實驗報告
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同組姓名：實驗日期：2007/11/22 指導教師：批閱日期：
夫蘭克-赫茲實驗中弱電流的測量
實驗目的：
1.了解原子能量量子化，測定汞或氬原子的第一激發電勢；
2.了解整合運算放大器的基本單元電路原理；
3.利用運算放大器的放大作用，組成測量電路進行弱電流測量。
實驗原理：
1.弗蘭克-赫茲實驗
根據量子理論，原子只能處在一系列不連續的能量狀態，稱為定態。相應的定態能量稱
為能級。原子的能量要發生變化，必須在兩個定態之間以躍遷的方式進行。當基態原子與帶一定能量的電子發生碰撞時，可以使原子從基態躍遷到高能態
式中，為第一激發態能量（第一激發態是距基態最近的乙個能態），為基態能
量，為該原子第一激發能。
figure 1: 弗蘭克-赫茲實驗的原理
弗蘭克-赫茲實驗的原理可由圖1來說明。電子由陰極發出經由電壓形成的電場加速而趨向板極，只要電子能量足以克服減速電壓形成的電場時，就能穿過柵極到達板極形成電流。由於管中充有氣體原子，電子前進的途中要與原子發生碰撞。
如果電子能量小第一激發能，它們之間的碰撞是彈性的，根據彈性碰撞前後系統動量和動能守恆原理不難推得，電子損失的能量極小，電子能如期的到達板極，形成電流，將隨著的增大而增大。但當電子能量達到時，電子與原子將在附近發生第一次非彈性碰撞，電子把能量傳給氣體原子。碰撞後電子失去動能，損失了能量的電子將無法克服減速場到達板極造成了電流ip的第一次下降。
若使繼需增大，電子在經歷了第一次非彈性碰撞後，仍有
剩餘動能到達板極，電流又會上公升，直到達到兩倍的時，使電子與原子發生兩次非
彈性碰撞，電流又再度**，餘可類推。如此反覆將出現圖2的曲線。
圖2: 弗蘭克-赫茲實驗曲線
1.整合運算放大器
整合運算放大器是一種能夠檢測和放大支流與交流訊號的固體器件。它具有輸入阻抗高，開環增益高以及輸出阻抗小等特點。目前廣泛應用於計算機、自動控制、無線電技術和各種非電量的電測線路中。
整合運算放大器的主要引數如下：
●輸出最大電壓在額定電壓下，整合運放所輸出的最大不失真電壓的峰-峰值為，
一般是小於電源電壓。
●開環增益它定義為運算放大器在沒有任何外部反饋情況下的差動直流電壓放大倍數，
即它是在放大器開環情況下，輸出電壓與輸入差動電壓的比值，即
可達以上。
●輸入阻抗整合運放的輸入阻抗，其數值較大，一般為幾兆歐，這樣輸入電流可
以忽略。
●輸出阻抗整合運放的輸出阻抗，其數值較小，一般最多幾百歐，這樣放大器
的輸出受負載的影響較小。
綜上所述，整合運放具有開環增益高、輸入阻抗高、輸出阻抗低、漂移小、可靠性高、
體積小等優點。
4.弗蘭克-赫茲(f-h)實驗中弱電流的測量
弗蘭克-赫茲實驗中達到板極的電流極弱，約為，對電流計的靈敏度要求較高，若採用電流計，則它的內阻較大(～)，對原電路有影響。故本實驗採用運算放大電路（圖三）對弗蘭克-赫茲實驗中的板極電流進行測量。
圖3: 弗實驗裝置圖資料處理：
燈絲電壓正向小電壓減速電壓
接入整合運放後的資料**：
將增加為之後的資料**： 影象
由逐差法得:
(595) ( 5+ 9
δ √5×∑( )
r 9 %
102030405060708090 20
4060
80100
v g2k (v)
i p ( a)
由逐差法得:
(5 7+ 57 + 9 + 7)×5
δ √×∑( )
∴{ 5± r 9 %
020********* 2
4v g2k (v)
i p (m a)
由逐差法得:
(5 + +7
δ √59
9 r 7 7%
分析討論
實驗中的注意事項
1. 每次實驗接線後，必須仔細檢查線路，確保無誤時，才能接入± 5 電源及輸入端的信
號源。更換電路元件時，必須先切斷電源。
2. 接線要牢固、整齊、合理，訊號源的「地」、運算放大器的「地」及萬用表的「地」線
要相連線。用充汞的實驗管做實驗時，應先加熱電爐至指定溫度，再開啟其它電源。
