oBhhγν= （3） 低能级上的粒子就要吸收高频电磁场的能量产生跃迁，即所谓的磁共振 由公式（3）可知，为了实现核磁共振有两种实验方法： 1．固定外磁场oB，调节高频电磁场频率ν，实现核磁共振，此为扫频法 2．固定高频电磁场频率ν，调节外磁场oB，实现核磁共振，此为扫场法。

 5 本实验用的是第二种实验方法，即扫场法 在本实验要测的一个物理量是氢质子的γ因子，由公式（3）可知，只要知道oB，ν即可求得γ，oB在实验设备中已标定（如 0.55T） ，ν可由频率计测出但是仅此，在本实验中γ是无法用实验求出的因为本实验中两能级的能量差是一个精确、 稳定的量 而实验用的高频振荡器其频率ν只能稳定在 103HZ量级 其能量νh很难固定在0Bhγ这一值上实际上等式(3) 在实验中很难成立 为实现核磁共振，可在永磁铁oB上叠加一个低频交变磁场tSinBmω，即所谓的扫场（ω为市电频率 50Hz，远低于高频场的频率ν其约几十MHz） ，使氢质子两能级能量差)100(0tSinBBhmπγ+有一个连续变化的范围 我们调节射频场的频率ν，使射频场的能量νh进入这个范围，这样在某一时刻等式 )100(0tSinBBmπγν+=hh 总能成立 （见图一） 图一 此时通过边限振荡器的探测装置在示波器上可观测到共振信号 （见图一） 由上图可见， 当共振信号非等间距时， 共振点处的等式为)100(0tSinBBmπγν+=hh，tSinBmπ100。

无法利用该等式求出γ值 调 节 射 频 场 的 频 率ν使 共 振 信 号 等 间 距 ， 共 振 点 处ππnt =100,  6 0100=tSinBmπ，oBhhγν= 此时的ν为共振信号等间距时的频率，由频率计读出0/2Bπνγ=，γ值可求 （见图二） 图二 探测装置的工作原理:图三中绕在样品上的线圈是边限震荡器电路的一部分，在非磁共振状态下它处在边限震荡状态（即似振非振的状态） ，并把电磁能加在样品上,方向与外磁场垂直当磁共振发生时，样品中的粒子吸收了震荡电路提供的能量使振荡电路的 Q 值发生变化，振荡电路产生显著的振荡，在示波器上产生共振信号 四四四四、、、、实验组织运行要求实验组织运行要求实验组织运行要求实验组织运行要求 本实验以学生自主训练为主的开放模式组织教学 五五五五、、、、实验条件实验条件实验条件实验条件 本实验仪器设备、实验材料有： 1. 样品（sample）水：提供实验用的粒子，氢（ H1）核 2. 永磁铁：提供稳恒外磁场,中心磁感应强度0B 约为 0.55T 3. 边限振荡器：产生射频场,提供一个垂直于稳恒外磁场的高频电磁场，频率为zHν 4. 同时也将探测到的共振电信号放大后输出到示波器，边限振荡器的频率由 7 频率计读出。

5. 绕在永磁铁外的磁感应线圈：其提供一个叠加在永磁铁上的扫场 6. 调压变压器：为磁感应线圈提供 50 周的扫场电压 7. 频率计：读取射频场的频率 8. 示波器：观察共振信号 图三 六六六六、、、、实验步骤实验步骤实验步骤实验步骤 1．观察观察观察观察 H1 ( ( ( (样品水样品水样品水样品水) ) ) )的核磁共振信号的核磁共振信号的核磁共振信号的核磁共振信号： （记 9 组数据和图形） a. 将边限振荡器的“检波输出”接示波器的“CH1”端，置示波器的“方式”为 CH1 b. 将边限振荡器的“频率测试”端接多功能计数器的“输入 A” c. 将边限震荡器盒上的样品小心地从永磁铁上的插槽放入永磁铁中注意不要碰掉样品的铜皮） d. 将调压变压器插头接入 220V 市电插座，输出设为 100V e. 打开边限振荡器电源开关，调节“频率调节”旋钮，使示波器上出现共振信号 f. 调节调压变压器使其输出为 50---100V 中的某一值,保持该值不变， 记下该值，调节边限振荡器的“频率调节”旋钮，观察示波器上共振波形的变化，任选三个不同的波形画下，记下相应的边限振荡器频率ν（由频率计读出，计小数点后三位） 。

g. 调节“频率调节”旋钮，将共振信号调成不等间距，保持该频率ν不变（如 8 频率不稳定可每次调回到该频率值） ，记下该频率值 h. 改变调压器的输出电压 V100(

f. 由公式计算 g 和γ因子 七七七七、、、、思考题思考题思考题思考题 1．本实验中有几个磁场？它们的相互方向有什么要求？ 2．在核磁共振成像技术中，要确定空间每一点的共振信号，但又无法插入探头，这时对磁场的结构有一定的要求，请试提出您的想法 八八八八、、、、实验报告实验报告实验报告实验报告 结合参考文献及实验指导书预习实验原理及步骤实验结果完整、准确记录，实验报告应包括实验名称、实验目的、实验步骤、实验数据及处理结果、及思考题回答 九九九九、、、、其它说明其它说明其它说明其它说明 注意事项：  9 1．由于扫场的信号从市电取出，频率为 50 Hz．每当 50 Hz 信号过零时，样品所处的磁场就是恒定磁场0B ．所以应先加大扫场信号，让总磁场有较大幅度的变化范围，以利于找到磁共振信号．然后调整频率． 2．样品在磁场的位置很重要，应保证处在磁场的几何中心，除非有其它要求． 3．调节时要缓慢，否则 NMR 信号一闪而过． 4．轻拿轻放，实验完成后立即关闭电源，以免电池空耗． 5．请勿打开样品盒． 6．调节扫场幅度的可调变压器的调节范围为 0～100 V．  10 实验实验实验实验 2 2 2 2：：：：激光全息实验激光全息实验激光全息实验激光全息实验 实验学时：2 实验类型： （综合） 实验要求： （必修） 一一一一、、、、实验目的实验目的实验目的实验目的 1. 了解全息照相的基本原理； 2. 学习全息照相的实验技术，拍摄合格的全息图； 二二二二、、、、实验内容实验内容实验内容实验内容 学习 DH6516 全息照相试验仪的组成及使用， 采用该仪器完成银盐干板拍摄 （面全息）和体全息拍摄。

三三三三、、、、实验原理实验原理实验原理实验原理、、、、方法和手段方法和手段方法和手段方法和手段 全息照相的基本原理早在 1948 年就由伽伯（D. Gabor）发现，但是由于受光源的限制（全息照相要求光源有很好的时间相干性和空间相干性） ，在激光出现以前，对全息技术的研究进展缓慢，在 60 年代激光出现以后，全息技术得到了迅速的发展目前，全息技术在干涉计量、信息存储、光学滤波以及光学模拟计算等方面得到了越来越广泛的应用 伽伯也因此而获得了 1971 年度的诺贝尔物理学奖 一、全息照相与全息照相术 在介绍全息照相的基本原理之前，我们首先来看一下全息照相和普通照相有什么区别总的来说，全息照相和普通照相的原理完全不同普通照相通常是通过照相机物镜成像，在感光底片平面上将物体发出的或它散射的光波（通常称为物光）的强度分布（即振幅分布）记录下来，由于底片上的感光物质只对光的强度有响应，对相位分布不起作用，所以在照相过程中把光波的位相分布这个重要的信息丢失了因而，在所得到的照片中，物体的三维特征消失了，不再存在视差，改变观察角度时，并不能看到像的不同侧面全息技术则完全不同，由全息术所产生的像是完全逼真的立体像（因为同时记录下了物光的强度分布和位相分布，即全部信息） ，当以不同的角度观察时，就象观察一个真实的物体一样，能够看到像的不同侧面，也能在不同的距离聚焦。

全息照相在记录物光的相位和强度分布时，利用了光的干涉从光的干涉原理  11 可知：当两束相干光波相遇，发生干涉叠加时，其合强度不仅依赖于每一束光各自的强度，同时也依赖于这两束光波之间的相位差在全息照相中就是引进了一束与物光相干的参考光，使这两束光在感光底片处发生干涉叠加，感光底片将与物光有关的振幅和位相分别以干涉条纹的反差和条纹的间隔形式记录下来，经过适当的处理，便得到一张全息照片 二、全息照相的基本过程 具体来说，全息照相包括以下两个过程： （一）波前的全息记录 利用干涉的方法记录物体散射的光波在某一个波前平面上的复振幅分布，这就是波前的全息记录通过干涉方法能够把物体光波在某波前的位相分布转换成光强分布，从而被照相底片记录下来，因为我们知道，两个干涉光波的振幅比和位相差决定着干涉条纹的强度分布，所以在干涉条纹中就包含了物光波的振幅和位相信息典型的全息记录装置如图 2 所示：从激光器发出的相干光波被分束镜分成两束，一束经反射、扩束后照在被摄物体上，经物体的反射或透射的光再射到感光底片上，这束光称为物光波；另一束经反射、扩束后直接照射在感光底片上，这束光称为参考光波由于这两束光是相干的，所以在感光底片上就形成并记录了明暗相间的干涉条纹。

干涉条纹的形状和疏密反映了物光的位相分布的情况，而条纹明暗的反差反映了物光的振幅，感光底片上将物光的信息都记录下来了，经过显影、定影处理后，便形成与光栅相似结构的全息图 —— 全息照片所以全息图不是别的，正是参考光波和物光波干涉图样的记录显然，全息照片本身和原是物体没有任何相似之处  12 图 2 漫反射全息光路图 （二）物光波前的再现 物光波前的再现利用了光波的衍射，如图 3 所示用一束参考光（在大多数情况下是与记录全息图时用的参考光波完全相同）照射在全息图上，就好像在一块复杂光栅上发生衍射，在衍射光波中将包含有原来的物光波，因此当观察者迎着物光波方向观察时，便可看到物体的再现像这是一个虚像，它具有原始物体的一切特征此外还有一个实像，称为共轭像应该指出，共轭波所形成的实像的三维结构与原物并不完全相似 图 3 物光波的再现 三、全息照相的主要特点和应用 全息照片具有许多特点： 1．片上的花纹与被摄物体无任何相似之处，在相干光束的照射下，物体图像却能如实重现 2．立体感很明显（三维再现性） ，如某些隐藏在物体背后的东西，只要把头偏移一下，也可以看到视差效应很明显 3．全息图打碎后，只要任取一小片，照样可以用来重现物光波。

犹如通过小窗口观察物体那样，仍能看到物体的全貌这是因为全息图上的每一个小的局部都完整地记录了整个物体的信息（每个物点发出的球面光波都照亮整个感光底 13 片，并与参考光波在整个底片上发生干涉，因而整个底片上都留下了这个物点的信息） 当然，由于受光面积减少，成像光束的强度要相应地减弱；而且由于全息图变小，边缘的衍射效应增强而必然会导致像质的下降 4．在同一张照片上，可以重叠数个不同的全息图在记录时或改变物光与参考光之间的夹角，或改变物体的位置，或改变被摄的物体等等，一一曝光之后再进行显影与定影，再现时能一一重现各个不同的图像 由于具有这些特点，全息照相术现在已经得到了广泛的应用如前面提到的全息信息存储和全息干涉分析就是分别应用了所述的第三和第四个特点 为了实现全息照相，实验装置必须具备下述的三个基本条件： 1．一个好的相干光源全息原理是在 1948 年就已提出，但由于没有合适的光源而难以实现激光的出现为全息照相提供了一个理想的光源，这是因为激光具有很好的空间相干性和时间相干性本实验用多纵模 He-Ne 激光器，其波长为632.8 nm，其相干长度约为 20 cm为了保证物光和参考光之间良好的相干性，应尽可能使两光束的光程接近，一般要求光程差不超过 4cm，以使光程差在激光的相干长度内。