3. 應密切關注電流值，以防止管擊穿。一旦擊穿發生，則應立即調低加速電壓，以
免管受損。
4. 如用充汞管則應先開啟加熱電爐至指定溫度，再開啟其它電源。
5. 不同實驗條件有不同的擊穿值。擊穿發生後應立即調低值，以免管受損。
6. 燈絲電壓不宜放得過大，宜在左右。
-2024********
161820222426v g2k (v)
i p (m a )
思考題1.考察實驗條件對曲線的影響（如曲線形狀、擊穿電壓等）。
答：加速電壓必須保證管不被擊穿，實際儀器提供不超過9 ；燈絲電壓影響逸出電子的數目，從而影響電流的大小。故燈絲電壓大會使峰相對「瘦高」，v f 小會使峰相對「矮」；減速電壓的改變會影響到達p的電子數目，從而使峰變低變窄；
正向小電壓對電子有一定加速作用，並能清除處電子的堆積作用。實際實驗中，增大導致了峰變矮（比較圖6與圖5可得）。
2.考察週期變化與能級關係，如果出現差異估計是什麼原因？
答：可能的原因：
由於氬原子被激發到了更高的能級，消耗了更多的能量；
與不是嚴格意義上的相關關係，正向小電壓會對曲線產生影響，使呈現遞
增趨勢；
儀器預熱不夠充分以及外部環境改變對電壓產生細微的影響。
3.第一峰位置為何與第一激發電位有偏差？
答：受的影響，處的電子有一定初速度，而又由於的影響，並不是所有到達的電子都能最終形成電流，理想情況是，電子恰好能形成電流。觀察實驗得到的三條曲線都在大概10v 左右才開始有明顯的增大，也說明時恰好形成電流。
這樣從電壓開始才有的迴圈往復關係。所以第一激發電位有偏差。
4.對於本實驗的放大電路，其電流放大倍數為多少？請解釋？
答：所以放大倍數為。
5.萬用表的內阻是否需要考慮，為什麼？
答：不需考慮。萬用表內阻，可忽略。
附加思考題
實驗中的訊號十分微弱，致使訊號穩定性較差，如何解決弱訊號的測量問題？
答：由於訊號微弱，受外界干擾會比較明顯，所以要盡量避免人為的干擾，比如移動桌椅、觸碰儀器。手機等電子產品產生的電磁波也會對訊號產生干擾，所以實驗時應關掉手機或使其原理實驗儀器。
然後就是應選用合適的放大器來放大微弱的電流，使之容易測量。所選的放大器應該具有盡量大的輸入電阻和盡量小的輸出電阻，這樣能夠盡量將原訊號線性地放大，而盡量少地產生非線性失真。
實驗前應使儀器充分預熱。但在實際實驗中，如果固定不變，可以發現幾乎一直在變化，這是儀器不能充分預熱導致的。在實際實驗中，很難達到理想的\充分預熱"狀態，只能讓儀器盡量預熱，使固定時變化不是太快，然後盡量動作快地進行測量。
因為測量用的時間越長，變化帶來的累積誤差就越多。
關於實驗中操作
由於對曲線的第一峰影響較大，可考慮降低的值，如果此時電流過大，可調
節和：●如果電流過小，可增大或減小；
●如果電流過大，可減小或增大。
理論分析得對電流影響較大，實驗結果表明對電流的影響比較小。
夫蘭克 赫茲實驗報告
一 實驗目的 1 測量氬原子的第一激發電勢，證明原子能級的存在，從而加深對量子化概念的認識。2 加深對熱電子發射的理解，學習將電子與原子碰撞微觀過程與巨集觀物理量相結合的實驗設計方法。3 了解微電流的測量方法。二 實驗儀器 夫蘭克 赫茲實驗儀 含夫蘭克 赫茲管 微電流放大器等 微機等 三 實驗原理 ...
弗蘭克 赫茲實驗報告
一 實驗目的 1 了解弗蘭克 赫茲試驗的原理和方法 2 學習測定氬原子的第一激發電位的方法 3 證明原子能級的存在，加強對能級概念的理解。二 實驗原理 玻爾提出的原子理論指出 原子只能較長地停留在一些穩定的狀態。原子在這種狀態時，不發射或吸收能量。各定態有一定的能量，其數值是彼此分隔得。原子的能量不...
弗蘭克赫茲實驗報告
實驗背景 1914年，德國物理學家夫蘭克和赫茲對勒納用來測量電離電位的實驗裝置作了改進。他們採取慢電子 幾個到幾十個電子伏特 與單元素氣體原子碰撞的辦法，著重觀察碰撞後電子發生什麼變化 勒納則觀察碰撞後離子流的情況 通過實驗測量，電子和原子碰撞時會交換某一定值的能量，且可以使原子從低能級激發到高能級...