2．一个稳定性较好的防震台由于全息底片上所记录的干涉条纹很细，相当于波长量级， 在照相过程中极小的干扰都会引起干涉条纹的模糊， 不能形成全息图，因此要求整个光学系统的稳定性良好从布拉格法则可知：条纹宽度 =2sin2θλd， 由此公式可以估计一下条纹的宽度当物光与参考光之间的夹角°= 60θ时，nm8 .632=λ，则mdµ6328. 0=可见，在记录时条纹或底片移动1 µm，将不能成功地得到全息图因此在记录过程中，光路中各个光学元件（包括光源和被摄物体）都必须牢牢固定在防震台上从公式可知，当θ角减小时，d增加，抗干扰性增强但考虑到再现时使衍射光和零级衍射光能分得开一些，θ角要大于300，一般取450左右还有适当缩短曝光时间，保持环境安静都是有利于记录的 3．高分辨率的感光底片普通感光底片由于银化合物的颗粒较粗，每毫米只能记 14 录几十至几百条，不能用来记录全息照相的细密干涉条纹，必须采用高分辨率的感光底片（一般采用条纹宽度d的倒数表示空间频率或感光材料的分辨率） 我们采用的是天津感光胶片厂出品的GS-I型红光干版其极限分辨率为3000条每毫米。

其实，要获得最终的全息图，充分了解和学习感光底片的显影、定影、冲洗等有关摄影的暗室技术知识也是不可缺少的 四四四四、、、、实验组织运行要求实验组织运行要求实验组织运行要求实验组织运行要求 本实验是以学生自主训练为主的开放模式组织教学 五五五五、、、、实验条件实验条件实验条件实验条件 本实验的主要仪器为： DH6516 轻便全息照相试验仪； 其他配件有全息干板 （银盐干板及 RSP 板） ，洗片箱，竹夹子，显影粉，洗片夹，不锈钢盛具，定影粉等 六六六六、、、、实验步骤实验步骤实验步骤实验步骤 （1） 实验前的准备工作 （a）安装轻便式全息台将底箱（2）安置于实验台（1）上，将两块防振块（4）放入底箱，分开放置；将全息台台体（5）轻轻放在防振块上，并使台板四周与底箱之间缝隙相同（如图 1） （注意：全息台台体（5）不要与底箱（2）接触）.再把全息台四脚放进防振脚杯内 （防振脚杯内放沙子约 80%，4 杯装沙数量一致） 图 1 （b）将电子快门（7）信号线插头插入定时器（2）的相应插孔（6） ，然后定时器接通电源，面板上的红色电源指示灯（3）亮， （如图 2） 电子快门的使用方法见附 1。

 15 图 2 （注意： 第一次使用电子快门 （7） 之前， 须旋下快门壳侧面的运输防振落螺钉 （13） ，具体见附录一） ( c ) 将激光功率计接收头 （6） 的信号线插入功 率计的相应插 孔（5） ，接通电源打开电源开 关（2） ，指示灯亮（4） ，显示窗 （7）上有数码显示， （如图 3） 激光功率计的使用方法见附 2 图 3 ( d )激光器（1）装上二个夹架（2） ，夹架插入磁性圆底座（3） ，并吸附安置在平台上（安置位置见图 5） ，轻轻拧紧夹架螺钉将激光器高压线（4）插头插入激光电源（5）相应插孔（注意颜色对应，极性不能接反） ，激光电源接上市电，打开开关（7） ，激光器有激光输出 （如图 4） 图 4  16 （2） 银盐干板拍摄（面全息） （a）配制显影药水及定影药水：显影液用市售 D-72 或 D-19 显影粉、定影液用F-5 定影粉配制，配制方法见药粉所附说明书。

（b）裁切银盐干板：在黑暗环境中操作(绿灯照明)，将银盐干板先裁切成标准尺寸：RSP 板可在白荧光灯下操作裁切尺寸 60 × 45 (mm), 并遮光包装 （c） 调光路和拍摄 （见图 5-a）要求使光路中各光学元件的光学中心共轴 1)先将十字毛玻璃屏插入台上磁性底座，调节十字毛玻璃屏（15） ，使屏上十字交叉点与暗室前的进光小孔（11）等高 （见图 C-1） 2) 调激光束使与台面平行：反复调节激光管夹架（12） ，用十字毛玻璃屏 测量激光束前后 二点，要求与十字交叉点等高 （见图 c-2） （注：步骤 2）~ 3）过程可能要反复进行） 3) 放入小反射镜（4a）和 (4b)并调整之（见图 5-a） ，使光束通过小孔（11）中心进入暗室（2） ，并用十字毛玻璃屏检查，光点应与十字中心大致等高 4) 激光束出口端放上电子快门（3） （见图 5-a） ，打开电子快门定时器上的“常开”开关使电子快门通光此时定时器面板上绿灯亮，调整快门使激光束通过快门孔中央 （可用功率计检查光束是否全通过）  17 5）关闭“常开”开关按下定时按钮，试验快门对激光束的关断能力 （注 意：确保快门能完全关闭激光束） 6）安放扩束镜（5）和(6)（见图 5-a） ，再用白纸屏检查暗室内的光斑，应 是一个完整的圆斑。

7）载物台（7） ，先用双面胶带把要拍摄的物体（8）固定在载物台上，并 使激光园斑的中心最亮部分照在拍摄物上，通过暗室的拍摄窗口（10）观看拍摄物，然后边调整拍摄物,使观察到拍摄物的光亮度为最大即可 8）在拍摄窗口（10）放上白玻璃屏，再放上大反射镜（9） ，并靠近拍摄物 使达到等光程拍摄， （与拍摄物之间距离小于 4cm）使激光园斑另一部分照在反射镜上，调整反射镜使由反射镜反射到白玻璃屏上的光亮度为适中，并且尽可能和拍摄物（8）反射回来的光重合关上暗室上的活动盖板，让定时器处在“定时”的位置，关上电子快门确定曝光时间 9）将银盐干板（13）装入暗盒（12）中 1.将暗盒及干板都放入洗片暗箱里 2.关上暗箱，双手插入暗箱的手孔操作 3.取出干板，打开暗盒后盖，干板药膜面朝下装入暗盒（注意分清膜面！药膜面，用手摸时感觉不光滑） 关上暗盒后盖取出暗盒 4.将已装有干板的暗盒放在暗箱拍摄窗口， 并使暗盒上的白色金属面吸附在窗口上方磁铁上面 10)拍摄：  18 1. 根据激光功率计所示的激光功率，调整电子快门定时器的定时时间，拍摄时间约 3-6 秒（供参考） 。

2. 轻轻抽出暗盒抽板， （拉到底，不要用劲拉出来即可） 静置稳定约 1 分钟后，按下定时按钮，进行拍摄 （拍摄中不要碰撞桌子） 11) 拍摄后，插入暗盒抽板，取下暗盒放入洗片暗箱内操作： 1.暗盒平放，抽板朝下，打开暗盒后盖，取出干板； 2.显影：把干板放在干板夹上操作（见图 c-3） （干板夹已在洗片暗箱内） ，干板膜面向上，放入显影液内（第一个容器） 显影时间约 15 秒~50 秒分钟（供参考） 图 c-3 3.清洗：显影后取出干板，放入第二个容器中的清水里，轻轻晃动几秒以洗去显影液 4.定影：取出干板放入第三个容器中的定影液内，定影约 5 分钟，取出用清水冲洗2-3 分钟，晾干 12)激光再现拍摄时各元件的相对位置及拍摄条件的参考数据见图（5-b） 及数据表 1  19 数据表 1： P0 (mw) P (mw) L (cm) l (cm) d (cm) t1 (秒) t2 (秒) D (cm) 4 ~ 4.5 0.05 ~ 0.06 20 8 ~ 10 < 4 3.5 ~ 5 15 ~ 50 6.5 注： <1> 以上数据会随不同拍摄物和显影液的新旧程度会有所改变。

<2> t1 为曝光时间，t2 为显影时间 <3> 以上关键数据是 P 及 d (d) 全息再现 全息干板晾干后，按图(6-a)所示可观察到所拍的立体全息图的虚像 图(6-a) 按图(6-b)所示，在白纸上可观察到所拍的立体全息图的实像 图(6-b) 注意：看实像的全息干板必须经过漂白可以在溴化铜溶液中漂白 （配方：60 克 溴化铜溶解在 1000ml 蒸馏水中即可漂白时间约 20 秒） (3) 体全息（白光再现）拍摄 (a)拍摄光路按图布置（图 7-a）  20 图 7-a (b)配制药水：异丙醇水溶液，浓度 40% 、60% 、80% 、100%各一份，置于 4 只不锈钢盛具中 (c)裁切 RSP 干板，在白色荧光灯下操作，不要在钨丝灯下进行。

尺寸：60 x 45(mm)，遮光包装包装时注意，膜面对膜面，膜面间要用塑料隔开，否则会黏在一起，不能使用包装后再用塑料袋密封装好，以免药物挥发失效 (d)光路调整与面全息拍摄的相似 1）~ 5）的步骤见“银盐干板拍摄（面全息） ”的 1）~ 5） 6）暗室的拍摄窗口上装上暗盒，以防光线进入 7）放“体全息拍摄架”于位置 W 处，见图（7-a） ， 在拍摄架的位置 2 上（见图 8）放上拍摄物（如： 钱币等） 铝板背面用磁钢 5 吸住拍摄物打开电 子快门，让激光束射入暗室，调整拍摄架，使拍摄 样品对准光束并均匀照明{参考图（7-b）及（13） 的数据表 2} 图 8 8)把定时器开关拨到“定时”位置，关闭电子快门，设置好曝光时间（参考值：约5—8 秒） 在位置 1 的槽内放入 RSP 干板（注意：药膜面朝向样品） ，将螺钉轻轻固紧（见图 8） 9)关上暗室盖板，略静置一会儿，打开快门 10)拍摄后，打开暗室盖板，取出干板 11)白光再现全息照片的显、定影处理：  21 将拍好的全息干板按 40%~100% 次序依次放入配好的异丙醇溶液中脱水显影，浸泡时间为：40%溶液—15 秒、60%溶液—60 秒、80%溶液—15 秒、100%溶液中浸洗时，同时用荧光灯照明观察，直至出现彩色影象，注意：浸入 100%溶液中时须经常注意是否有彩色衍射花纹出现。

一般在一分钟左右出现彩色较好 当彩色影象出现后，即取出，用吹风机热风吹干，并在白炽灯光下随时观察当吹干到某一程度，影象的彩色由暗红→黄较好，此时能观察到白光再现的立体图像干燥后停止吹风 保存处理：将干净的薄玻璃板紧贴住全息照片药膜面，四周用 914 快速环氧胶封闭，以防干板药膜吸潮而使图像消失 12)全息再现：处理好的全息照片在近似点光源白光照射下，按一定角度观察，即可看到 所拍摄的立体图像 13)白光再现拍摄参考数据： （见数据表 2） 图（7-b） 数据表 2: P0 (mw) P (mw) l (mm) D (mm) t1 (秒) t2 (秒) 4 ~ 4.5 0.06 ~ 0.10 65 ~ 90 45 ~ 60 6 ~ 8 40 ~ 80 注：< 1 > 以上数据随不同拍摄物和显影液的新旧程度会有所改变 < 2 > 拍摄环境湿度要求大于 30%，否则会影响 RSP 干板的灵敏度 < 3 > t2 为在 100%溶液中的浸泡时间，t1 为曝光时间 < 4 > 以上关键数据是 P  22 七七七七、、、、 思考题思考题思考题思考题 1. 在没有激光进行再现的条件下，如何检验干版上是否记录了信息？ 2. 全息照相于普通照相的不同点是什么？分别用到的是光的什么特性？ 八八八八、、、、实验报告实验报告实验报告实验报告 结合参考文献及实验指导书预习实验原理及步骤。

实验结果完整、准确记录，实验报告应包括实验名称、实验目的、实验步骤、实验结果和记录、及思考题回答 九九九九、、、、其它说明其它说明其它说明其它说明 【注意事项： 】 1. 全息台不得摔打、碰撞，不能放置于潮湿或带酸、碱气体的环境中，不使用时请遮盖防尘若全息台长期不使用，请在所有元器件上套小塑料袋，在全息台主体上盖防尘塑料薄膜；或是将元器件光学面垫上电容纸或绵纸等，套袋装进配件箱保存 2. 所有的光学件和镀膜面表面要保持清洁干燥，不得用手直接触碰这些表面若这些光学表面有脏物及手指印，请使用脱脂棉沾酒精-乙醚溶液轻轻擦拭干净 3. 激光器及电源为高压电器，在其运行时不要触碰接线及插头保护眼睛，当有激光输出时，绝对禁止将眼睛正对激光束观察注意激光器刚关闭时，由于内高压电容的电还没放光，两电极插座仍带电，谨防触电！ 4. 银盐干板和 RSP 干板必须密封封装，不要见光、透气、存放在冰箱内 【附 1】 定时器及电子快门的使用方法 （见图9） 图 9 本定时器有一个信号输出： 为有源信号，提供+12V 电压信号，可以配 23 电子快门，控制光路中激光束的通断 电源插头（1）接 220V 市电，由电源开关（12）接通电源，电源指示灯（3）亮（红灯） ，表示仪器进入通电工作状态。

电子快门（7）的信号插头插入定时器相应插孔（6）中 快门开关有两种控制方式：手动控制和自动定时控制手动控制直接通过常开切换开关（3）拨动控制；自动定时控制通过面板上的调时拨码开关（10）设定定时时间，按动定时按钮（9）打开快门通光，定时时间到则关闭快门， 其调时精度为 0.1 秒， 最大调时范围为 0 ~ 9999×0.1 秒—>0 ~ 999.9秒定时时间设定好后，按动定时按钮（9） ，就有定时信号发出在设定时间内，或是由有源+12V 信号驱动电子快门，使光束通过；此时定时指示灯（4）亮（绿灯） 当需要长时间通光（如：调光路时） ，可用手动控制开关（10） ，向上拨，电子快门常通无源触点信号也常闭此时定时指示灯（4）也亮（绿灯） 如果欲中断定时过程，可以按动复位开关（11） ；定时器由于强干扰或其他原因死机，也可以按动复位开关（11）恢复运行 电子快门是一件精密器件，对振动非常敏感为防止由于运输中的强烈振动而引起快门片脱落，在出厂运输包装前用快门壳体侧面的 M3×20 螺钉（13）旋入，轻轻顶住快门片钩件当仪器拆箱时，请立即将该螺钉旋出取下，并将电子快门放置一段时间（约 24 小时）让快门片构件完全恢复原位。

注意，平时使用电子快门时，请轻拿轻放，禁止摔打、跌落等强烈的振动 【附 2】 数字式激光功率计的使用方法 ：（见图10） 图 10  24 本激光功率计用于测量激光的光输出功率 拍摄全息照片前的准备工作中，对激光器光功率进行测量，可以作为参考校正曝光时间 也可代替照度计在面全息拍摄中分别测量物光及参考光强度以便调整光路 （由于是数字式显示，可观察到光照度的微量变化） 将接收器（6）的信号插头（5）插入激光功率计（1）面板的相应插孔中（5） ，将接收器置于光路中，使激光束垂直入射入中心小孔功率计电源插头接上 220V 市电，打开电源开关（2） ，数显窗口（7）即有显示该功率计有二个测量档，其范围分别为：0 — 19.99mw、0 — 199.9mw粗估激光功率的大小，转动分档旋钮（3） ，选择相配的测量档数显窗口上显示的数字即是该激光束的光功率输出大小  25 实验实验实验实验 3 3 3 3：：：：光速测定实验光速测定实验光速测定实验光速测定实验 实验学时：2 实验类型： （综合） 实验要求： （必修） 一一一一、、、、实验目的实验目的实验目的实验目的 1. 理解引入参考信号获得待测信号的手段。

2. 测定光速的值 二二二二、、、、实验内容实验内容实验内容实验内容 用光和电信号的相位差在短距离内测量光速学习掌握光的波动表达，学会使用本实验的实验仪器原理及操作 三三三三、、、、实验原理实验原理实验原理实验原理、、、、方法和手段方法和手段方法和手段方法和手段 实验原理： 如果光信号的调制频率为f,周期为T，则光信号可表示为： )2cos(00ftIIIπ∆+= （1） 如果光接收器和发射器的距离为s∆，则光的传播时间为： cst∆=∆ （2） 其中，c为光速在s∆的距离上产生的相位为： Tttf∆=∆=∆ππϕ22 （3） 被光电检测器接收后变为电信号，该电信号被滤除直流后可表示为： )2cos(ϕπ∆−=ftaU （4） 将式（2）代入（3）可得光速： fscπϕ2⋅∆∆= （5） 如果光的调制频率非常高， 在短的传播距离s∆内也为有大的相位差ϕ∆。

如果光的调制频率MHz60=f，则ms5=∆就会使得光信号的相移达到一个周期πϕ2=∆然而高频信号的测量和显示是非常不方便的，普通的教学示波器不能用于高频信 26 号的相位差检测 设在接收端还有一个高频电信号MHz9 .59=′f作为参考信号表示为： )2cos(t faU′′=′π （6） 将U和U′相乘得： )]2cos([)]2cos([t faftaUU′′⋅∆−=′⋅πϕπ )]22cos()22[cos(21t fftt fftaa′−∆−+′+∆−′=πϕππϕπ ])(2cos(21])(2[cos(21ϕπϕπ∆−′+′+∆−′−′=tffaatffaa （7） 可 见 经 乘 法 运 算 后 得 到 的 和 频MHz9 .1199 .5960=+=′+ff和 差 频KHz1009 .59601=−=′−=fff的混合信号将该混合信号通过一个中心频率为KHz100的滤波后，和频率信号将被滤除，差频信号将保留。

（7）式变为： )2cos(111ϕπ∆−=tfaU （8） 该信号的频率仅为KHz100， 很容易被低频示波器观察到 （8） 式中的ϕ∆仍是（4）式中的值，ϕ∆于信号1f的传播时间1t∆相关，1t∆可以从示波器上观测到设1f的周期为1T，则： 111122Tttf∆=∆=∆ππϕ （9） 将（9）式代入（5）式的光速： fTtsc⋅⋅∆∆=11 （10） 以前面给出的条件：sTµ10KHz10011==，MHz60=f测得s∆，1t∆即可有（10）式计算出光速 实验方案： a) 光电信号发送系统中有一个振荡频率为MHz60的电信号源， 该信号分为同频同相两路，一路经导线送到乘法器 1 的输入端；另一路用于调制激光二极管，使其输出的激光为高频调制光，该光经过一个三棱镜反射到达光电信号接收系 27 统，反射镜可沿着导轨滑动，从而改变光程。

b) 光电信号接收系统内有一个振荡频率为9.9MHz5的电信号源，该信号分为同频同相两路接收系统有一个激光信号接收电路，用于将接收到的激光信号变为电信号； 这路电信号与9.9MHz5信号相乘， 又经窄带滤波器滤波得到测量信号 c) 在光电信号接收系统内还有一个电信号接收电路，用于接收光电信号发送系统传过来的0MHz6电信号 这电信号也与9.9MHz5相乘， 也经窄带滤波器滤波得到参考信号 d) 测量信号和参考信号分别输入双踪示波器的二输入端，利用数字示波器测量信号的时间差 四四四四、、、、实验组织运行要求实验组织运行要求实验组织运行要求实验组织运行要求 本实验采用学生自主训练为主的开放模式组织教学 五五五五、、、、实验条件实验条件实验条件实验条件 实验仪器为 HHLV-1 光速测定仪 六六六六、、、、实验步骤实验步骤实验步骤实验步骤 1.连接实验线路参考信号输出接示波器通道 1，而测量信号输出接示波器通道 2 2.设置示波器通道 1 为触发信号，过零触发 3.调节光路棱镜全程滑动时，反射光完全射入接收头，从示波器上观察测量信号全程幅度变化小于 0.5V一般情况调节棱镜仰角便可将光路调合适，某些情况下还可调节发射接收头的盒子（其位置受强力的撞击而变化） 。

4.用示波器测量一定距离的时间差，计算光速 5．建议用频率计测量参考信号和测量信号的频率，因为晶振是有误差的，得到的KHz100信号有近 1%的误差，这样的话用实测频率就会减小测量误差 本实验的表格如下： 1.频率测量 1 2 3 4 测量信号频率 参考信号频率 ==信号频率11T  28 2.测量一定间距的时间差 1 2 3 4 间距（cm）(同一间距测 4 次) 时间差（µs） =∆1t4 次测量的平均值 3. 计算光速 =⋅⋅∆∆=fTtsc11 七七七七、、、、思考题思考题思考题思考题 1.实验中引入参考信号的原因何在？ 2.本实验采用的是光的什么本性？得到的速度值是光的什么速度？ 八八八八、、、、实验报告实验报告实验报告实验报告 结合参考文献及实验指导书预习实验原理及步骤实验结果完整、准确记录，实验报告应包括实验名称、实验目的、实验步骤、实验数据及处理结果、及思考题回答  29 实验实验实验实验 4：：：：夫兰克夫兰克夫兰克夫兰克————赫兹实验赫兹实验赫兹实验赫兹实验 实验学时：2 实验类型： （综合） 实验要求： （必修） 一一一一、、、、实验目的实验目的实验目的实验目的 1、测量氩原子的第一激发电位。

2、证实原子能级的存在，加深对原子结构的了解 3、了解在微观世界中，电子与原子的碰撞存在几率性 二二二二、、、、实验内容实验内容实验内容实验内容 测量原子的第一激发电位通过 IA—2G KU曲线，观察原子能量量子化情况，并求出氩原子的第一激发电位 三三三三、、、、实验实验实验实验原理原理原理原理、、、、方法和手段方法和手段方法和手段方法和手段 1913 年丹麦物理学家玻尔（N•Bohr）提出并建立了玻尔原子模型理论，认为有原子能级存在原子能级的存在除了可以用光谱方法进行证明外还可以用慢电子轰击稀薄气体原子的方法证明1914 年德国物理学家夫兰克（Franck）和赫兹（G•Hertz）进行了用慢电子与稀薄气体原子碰撞的实验，测定了汞的第一激发电位，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的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 玻尔因其原子模型理论获 1922 年诺贝尔物理学奖，而夫兰克与赫兹的实验也于 1925 年获此大奖夫兰克-赫兹（F-H）实验与玻尔理论在物理学的发展史中起到了重要的作用。

夫兰克和赫兹都是德国科学家，后来夫兰克因抗议反犹太法移民美国，参加过原子弹研制，同大多数科学家一样反对向日本投放核武器赫兹是电磁波发现者 H•赫兹的侄子，柏林科学院院士，一生建树颇丰 1、、、、波尔的原子理论 根据玻尔的原子理论，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其中能量最低的轨道称为基态，随着轨道能量的升高，依次称为第一激发态、第二激发态……原子所处能量状态并不是任意的，而是受到玻尔理论的两个假设制约：  30 1、定态定则：原子只能较长的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 2、频率定则：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 ν决定于如下关系： hν = Em−En （1） 式中，普朗克常数 h＝6.63×10−34J·S 原子状态的改变可以通过两种情况发生：一是当原子吸收或放出电磁辐射；二是原子与其他粒子发生碰撞而交换能量。

本实验就是利用具有一定能量的电子与氩原子碰撞而发生能量交换来实现氩原子状态改变的 在正常的情况下原子所处的定态是低能态，即基态，其能量为 E1当原子以某种形式获得能量时，它可由基态跃迁到较高的能量的定态从基态跃迁到第一激发态所需的能量称为临界能量，数值上等于 E2−E1 当电子与原子碰撞时，如果电子的能量小于临界能量，电子和原子只能发生弹性碰撞，几乎不发生能量交换；当电子的能量等于或大于临界能量时，则发生非弹性碰撞，实现能量交换此时电子给予原子跃迁到第一激发态时所需的能量，其余能量仍为电子保留 设初速度为零的电子在电位差为 Uo的加速电场作用下，获得能量 Uo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，那么当氩原子吸收从电子传递来的能量恰好为 eUo＝E2−E1 （2） 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（或称为中肯电位） 测定出这个电位差 Uo，就可以根据（1－2）式求出氩原子的基态和第一激发态之间的能量差了 2、夫兰克-赫兹实验原理 夫兰克-赫兹实验原理图如图 1 所示。

其中第一栅极 G1的作用主要是消除空间电荷对阴极电子发射的影响， 提高发射效率 其与阴极之间的电压由1G KU来提供在充氩的夫兰克-赫兹管中，电子从热阴极发出，阴极 K 和第二栅极 G2之间的加速电压2G KU使电子加速，在板极 A 和栅极 G2之间加有反向拒斥电压2G AU，管内空间电压分布见图 2 图1夫兰克赫兹原理图 2G KU 2G AUI 1G KU 31 图 2 夫兰克-赫兹管内空间电位分布图 当电子通过 KG2空间进入 G2A 空间时， 如果其能量较大 （大于或等于 e2G AU） ，就能冲过反向拒斥电场而达到板极 A 形成板流IA，由微电流计检出如果电子在KG2空间与氩原子碰撞，把自己一部分能量给了氩原子而使后者激发的话，电子本身所剩余的能量很小，以致通过栅极后已不足以克服拒斥电场而被斥回到栅极，这时通过微电流计的电流IA将显著减小 其值的大小反映了到达板极 A 的电子数实验中，保持2G AU和不1G KU不变，直接测量板极电流IA随加速电压2G KU变化的关系 当加速电压刚刚开始升高时，由于电压较低，电子的能量较小，电子与原子发生弹性碰撞。

穿过第二栅极的电子所形成的板流IA将随加速电压2G KU的增加而增大；如图 3 的 oa 段，加速电压2G KU达到氩原子的第一激发电位U0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交给了氩原子，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） 所图3夫兰克-赫兹管IA～2G KU曲线 a b C d IA (nA) 2G KU(V) U4 U3 U2 U1 U5 U6 U7  32 以板极电流IA将显著减小（图 3 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） 直到加速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 2G KU＝nU0 （n=1,2,3…） （3） 的地方板极电流IA都会相应下跌，形成规则起伏变化的 IA～2G KU曲线。

而各次板极电流IA下降相对应的阴、栅极电压差Un+1-Uｎ应该是氩原子的第一激发电位U0 四四四四、、、、实验组织运行要求实验组织运行要求实验组织运行要求实验组织运行要求 本实验采用学生自主训练为主的开放模式组织教学 五五五五、、、、实验条件实验条件实验条件实验条件 本实验采用的是杭州大华仪器制造公司的普通型 DH4507 弗兰克—赫兹实验仪 六六六六、、、、实验步骤实验步骤实验步骤实验步骤 1．将实验仪后面板上的四组电压输出（灯丝电压，KGV2：第二栅压，KGV1：第一栅压，AGV2：拒斥电压）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微电流（IA）检测器已在内部连好注意：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 2．打开仪器电源将工作方式打到“手动手动手动手动”位置（弹出位置） ，所有电位器按照面板上指示方向全部调到最小位置最小位置最小位置最小位置加电 2—3 分钟以后可往下进行实验 3．将显示按键切换至“灯丝电压” ，调节“灯丝电压”旋钮，使其在 2.8V 到 3.8V之间的某一值（一般固定在 3V） ，灯丝电压调整好后，在中途不再更动注意注意注意注意：：：：灯丝电压不要超过灯丝电压不要超过灯丝电压不要超过灯丝电压不要超过 4.5V。

4． 将显示按键切换至第一栅压“KGV1” ，调节第一栅压“KGV1”旋钮，使其在2V 到 3V 之间的某一值（一般固定在 2.1V） 5． 将显示按键切换至拒斥电压“AGV2” 、调节拒斥电压“AGV2”旋钮，使其在 5V 33 到 9V 之间的某一值（一般固定在 5.2V） 注意注意注意注意：：：：不同的电子管不同的电子管不同的电子管不同的电子管，，，，设置的最佳参数会不一样设置的最佳参数会不一样设置的最佳参数会不一样设置的最佳参数会不一样，，，，出厂时一般设定了一个参考参出厂时一般设定了一个参考参出厂时一般设定了一个参考参出厂时一般设定了一个参考参数数数数，，，，标记在弗兰克标记在弗兰克标记在弗兰克标记在弗兰克————赫兹测试架上赫兹测试架上赫兹测试架上赫兹测试架上；；；；为了得到更好的爬坡曲线为了得到更好的爬坡曲线为了得到更好的爬坡曲线为了得到更好的爬坡曲线，，，，同学们需反复同学们需反复同学们需反复同学们需反复调调调调整参数整参数整参数整参数 6．静置 5 分钟等上述电压都稳定后（与设定值一样） ，再将按键切换至第二栅压“KGV2” ，使电压表显示第二栅压值，缓慢调节第二栅压（从从从从 0V 到到到到 90V） ，以电压表能显示的最小分辨率 0.1V 为步进，记下 nA 表能显示的板极电流AI，作出KGV2—AI曲线。

7．将拒斥电压增加 0.5V，重复 6 步，作出另外一条KGV2—AI曲线，然后比较上述两条曲线 8．求出各峰值所对应的电压值，用逐差法求出氩原子第一激发点位，并与公认值11.5V 比较，并求出误差 七七七七、、、、思考题思考题思考题思考题：：：： 1、IA—2G KU曲线电流下降并不十分陡峭，且其峰有一定的宽度，主要原因是什么？ 2、IA的谷值并不为零，而且谷值依次沿2G KU轴升高，如何解释？ 3、 第一峰值所对应的电压是否等于第一激发电位？原因是什么？ 八八八八、、、、实验报告实验报告实验报告实验报告 结合参考文献及实验指导书预习实验原理及步骤实验结果完整、准确记录，实验报告应包括实验名称、实验目的、实验步骤、实验数据及处理结果、及思考题回答  34 实验实验实验实验 5：：：：高温超导转变温度测量实验高温超导转变温度测量实验高温超导转变温度测量实验高温超导转变温度测量实验 一一一一、、、、实验目的实验目的实验目的实验目的 1．学习液氮低温技术； 2．测量氧化物超导体 YBaCuO 的临界温度，掌握用测量超导体电阻—温度关系测定转变温度的方法 3．了解超导体的最基本特性以及判定超导态的基本方法。

二二二二、、、、实验内容实验内容实验内容实验内容 测量超导材料的转变温度，也就是在常气压环境下超导体从非超导态变为超导态时的温度由于超导材料在超导状态时电阻为零，因此我们可用检测其电阻随温度变化的方法来判定其转变温度实验中要测电阻及温度二个量样品的电阻用四引线法测量，通以恒定电流，测量二端的电压信号，由于电流恒定，电压信号的变化即是电阻的变化 三三三三、、、、实验原理实验原理实验原理实验原理、、、、方法和手段方法和手段方法和手段方法和手段 1 1 1 1．．．． 简介简介简介简介 具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料现已发现有 28 种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体一般达到超导状态需要很低的温度， 大大约束了超导材料的实际应用 从 1911 年发现超导现象至今，人们一直为提高超导材料的临界温度而努力1986 年，高温超导体的研究取得了重大的突破掀起了以研究金属氧化物陶瓷材料为对象，以寻找高临界温度超导体为目标的“超导热” 全世界有 260 多个实验小组参加了这场竞赛 超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景但要实际应用超导材料又受到一系列因素的制约，这首先是它的临界参量，其次还有材料制作的工艺等问题（例如脆性的超导陶瓷如何制成柔细的线材就有一系列工艺问题） 。

到 80 年代，超导材料的应用主要有：①利用材料的超导电性可制作磁体，应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等；可制作电力电缆，用于大容量输电（功率可达 10000MVA） ；可制作通信电缆和 35 天线，其性能优于常规材料②利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承③利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件，其运算速度比高性能集成电路的快 10～20 倍，功耗只有四分之一 超导电性发现于 1911 年，荷兰科学家翁纳斯（K.Onnes）在实现了氦气液化之后不久，利用液氦所能达到的极低温条件，指导其学生(GillesHolst)进行金属在低温下电阻率的研究，发现在温度稍低于 4.2K 时水银的电阻率突然下降到一个很小值后来有人估计，电阻率的下限为 3.6×10-23Ω.cm，而迄今正常金属的最低电阻率大约为 10-13Ω.cm与此相比，可以认为汞进入了电阻完全消失的新状态—超导态我们定义超导体开始失去电阻时的温度为超导转变温度或超导临界温度，通常用 TC表示 超导现象发现以后，实验和理论研究以及应用都有很大发展，但是临界温度的提高一直很缓慢。

1986 年以前，经过 75 年的努力，临界温度只达到 23.2K，这一记录保持了差不多 12 年此外，在 1986 年以前，超导现象的研究和应用主要依赖于液氦作为致冷剂由于氦气昂贵、液化氦的设备复杂，条件苛刻，加上 4.2K的液氦温度是接近于绝对零度的极低温区等因素都大大限制了超导的应用为此，探索高临界温度超导材料成为人们多年来梦寐以求的目标 1987 年初液氮温区超导体的发现震动了整个世界，人们称之为 20 世纪最重大的科学技术突破之一，它预示着一场新的技术革命，同时也为凝聚态物理学提出了新的课题 2.2.2.2.超导特性超导特性超导特性超导特性 超导体有许多特性，其中最主要的电磁性质是： 1．零电阻现象：当把金属或合金冷却到某一确定温度 TC以下，其直流电阻突然降到零，把这种在低温下发生的零电阻现象称为物质的超导电性，具有超导电性的材料称为超导体电阻突然消失的某一确定温度 TC叫做超导体的临界温度在 TC以上，超导体和正常金属都具有有限的电阻值，这种超导体处于正常态由正常态向超导态的过渡是在一个有限的温度间隔里完成的，即有一个转变宽度ΔTC，它取决于材料的纯度和晶格的完整性。

理想样品的ΔT≤10-3K基于这种电阻变化，可以通过电测量来确定 TC，通常是把样品的电阻降到转变前正常态电阻值 36 一半时的温度定义为超导体的临界温度 TC 2．完全抗磁性：当把超导体置于外加磁场时，磁通不能穿透超导体，而使体内的磁感应强度始终保持为零（Ｂ≡０） ，超导体的这个特性又称为迈斯纳（Ｍeissner）效应 超导体的这两个特性既相互独立又有紧密的联系， 完全抗磁性不能由零电阻特性派生出来，但是零电阻特性却是迈斯纳效应的必要条件 图 1 高温超导转变温度测量装置 四四四四、、、、实验组织运行要求实验组织运行要求实验组织运行要求实验组织运行要求 本实验采用学生自主训练为主的开放模式组织教学 五五五五、、、、实验条件实验条件实验条件实验条件 FD-RT-II 高温超导转变温度测量仪主要由实验主机、低温液氮杜瓦瓶和实验探棒以及前级放大器组成 六六六六、、、、实验步骤实验步骤实验步骤实验步骤 温度用铂电阻温度计测量，它的电阻会随温度变化而变化，比较稳定，线性也较好，实验时通以恒定的 1.00mA，测量温度计两端电压随温度变化情况，从表中可查到其对应的温度 温度的变化是利用液氮杜瓦瓶空间的温度梯度来获得。

样品及温度计的电压 37 信号，可从数字显示表中读得，也可用 x－y 记录仪记录 1．样品、探棒与测量仪器用连接线连接起来 2．样品连线连接好以后，开启电源，小心地把探测头浸入杜瓦瓶内，待样品温度达到液氮温度后（一般等待 10—15 分钟） ，观察此时样品出现信号是否处于零附近（因此时温度最低，电阻应为 0，但因放大器噪声也被放大，会存在本底信号）注意此时不能再改变放大倍数，放大倍数档位置应与高温时一致如果此时电压信号仍很大，与高温时一样，则属不正常，需检查原因如电阻信号小，与高温时的电阻信号相差大，则可进行数据测量了 3．样品温度达到稳定到液氮温度时，记下此时的样品电压及温度电压值，然后把探测头小心地从液氮瓶内提拉到液面上方，温度会慢慢升高，在这变化过程中，温度计的电压信号及样品的电阻信号会同时变化，同时记录这二值，记下 50—60个数据作图即可求得转变温度在过程中要耐心观察，特别在转变温度附近，最好多测些数据 4．如时间允许可从高温到低温再测量一次，观察二条曲线是否重合，解析原因 5．将本仪器与计算机连接，使用本机提供的专用软件可实时记录样品的超导转变曲线计算机的连接和所用软件的使用说明详见附录。

6．实验结束工作：1）实验结束后关掉仪器电流，用热吹风把探测头吹干2）旋开探测头的外罩， 把样品吹干，使其表面干燥无水气3）用烙铁把样品与样品架连接的四个焊点焊开，取出样品，用滤纸包好，放回干燥箱内，以备下组实验者使用 七七七七、、、、思考题思考题思考题思考题 1．什么叫超导现象？超导材料有什么主要特性？从你的电阻测量实验中如何判断样品进入超导态了？ 2．如何能测准超导样品的温度？ 3．测定超导样品的电阻为什么要用四引线法？ 4．样品电流应调节多大，为什么？ 5．为什么样品必须保持干燥？如何保存样品？ 6．从超导材料进入超导态时 R=0，你能想象出它有什么应用价值？  38 八八八八、、、、实验报告实验报告实验报告实验报告 结合参考文献及实验指导书预习实验原理及步骤实验结果完整、准确记录，实验报告应包括实验名称、实验目的、实验步骤、实验数据及处理结果、及思考题回答 九九九九、、、、其它说明其它说明其它说明其它说明 注意事项注意事项注意事项注意事项 1.实验操作过程中不要用手直接接触样品表面，要带好手套，以免沾污样品表面 2.样品探测头放进液氮杜瓦瓶时应小心地慢慢进行，以免碰坏容器、皮肤不要接触液氮，以免冻 伤。

万一容器瓶损坏，液氮溢出瓶外室内充满雾气，这时也不要紧张，这是液氮在汽化蒸发，只要不接到皮肤，就不会冻伤,过了一会挥发完就好了 3. 灌倒液氮时要小心，不要泼在手上、脚上，其严重灼伤皮肤程度比开水更甚！ 4. 超导样品宜长期接触水汽使结构破坏、成分分解，导致超导性能丧失故做完实验后宜从低温 处取出，用热吹风烘干表面潮气，置于有干燥剂的密封容器中保存，待实验时再取出 7．超导电阻转变过程的快慢与杜瓦瓶中的液氮多少有关，一般控制在液氮液面的高度(离底)为 6—8cm，其高度可用所附底塑料杆探测估计 高温超导转变温度测量软件使用说明高温超导转变温度测量软件使用说明高温超导转变温度测量软件使用说明高温超导转变温度测量软件使用说明 本软件设置为串行口输入，可选择不同的串行口（Com1 或 Com2）,采样的记录格式形同于记录纸，X 坐标为温度值（以温度的形式来显示） ，每格大小在界面的右边显示Y 坐标所对应的是样品电压，每格所对应的电压值可供选择，这里设置了三个级别的电压值供选择对于记录下的曲线，可以进行存盘、打印等操作，也可删除及重新开始记录, 在计算机采样的时候，我们可以通过选择不同的颜色来区分降温和升温的曲线;在计算机记录完毕后，可以通过鼠标的点击来显示曲线上每一点的坐标值，横坐标的温度值可直接显示对应的温度，不需要查表; 本软件显示的窗口界面如下所示：  39 1 1 1 1．．．．软件界面介绍软件界面介绍软件界面介绍软件界面介绍 1）标题栏：本软件的名称 2）菜单栏：此栏由文件.编辑.操作.帮助.关于五个部份组成，具体说明如下： A.文件：可以对文件进行存盘、打开、打印等操作 B.编辑：可以对采样到的图形进行处理 C.操作：能对本软件运行进行控制，如选择串行口.改变 Y 轴分度值等 D.帮助：可以得到本软件使用的一切说明 E.关于：此为本公司的介绍。

3）工具栏：由新建.打开.存盘.运行.暂停.打印.退出七个部份组成，其具体功能和菜单栏上各项 说明一致 4）实验监视栏：此栏设在屏幕下方，能了解实验是否正在进行，能记录实验所花费的时间和采样 到的数据点的个数 2 2 2 2．．．．软件使用操作步骤软件使用操作步骤软件使用操作步骤软件使用操作步骤 1）先将样品用导热胶粘放在样品架中，焊接四引线 2）将放大器上的航空头分别接到主机上对应的航空插座上 3）通过连接电缆将仪器与计算机串行口相连 4）打开本软件，选择合适的串行口（com1 或 com2）和显示的 Y 轴分度值，如果 40 选择不对，软件会 进行提示 5）将探棒放入液氮杜瓦中 6）按下计算机窗口的运行键，就可以进行对样品的实时采样 铂电阻温度计铂电阻温度计铂电阻温度计铂电阻温度计 电阻电阻电阻电阻－－－－温度关系温度关系温度关系温度关系 电阻值电阻值电阻值电阻值（（（（ΩΩΩΩ）（）（）（）（JJG 229JJG 229JJG 229JJG 229- - - -87878787））））R0=100.00Ω 温度温度温度温度℃℃℃℃ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -200 18.49 - - - - - - - - - -190 22.80 22.37 21.94 21.51 21.08 20.65 20.22 19.79 19.36 18.93 -180 27.08 26.65 26.23 25.80 25.37 24.94 24.52 24.09 23.66 23.23 -170 31.32 30.90 30.47 30.05 29.63 29.20 28.78 28.35 27.93 27.50 -160 35.53 35.11 34.69 34.27 33.85 33.43 33.01 32.59 32.16 31.74 -150 39.71 39.30 38.88 38.46 38.04 37.63 37.21 36.79 36.37 35.95 -140 43.87 43.45 43.04 42.63 42.21 41.79 41.38 40.96 40.55 40.13 -130 48.00 47.59 47.18 46.76 46.35 45.94 45.52 45.11 44.70 44.28 -120 52.11 51.70 51.20 50.88 50.47 50.06 49.64 49.23 48.82 48.41 -110 56.19 55.78 55.38 54.97 54.56 54.15 53.74 53.33 52.92 52.52 -100 60.25 59.85 59.44 59.04 58.63 58.22 57.82 57.41 57.00 56.60 -90 64.30 63.90 63.49 63.09 62.68 62.28 61.87 61.47 61.06 60.66 -80 68.33 67.92 67.52 67.12 66.72 66.31 65.91 65.51 65.11 64.70 -70 72.33 71.93 71.53 71.13 70.73 70.33 69.93 69.53 69.13 68.73 -60 76.33 75.93 75.53 75.13 74.73 74.33 73.93 73.53 73.13 72.73 -50 80.31 79.91 79.51 79.11 78.72 78.32 77.92 77.52 77.13 76.73 -40 84.27 83.88 83.48 83.08 82.69 82.29 81.89 81.50 81.10 80.70 -30 88.22 87.83 87.43 87.04 86.64 86.25 85.85 85.46 85.06 84.67 -20 92.16 91.77 91.37 90.98 90.59 90.19 89.80 89.40 89.01 88.62 -10 96.09 95.69 95.30 94.91 94.52 94.12 93.75 93.34 92.95 92.55 -0 100.00 99.61 99.22 98.83 98.44 98.04 97.65 97.26 96.87 96.48 温度温度温度温度℃℃℃℃ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 100.00 100.39 100.78 101.17 101.56 101.95 102.34 102.73 103.12 103.51 10 103.90 104.29 104.68 105.07 105.46 105.85 106.24 106.63 107.02 107.40 20 107.79 108.18 108.57 108.96 109.35 109.73 110.12 110.51 110.90 111.28 30 111.67 112.06 112.45 112.83 113.22 113.61 113.99 114.38 114.77 115.15 40 115.54 115.93 116.31 116.70 117.08 117.47 117.85 118.24 118.62 119.01 50 119.40 119.78 120.16 120.55 120.93 121.32 121.70 122.09 122.47 122.86  41 实验实验实验实验 6 6 6 6：：：：密立根油滴实验密立根油滴实验密立根油滴实验密立根油滴实验 实验学时：2 实验类型： （综合） 实验要求： （必修） 一一一一、、、、实验目的实验目的实验目的实验目的 1．通过对带电油滴在重力场和静电场中运动的测量，验证电荷的不连续性，并测定电子的电荷值 e． 2．通过实验对仪器的调整、油滴的选择、耐心地跟踪和测量以及数据的处理等，培养学生严肃认真和一丝不苟的科学实验方法和态度。

二二二二、、、、实验内容实验内容实验内容实验内容 用油滴法测量电子的电荷，可以用静态(平衡)测量法或动态(非平衡)测量法，也可以通过改变油滴的带电量，用静态法或动态法测量油滴带电量的改变量 三三三三、、、、实验原理实验原理实验原理实验原理、、、、方法和手段方法和手段方法和手段方法和手段 由美国实验物理学家密立根(R．A．Millikan)首先设计并完成的密立根油滴实验，在近代物理学的发展史上是一个十分重要的实验它证明了任何带电体所带的电荷都是某一最小电荷——基本电荷的整数倍；明确了电荷的不连续性；并精确地测定了基本电荷的数值，为从实验上测定其它一些基本物理量提供了可能性 1．静态(平衡)测量法 用喷雾器将油喷入两块相距为 d 的水平放置的平行极板之间油在喷射撕裂成油滴时，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 V， 则油滴在平行极板间将同时受到重力 mg 和静电力 qE 的作用如图一所示如果调节两极板间的电压 V，可使该两力达到平衡，这时 图 一 dVEmg== (1) 从上式可见，为了测出油滴所带的电量 q，除了需测定平衡电压 V 和极板间距离 d外，还需要测量油滴的质量 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，由于空气阻力的作用， 下降一段距离达到某一速度 vg后， 阻力 fr与重力 mg 平衡，如图二所示(空气浮力忽略不计)，油滴将匀速下降根据斯托克斯定律，油滴匀速下降时  42 mgvafgr==ηπ6 (2) 式中η是空气的粘滞系数，a是油滴的半径(由于表面张力的原因，油滴总是呈小球状)设油的密度为ρ，油滴的质量m可以用下式表示 图 二 ρπ334am = (3) 由(2)式和(3)式，得到油滴的半 径 gvagρη29= (4) 对于半径小到10-6米的小球，空气的粘滞系数η应作如下修正 pab+=1'ηη 这时斯托克斯定律应改为 pabvafgr+=16ηπ 式中b为修正常数，b＝6.17 ×10-6米一厘米汞高，p为大气压强，单位用厘米汞高。

得 pabgvag+=1129ρη （5） 上式根号中还包含油滴的半径a，但因它处于修正项中，可以不十分精确，因此可用(4)式计算将(5)式代入(3)式，得 ρρηπ23]1129[34pabgvmg+= （6） 至于油滴匀速下降的速度vg，可用下法测出：当两极板间的电压V为零时，设油滴匀速下降的距离为l，时间为tg，则 ggtlv = （7） 将(7)式代入(6)式，(6)式代人(1)式，得 Vdpabtlgqg23])1 ([218+=ηρπ （8）  43 上式是用平衡测量法测定油滴所带电量的理论公式 2．动态(非平衡)测量法 平衡测量法是在静电力qE和重力mg达到平衡时导出公式(8)进行实验测量的 非平衡测量法则是在平行极板上加以适当的电压V，但并不调节V使静电力和重力达到平衡，而是使油滴受静电力作用加速上升。

由于空气阻力的作用， 上升一段距离达到某一速度ve后，空气阻力、 重力与静电力达到平衡(空气浮力忽略不计)， 油滴将匀速上升，如图三所示 这时 图 三 mgdVqvae−=ηπ6 当去掉平行极板上所加的电压V后，油滴受重力作用而加速下降当空气阻力和重力平衡时，油滴将以匀速vg下降，这时 mgvae=ηπ6 上两式相除 mgmgdVqvvge−= 得 )(gegvvvVdmgq+= (9) 实验时取油滴匀速下降和匀速上升的距离相等，设都为l测出油滴匀速下降的时间tg和匀速上升的时间te，则 ggtlv =， eetlv = (10) 将(6)式油滴的质量m和(10)式代人(9)式得 2123)1)(11()1(218ggetttVdpablgq++=ηρπ 令 dpablgK23)1(218+=ηρπ 则 VtttKqgge1)1)(11(21+= （11） 从实验所测得的结果，可以分析出q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n，从而得到一个电子的电荷值为 nqe = (12)  44 3．测量油滴带电量的改变量 今以动态法测量油滴带电量的改变量为例作介绍。

如果油滴所带的电量从q变到'q，(MOD型系列油滴仪中带B字型号的油滴仪，均可人工干预改变油滴的带电量)，油滴在电场中(电压V不变)匀速上升的速度将由ve变为'ev， 而匀速下降的速度vg不变 测出油滴匀速上升l距离的时间为'et，则 ''eetlv = 与(11)式比较得 VtttKqgge1)1)(11(21''+= (13) 由(11)式和(13)式得油滴带电量的改变量为 VtttKqgeei1)1)(11(21''−=−= （14） 由此可得油滴所带电子数的改变数i和一个电子的电荷值为 iqei= (15) 四四四四、、、、实验组织运行要求实验组织运行要求实验组织运行要求实验组织运行要求 本实验是以学生自主训练为主的开放模式组织教学 五五五五、、、、实验条件实验条件实验条件实验条件 密立根油滴仪，包括水平放置的平行极板(油滴盒)，调平装置，照明装置，显微镜，电源，计时器(数字毫秒计)，改变油滴带电量从 q 变到'q ，的装置，实验油，喷雾器等。

 45 图 四 图 五 a 喷雾口 b 油雾孔 c 油雾孔开关 d 上电极板压簧 e 外接电表插孔 f 油滴盒基座 g 油滴仪面板 油滴盒是用两块经过精磨的平行极板(上、下电极板)中间垫以绝缘环组成 平行极板间的距离为 d绝缘环上有照明发光二极管进光孔、显微镜观察孔和紫外线进光石英玻璃窗口(A 型油滴仪没有)油滴盒放在有机玻璃防风罩中上电极板中央有一个φ0.4 毫米的小孔，油滴从油雾室经油雾孔落入小孔，进入上、下电极之间，整套装置如图四所示油滴由高亮度发光二极管照明 油滴盒可用调平螺丝调节水平，并由水准泡进行检查 油滴盒防风罩前装有测量显微镜，通过绝缘环上的观察孔观察平行极板间的 油滴目镜头中装有分划板，其垂直总刻度相当于线视场中的 0.300 厘米(每小格0.050 厘米)，用以测量油滴运动的距离 l视场所见分划板的刻度如图五所示 油滴的运动时间，由数字计时器计时 电源部分提供四种电压 ① 500V 直流工作电压：接平行极板，使两极板间产生电场。

该电压可连续调节， 电压值从数字电压表上读出， 并受工作电压选择开关控制 开关分三档， “平衡”档提供极板以平衡电压(在用非平衡法实验时，略使不平衡)； “下落”档除去平电压，使油滴自由下落； “提升”档是在平衡电压上叠加了一个 200V 左右的提升电压，将油滴从视场的下端提升上来，作下次测量 ② 200V 左右的提升电压 ③ 5V 的数字电压表，数字计时器，发光二极管等的电源电压 ④ 12V 的 CCD、电源电压 六六六六、、、、实验步骤实验步骤实验步骤实验步骤 1．调整仪器 仪器放平稳，调节仪器底部左右两只调平螺丝，使水准泡指示水平，这时平行极板处于水平位置. 先预热仪器 10 分钟， 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，将分划板位置放正，同时要将目镜插到底. 调节接目镜，使分划板刻线清晰 将油从油雾室旁的喷雾口喷入（喷一次即可），微调测量显微镜的调焦手轮，这时视场中将出现大量清晰的油滴，有如夜空繁星如果视场太暗，油滴不够明 46 亮，或视场上下亮度不均匀，可略微转动油滴照明灯室的灯珠座，使小灯珠前面的聚光珠正对前方 2．测量练习 练习控制油滴 如果用平衡法实验喷入油滴后，在平行极板上加工作(平衡)电压 250 伏特左右，工作电压选择开关置“平衡”档，驱走不需要的油滴，直到剩下几颗缓慢运动的为止。

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，让它自由下降，下降一段距离后再加上“提升”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 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，用计时器测出它们下降一段距离所需要的时间或者加上一定的电压，测出它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 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，但一般带的电量比较多，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，太小则布朗运动明显通常可以选择平衡电压在 200 伏特以上，在 20 秒左右时间内匀速下降 2 毫米的油滴，其大小和带电量都比较合适 练习改变油滴的带电量 按下汞灯按钮，低压汞灯亮，约 5 秒钟，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．测量 ① 静态（平衡）测量法 用平衡测量法实验时要测量的有二个量一个是平衡电压 V，另一个是油滴匀速下降一段距离 l 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了。

测量油滴匀速下降一段距离 l 所需要的时间 tg时，为保证油滴下降时速度均匀，应先让它下降一段距离后再测量时间. 选定测量的一段距离 l 应该在平行极板之间的中央部分，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，会影响到测量结果，太靠近下极板，测量完时间 tg后，油滴就消失，不能重复测量，因此一般取 l=2mm 比较合适 对同一颗油滴应进行 3 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，不让它丢失 用同样方法分别对 5 颗油颗进行测量，求得电子电荷 e ② 动态(非平衡)测量法 具体方法学生可根据实验原理，自拟 ③ 测量油滴带电量的改变量 学生自拟 4．数据处理 ① 静态(平衡)测量法 根据(8)式 Vdpabtlgqg23])1 ([218+=ηρπ 式中 gggtvaρη29=  47 油的密度 ρ=981 kg·m-3 重力加速度 g=9.80m·s-2 空气的粘滞系数 η=1.83×10-5kg·m-1·s-1 油滴匀速下降的距离取 l=2.00×10-3m 修正常数 b=6.17×10-6m-cmHg 大气压强 p=76.0cmHg 平行极板的距离 d=5.00×10-3m 将以上数据代入公式得 Vttqgg1)]02. 01 ([1043. 12314+×=− 库仑 216)]02. 01 ([1015. 4ggtta+×=− 米 3331009. 434aam××==ρπ 公斤 显然，由于油的密度ρ，空气的粘滞系数η都是温度的函数，重力加速度 g 和大气压强 p 又随实验地点和条件的变化而变化，因此，上式的计算是近似的。

在一般条件下，这样的计算引起的不确定度约 1%，但它带来的好处是使运算方便 为了验证电荷的不连续性和所有电荷都是基本电荷 e 的整数倍，并得到基本电荷 e 值，也就是电子的电荷值. 但由于同学们实验技术不熟悉，测量不确定度可能要大些，要求出 q 的最大公约数有时比较困难，通常我们用“倒过来验证”的办法进行数据处理. 即用公认的电子电量 C 去除实验测得的电量 q，得到一个接近于某一个整数的数值，整数就是油滴所带的基本电荷的数目 n，再用这个 n 去除实验测得的电量，即得电子的电量 e 5．用电子质量 kg，计算电荷的荷质比 e/m ② 动态(非平衡)测量法 学生自拟 ③ 测量油滴带电量的改变量 学生自拟 数据表格 平衡电压 /V tg1 tg2 tg3 q (×10-19C) n e (×10-19C) a (×10-7m) m (×10-15kg) 油滴1 油滴2 油滴3  48 油滴4 油滴5 七七七七、、、、思考题思考题思考题思考题 1．为什么显微镜要调焦在油滴盒中心轴？为什么油滴盒要调水平？油滴像一再散焦的原因有哪些？ 2．重复测量同一油滴，各次求出的电量并不一致。

试分析误差来源 3． 显微镜能通过改变物镜到分划板的距离来调焦吗？如果显微镜景深很大，为什么叉丝平面上的测量标尺就失去意义？画出光路简图并加以说明 4．改变电荷法是用 X 光、放射源、紫外线或激光照射运动中的油滴，使之带电量发生变化，变化量应是 e 的整数倍试简要设计其实验方案 八八八八、、、、实验报告实验报告实验报告实验报告 结合参考文献及实验指导书预习实验原理及步骤实验结果完整、准确记录，实验报告应包括实验名称、实验目的、实验步骤、实验结果和记录、及思考题回答 九九九九、、、、其它说明其它说明其它说明其它说明 【注意事项】 1．喷雾器中注油约 5mm 深，不能太多喷雾时喷雾器要竖拿，喷口对准油雾室的喷雾口，切勿伸入油雾室内按一下橡皮球即可 2．选择油滴要求大小中等，平衡电压超过 200 伏 3．油滴在下落 2mm 要求匀速，一般需要 20s 以上  49 实验实验实验实验 7：：：：光电效应法测普朗克常数光电效应法测普朗克常数光电效应法测普朗克常数光电效应法测普朗克常数 实验学时：2 实验类型： （综合） 实验要求： （必修） 一一一一、、、、实验目的实验目的实验目的实验目的 1、加深对光的量子性的理解。

2、验证爱因斯坦光电效应方程，测出普朗克常量 h 二二二二、、、、实验内容实验内容实验内容实验内容 用光电效应方法测量普朗克常量和测定光电管的光电特性曲线， 并且通过对光电效应的研究有助于学习和理解量子理论 三三三三、、、、实验原理实验原理实验原理实验原理、、、、方法和手段方法和手段方法和手段方法和手段 1905 年，年仅 26 岁的爱因斯坦提出光量子假说，发表了在物理学发展史上具有里程碑意义的光电效应理论，10 年后被具有非凡才能的物理学家密立根用光辉的实验证实了两位物理大师之间微妙的默契配合推动了物理学的发展，他们都因光电效应等方面的杰出贡献分别于 1921 年和 1923 年获诺贝尔物理学奖 光电效应实验及其光量子理论的解释在量子理论的确立与发展上， 在揭示光的波粒二象性等方面都具有划时代的深远意义利用光电效应制成的光电器件在科学技术中得到了广泛的应用，并且至今还在不断开辟新的应用领域，具有广阔的应用前景 本实验的目的是了解光电效应的基本规律， 并用光电效应方法测量普朗克常量和测定光电管的光电特性曲线，并且通过对光电效应的研究有助于学习和理解量子理论 当光照在物体上时，光的能量仅部分地以热的形式被物体吸收，而另一部分则转换为物体中某些电子的能量，使电子逸出物体表面，这种现象称为光电效应，逸出的电子称为光电子。

在光电效应中，光显示出它的粒子性，所以这种现象对认识光的本性，具有极其重要的意义 光电效应实验原理如图 1 所示图中 A、K 组成抽成真空的光电管，A 为阳极，K 为阴极当一定频率 ν 的光射到金属材料做志的阴极 K 上，就有光电子逸出金属若在 A、K 两端加上电压 U 后，光电子将由 K 定向地运动到 A，在回路中就形成光电流 I其规律有： 1、、、、光电流与入射光强度的关系光电流与入射光强度的关系光电流与入射光强度的关系光电流与入射光强度的关系 图1 光电效应原理  50 光电流随着加速电位差 U 的增加而增加，加速电位差加到一定量值后，光电流达到饱和值 Ih，饱和电流与光强成正比，而与入射光的频率无关当 U=Ua －Uk变成负值时，光电流迅速减小实验指出，有一个遏止电位差 Ua存在，当电位差达到这个值时，光电流为零如图 2（a）所示图中 I~U 曲线称为光电管伏安特性曲线 2、、、、光电子的初动能与入射光频率之间的关系光电子的初动能与入射光频率之间的关系光电子的初动能与入射光频率之间的关系光电子的初动能与入射光频率之间的关系 光电子从阴极逸出时，具有初动能，在减速电压下，光电子逆着电场力方向由K 极向 A 极运动。

当 U=Ua时，光电子不再能达到 A 极，光电流为零所以电子的初动能等于克服电场力所作的功即 aeUm=221υ (1) 根据爱因斯坦关于光的本性的假设，光是一粒一粒运动着的粒子流，这些光粒子称为光子每一光子的能量为 ε=hν，其中 h 为普朗克常数量，ν 为光波的频率所以不同频率的光波对应的能量不同光电子吸收了光子的能量 hν 之后，一部分消耗于克服电子的逸出功 A，另一部分转换为电子动能由能量守恒定律可知 Amh+=221υν (2) 式（2）称为爱因斯坦光电效应方程 由此可见，光电子的初动能与入射光频率 ν 呈线性关系，而与入射光的强度无关如图 2（b）所示 3、、、、光电效应有光电阈存在光电效应有光电阈存在光电效应有光电阈存在光电效应有光电阈存在 实验指出，当光的频率 ν＜ν0时，不论用多强的光照射到物质上都不会产生光电效应，根据（2）式，ν0称为截止频率 4、、、、光电效应是瞬间效应光电效应是瞬间效应光电效应是瞬间效应光电效应是瞬间效应 只要入光频率 ν＞ν0，一经光线照射，立刻产生光电子。

用爱因斯坦方程圆满地解释光电效应的实验规律， 同时提供了测普朗克常量的一种方法：由式（1）和（2）可得：hν=e︱U0︱+A，当用不同频率（ν1，ν2，ν3，…，νn）的单色光分别做光源时，就有 AUeh+=11ν AUeh+=22ν 图2 光电管伏安特性曲线  51 …… AUehnn+=ν 任意联立其中两个方程就可得到 jijiUUehνν−−=)( (3) 由此若测定了两个不同频率的单色光所对应的遏止电位即可计算出普朗克常量h，也可由ν~U直线的斜率求h 因此，用光电效应方法测量普朗克常量的关键在于获得单色光，测量光电管的伏安特性曲线和确定遏止电位差值 为获得准确的遏止电位差值，要求光电管应该具备下列条件： ① 对所有可见光谱都比较灵敏 ② 阳极包围阴极，这样当阳极为负电位时，大部分光电子仍能射到阳极 ③ 阳极没有光电效应，不会产生反向电流 ④ 暗电流很小 但是实际使用的真空型光电管并不完全满足以上条件 由于存在阳极光电效应所引起的反向电流和暗电流（即无光照时的电流） ，所以测得的电流值，实际上包括上述两种电流和由阴极光电效应所产生的反向电流三个部分，所以伏安曲线并不与U轴相切。

如图3所示由于暗电流是由阴极的热电子发射及光电管管壳漏电等原因产生，与阴极正向光电流相比，其值很小，且基本上随电位差U呈线性变化，因此可忽略其对遏止电位差的影响阳极反向电流虽然在实验中较显著，但它服从一定规律据此，确定遏止电位差值，可采用以下两种方法： ⑴ 交点法 光电管阳极用逸出功较大的材料制作，制作过程中尽量防止阴极材料蒸发，实验前对光电管阳极通电，减少其上溅射的阴极材料，实验中避免入射光直接照射到阳极上，这样可使它的反向电流大大减少，其伏安特性曲线与图2十分接近，因此曲线与U轴交点的电位差值近似等于遏止电位差Ua ，此即为交点法 ⑵ 拐点法 光电管阳极反向电流虽然较大，但在结构设计上，若使反向光电流能较快地饱和，则伏安特性曲线在反向电流进入饱和段后有着明显的拐点，如图3中虚线所示的理论曲线下移为实线所示的实测曲线，遏止电位差Ua也下移到U’a点因此测出U’a点即测出了理论值Ua 四四四四、、、、实验组织运行要求实验组织运行要求实验组织运行要求实验组织运行要求 图 3 光电管的伏安特性曲线 Ua U’a  52 本实验以学生自主训练为主的开放模式组织教学 五五五五、、、、实验条件实验条件实验条件实验条件 杭州大华仪器制造有限公司的 DH-GD-1 型普朗克常数测试仪。

六六六六、、、、实验步骤实验步骤实验步骤实验步骤 1、实验前准备 （1）将测试仪及汞灯电源接通，预热 20 分钟 （2）把汞灯及光电管暗箱遮光盖盖上，将汞灯暗箱光输出口对准光电管暗箱光输入口，调整光电管与汞灯距离为约 40cm，并保持不变 （3） 用专用连接线将光电管暗箱电压输入端与测试仪电压输出端 （后面板上）连接起来（红—红，兰—兰） 将“电流量程”选择开关置于所选档位，仪器在充分预热后，进行测试前调零，旋转“调零”旋钮使电流指示为 000.0 （4）用高频匹配电缆将光电管暗箱电流输出端 K 与测试仪微电流输入端（后面板上）连接起来 2、测光电管的伏安特性曲线 将电压选择按键置于-2V～+30V，根据光电流的大小；将“电流量程”选择开关置于1010−A 或1110−A 档； 将直径 2mm 的光阑及 435.8nm 的滤色片装在光电管暗箱光输入口上 （1）从低到高调节电压，记录电流从零到非零点所对应的电压值作为第一组数据，以后电压每变化一定值记录一组数据到表 1 中 注意注意注意注意：：：：由于光电管会随着光源、环境以及时间的变化而变化，测量光电流时，选定AKU后，应取光电流读数的平均值。

（2） 在AKU为 30V 时， 根据光电流的大小， 将 “电流量程” 选择开关置于1010−A或910−A 档，记录光阑分别为 2mm,4mm，8mm 时对应的电流于表 2 中 （3）换上直径 4mm 的光阑及 546.1nm 的滤色片，重复（1） 、 （2）测量步骤 （4）用表 1 数据在坐标纸上作对应于以上两种波长及光强的伏安特性曲线由于照射到光电管上的光强与光阑面积成正比，用表 2 数据验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比 表 1 AKUI −关系 AKU（V） 435.8nm 光阑 2mm )10(11AI−× AKU（V） 546.1nm 光阑 4mm )10(11AI−×  53 表 2 PIM−关系 AKU= V 光阑孔Φ 435.8nm )10(11AI−× 光阑孔Φ 546.1nm )10(11AI−× 3、测普朗克常数 h 理论上， 测出个频率的光照射下阴极电流为零时对应的AKU， 其绝对值即该频率的截止电压，然而实际上由于光电管的阳极反向电流，暗电流，本底电流及极间接触电位差的影响， 实测电流并非阴极电流， 实测电流为零时对应的AKU也并非截止电压。

光电管制作过程中阳极往往被污染，粘上少许阴极材料，入射光照射阳极或入射光从阴极反射到阳极之后都会造成阳极光电子发射，AKU为负值时， 阳极发射的电子向阴极迁移构成了阳极反向电流 暗电流和本底电流是热激发产生的光电流与杂散光照射光电管产生的光电流，可以在光电管制作或测量过程中采取适当措施以减少或消除他们的影响 极间接触电位差与入射光频率无光，只影响0U 的准确性，不影响ν−0U直线斜率，对测定 h 无影响 此外，由于截止电压是光电流为零时对应的电压，若电流放大器灵敏度不够，或稳定性不好，都会给测量带来较大的误差 本实验仪器采用了新型结构的光电管由于其特殊结构使光不能直接照射到阳极，由阴极反射到阳极的光也很少，而且阳极反向电流大大降低，暗电流也很小由于本仪器的特点，在测量各谱线的截止电压0U 时，可不用难于操作的“拐点法” ，而用“零电流法”或“补偿法” 零电流法零电流法零电流法零电流法是直接将各谱线照射下测得的电流为零时对应的电压AKU的绝对值作为截止电压0U此法的前提是阳极反向电流，暗电流和本底电流都很小，用零电流法测得的截止电压与真实值相差很小且各谱线的截止电压都相差U，对ν−0U曲线的斜率无大的影响，因此对 h 的测量不会产生大的影响。

补偿法补偿法补偿法补偿法是调节电压AKU使电流为零后，保持AKU不变，遮挡汞灯光源，此时测 54 得的电流1I为电压接近截止电压时的暗电流和本底电流重新让汞灯照射光电管，调节电压AKU使电流值至1I，将此时对应的电压AKU的绝对值作为截止电压0U此法可补偿暗电流和本底电流对测量结果的影响 测量：将选择按键置于-2V～+2V 档；将“电流量程”选择开关置于1210−A 档，将测试仪电流输入电缆断开，调零后重新接上；将直径 4mm 的光阑及 365.0nm 的滤色片装在光电管暗箱光输入口上 从低到高调节电压，用“零电流法”或“补偿法”测量该波长对应的0U并将数据记于表 3 中 表 3 ν−0U关系 光阑孔Φ= mm 波长λ（nm） 365.0 404.7 435.8 546.1 577.0 频率ν（Hz1410×） 8.216 7.410 6.882 5.492 5.196 截止电压)(0VU 4、数据处理 根据上表数据作 U0-ν关系图，可得一直线，说明光电效应的实验结果与爱因斯坦光电方程是相符合的用该直线的斜率ehν0=∆∆U，乘以电子电荷 e（1.602×10-19C） ，求得普朗克常量。

将所测得的普朗克常量与公认值作比较，并计算出相对误差，进行分析 七七七七、、、、思考题思考题思考题思考题 1、何谓光电效应？如果一种物质逸出功为 2.0ev，那么它做成光电管阴极时能探测的波长红限是多少？ 2、光电子的能量随光强变化吗？ 3、光电流的大小随光强变化吗？ 4、何谓截止电压？ 5、光电管的反向电流是如何产生的？ 6、光电管的暗电流是如何产生的？ 7、光电管的本底电流是如何产生的？ 八八八八、、、、实验报告实验报告实验报告实验报告 结合参考文献及实验指导书预习实验原理及步骤实验结果完整、准确记录， 55 实验报告应包括实验名称、实验目的、实验步骤、实验数据及处理结果、及思考题回答 九九九九、、、、其它说明其它说明其它说明其它说明 注意事项 （1）汞灯关闭后，不要立即开启电源必须等灯丝冷却后，再开启，否则会影响汞灯寿命 （2）光电管应保持清洁，避免用手摸，而且应放置在遮光罩内，不用时禁止用光照射 （3）滤光片要保持清洁，禁止用手摸光学面 （4）在光电管不使用时，要断掉施加在光电管阳极与阴极间的电压，保护光电管，防止意外的光线照射  56 实验实验实验实验 8：：：：小型棱镜摄谱仪小型棱镜摄谱仪小型棱镜摄谱仪小型棱镜摄谱仪 实验学时：2 实验类型： （综合） 实验要求： （必修） 一一一一、、、、实验目的实验目的实验目的实验目的 1．了解摄谱仪的结构、原理和使用方法，学习小型摄谱仪的定标方法。

2．观察物质的发射光谱，测定氢原子光谱线的波长，验证原子光谱的规律性，测定氢原子光谱的里德堡常数 3．学习物理量的比较测量方法 二二二二、、、、实验内容实验内容实验内容实验内容 1.测出氢光谱在可见光区域的几条较亮谱线的波长，并求出氢的里德伯常数 2.测出已知波长为1λ的各氦氖谱线的位置1y拟合出)(λfy=的函数，并在同一条件下测出未知波长值得氢谱线的位置HY代入函数)(λfy=求出其波长值 三三三三、、、、实验原理实验原理实验原理实验原理、、、、方法和手段方法和手段方法和手段方法和手段 任何一种原子受到激发后，当由高能级跃迁到低能级时，将辐射出一定能量的光子，光子的波长为λ，由能级间的能量差决定： Ehc∆=λ 式中，h为普朗克常数，c 为光速不同，λ也不同同一种原子所辐射的不同波长的光，经色散后按一定程序排列而成的光谱，称发射光谱 不同元素的原子结构是不相同的，因而受激发后所辐射的光波具有不同的波长，也就是有不同的发射光谱通过对发射光谱的测量和分析，可确定物质的元素成分，这种分析方法称为光谱分析通过光谱分析，不仅可以定性地分析物质的组成，还可以定量地确定待测物质所含各种元素的多少。

发射光谱分析常用摄谱仪进行 小型棱镜摄谱仪，是以棱镜作为色散系统，观察或拍摄物质的发射光谱 1．氢原子光谱的规律 1885 瑞士物理学家巴尔末发现，氢原子发射的光谱，在可见光区域内，遵循一定的规律，谱线的波长满足巴尔末公式：  57 )4(220−=nnnλλ （1） 式中，n=3，4，5，组成一个谱线系，称为巴尔末线系用波数（λ1~=v）表示的巴尔末公式为： )121(1~22nRvHnn−==λ ， ...5 , 4 , 3=n （2） 式（2）中，HR称为氢原子光谱的里德堡常数 用摄谱仪测出巴尔末线系各谱线的波长后，就可由式（2）算出里德堡常数HR，若与公认值HR=1.096776相比，在一定误差范围内，就能验证巴尔末公式和氢原子光谱的规律 2. 摄谱仪基本结构 摄谱仪的光学系统原理如图一所示，自光源S发出的光，经聚光镜会聚于可调狭缝上，调节狭缝以获得一束宽度、光强适当的光，此光经准直透镜后成平行光射到棱镜上，再经棱镜折射色散，由另一聚光镜成像于接收系统以上元部件均安装在导轨上。

下面分别介绍摄谱仪的几个主要元部件  58 图一 狭缝头由狭缝片、狭缝盖、哈特曼光栏、刻度手轮、曝光开关等组成 狭缝头是光谱仪中最精密、最重要的机械部分，它用来限制入射光束，构成光谱的实际光源，直接决定谱线的质量 狭缝片由一对能对称分合的刀口组成，其分合动作由刻度手轮控制刻度手轮是保持狭缝精密的重要部分，因此转动手轮时一定要用力均匀、轻柔，狭缝盖内装有能左右拉动的哈特曼栏板，盖外装有可左右拉动控制狭缝开、闭的曝光的开关 哈特曼光栏是用来改变谱线在照相胶片上的位置，以便对三种谱线进行比较当板上三条刻线与狭缝盖边缘相切时，表示光栏板上的三个椭圆孔相应地移到狭缝的正前方，从而选择光谱在胶片上的位置 曝光开关还兼有防尘作用，在不使用时应把它关闭 色散系统是一个恒偏向棱镜，它使光线在色散的同时又偏转90o棱镜本身也可绕铅直轴转动 小型棱镜摄谱仪的接收系统有三种①照相机；②看谱目镜；③出射狭缝 若装上照相机，则光谱可成像在毛玻璃屏上，调焦清晰后，取下毛玻璃屏换上感光胶片，即可曝光拍摄光谱线 若装上出射狭缝，则构成一个单色仪，转动棱镜转角调节轮，可使聚焦于出射 59 狭缝的不同光谱线射出，以获得所需的单色光。

若装上看谱目镜系统，则可直接用眼睛观察光谱线本实验利用看谱系统进行各种发射光谱线波长的测量在看谱目镜视场中有一小的黑三角，作为测量谱线波长的基准当转动棱镜转角调节轮时，棱镜位置旋转，出射的光谱线位置也跟着移动，当在所需读出的谱线移到黑三角位置处时，可由与转角调节轮相连的螺旋刻度尺上读出此时棱镜的相对位置欲知此时谱线波长的数值，则需先对螺旋刻度尺进行定标校正 3. 汞、氢光谱的标准波长表 光源 颜色和波长（nm） 蓝 蓝 蓝绿 蓝绿 蓝绿 蓝绿 黄 红 红 氦 438.79 447.15 471.32 492.19 501.57 504.77 587.56 667.82 706.57 紫 紫 蓝 蓝绿 绿 黄 黄 红 汞 404.66 407.80 435.84 491.60 546.07 576.96 579.07 623.40 紫 蓝 红 氢 434.05 486.13 656.28 四四四四、、、、实验组织运行要求实验组织运行要求实验组织运行要求实验组织运行要求 本实验以学生自主训练为主的开放模式组织教学 五五五五、、、、实验条件实验条件实验条件实验条件 小型摄谱仪、汞灯及镇流器、氢灯及电源、调压变压器。

六六六六、、、、实验步骤实验步骤实验步骤实验步骤 主要步骤如下： 1、在摄谱仪导轨上安装好聚光镜及氢放电管，先粗调她们与狭缝等高，再调节使放电管正好成像在狭缝上，这时从目镜中可见到氢光谱线 2、在氢放电管与聚光镜之间安放半透般反镜，得用它再调氦氖放电管位置，使其也成像在狭缝上，这时目镜中可同时看到氢光谱线及氦氖谱线设法记住氢谱 60 线的大致位置，对照实验室准备的光谱图，辨认出各条氢谱线两侧的几条较亮的氦氖谱线所对应的波长 3、测量氢谱线红线位置及其两侧的五条氦氖谱线的位置五条氦氖谱线的选择应使待测氢线位于中间一条氦氖谱线的长波一侧，且与它相邻六条谱线的位置应一次顺序测出，用同样的方法分别对氢光谱的兰、紫谱线及其相邻的各组氦氖谱线位置进行测量 4、用微机处理测量数据求出氢谱线的波长可见光范围内氢谱线相应于（2）式中的5 , 4 , 3=n和 6 的波长连约为 656nm，486nm，434nm 和 410nm计算所得的氢线波长值相对应的空气折射率为 N=1.000285， 因为已知氦氖谱线的波长也是在 N 为000005. 0000285. 1±范围内时的值 5、由氢谱线波长找出合适的n值，分别利用（2）式求出里德伯常数式， （2）式中的波长应为真空中的波长。

七七七七、、、、思考题思考题思考题思考题 1．要能在看谱目镜中看到不同波长的谱线，应如何调节？各谱线出射时的相对位置应在何处读出？ 3．氢原子光谱的巴尔末线系三条谱线的量子数 n 各为多少？ 4．要使比较光谱的各个光源的位置都位于摄谱仪准直透镜的光轴上，应怎样进行调节？ 5．利用比较光谱测定光波波长的原理是什么？ 6．为什么感光片必须位于一定的倾斜的位置上，才能使可见光区的所有谱线清晰？ 7．你知道有哪些测定光波波长的方法？你已作过的实验有哪几种？试比较它们的 61 特点 八八八八、、、、实验报告实验报告实验报告实验报告 结合参考文献及实验指导书预习实验原理及步骤实验结果完整、准确记录，实验报告应包括实验名称、实验目的、实验步骤、实验数据及处理结果、及思考题回答 九九九九、、、、其它说明其它说明其它说明其它说明 注意事项注意事项注意事项注意事项： 1．光谱仪中的狭缝是比较精密的机械装置，实验中不要任意调节旋转转角调节轮时，动作一定要缓慢禁止用手触摸透镜等光学元件 2．氢光源使用的是高压电源，应特别小心开灯前，先将调压变压器置于低电压处，然后通电源，慢慢地调节变压器升压到氢光源稳定发光。

关灯时，先把变压器降到最低电压，再断开电源 。