《大学物理实验》课程教学资源（教案）夫兰克-赫兹实验

大学物理实验教案夫兰克-赫兹实验实验题目实验性质2教师基本实验实验学时黄勇1.学习测定原子第一激发电位的方法。教学目的2.通过实验证明原子能级的存在。3.进一步学习示波器使用重点用逐差法求氩原子的第一激发电位1．玻尔的原子理论难点2.如何判断电流表示值刚反向变化时间课前的准备：1.仪器设备的检查，注意要校准码。时间的掌握：留由5分钟机动的时间。2.实验的预做。3.作出数据表格设计的参考。课上教学的设计：一、课上的常规检查（预习报告、数据表格的设计等）。(5分钟)(30分钟)二、讲解的设计1、引言夫兰克-赫兹实验是物理学史上一个著名的实验。1913年玻尔发教表了原子结构的量子理论，第二年夫兰克和赫兹用慢电子与稀薄汞蒸学过汽原子碰撞的方法，发现原子吸收能量是不连续的，并测定了汞原子程的第一激发电位，从而直接地证明了原子能级的存在，为玻尔的原子的模型提供了实验证据。为此，他们获得了1925年的诺贝尔物理学奖。设计2、提出本实验的目的与任务，讲授为完成本实验设计思想和设计原则实验原理根据玻尔理论，处于基态的原子状态发生改变时，所需能量不能小于从基态跃迁到第一激发态所需的能量（称为临界能量）。设原子基态能量为E1，第一激发态能量为E2，初速度为零的电子在电势差为u的加速电场作用下获得能量eu。当eu小于临界能量（E2-Ei）时，电子与原子只能发生弹性碰撞，电子在碰后没有明显的能量损失：当eu大于临界能量时，电子与原子发生非弹性碰撞，原子将从电子搜取E2-E1的能量而从基态跃迁到第一激发态。对应于使电子恰好具有

大 学 物 理 实 验 教 案 实验题目 夫兰克-赫兹实验 实验性质 基本实验 实验学时 2 教师 黄 勇 教学目的 1. 学习测定原子第一激发电位的方法。 2. 通过实验证明原子能级的存在。 3. 进一步学习示波器使用。 重 点 用逐差法求氩原子的第一激发电位 难 点 1． 玻尔的原子理论 2． 如何判断电流表示值刚反向变化时间 教 学 过 程 的 设 计 课前的准备： 1.仪器设备的检查，注意要校准砝码。 2.实验的预做。 3.作出数据表格设计的参考。 课上教学的设计： 一、课上的常规检查 （预习报告、数据表格的设计等）。 (5 分钟) 二、讲解的设计 (30 分钟) 1、引言 夫兰克-赫兹实验是物理学史上一个著名的实验。1913 年玻尔发 表了原子结构的量子理论，第二年夫兰克和赫兹用慢电子与稀薄汞蒸 汽原子碰撞的方法，发现原子吸收能量是不连续的，并测定了汞原子 的第一激发电位，从而直接地证明了原子能级的存在，为玻尔的原子 模型提供了实验证据。为此，他们获得了 1925 年的诺贝尔物理学奖。 2、提出本实验的目的与任务，讲授为完成本实验设计思想和设计 原则 实验原理 根据玻尔理论，处于基态的原子状态发生改变时，所需能量不能 小于从基态跃迁到第一激发态所需的能量（称为临界能量）。设原子基 态能量为 E1，第一激发态能量为 E2，初速度为零的电子在电势差为 u 的加速电场作用下获得能量 eu。当 eu 小于临界能量（E2 - E1）时， 电子与原子只能发生弹性碰撞，电子在碰后没有明显的能量损失；当 eu 大于临界能量时，电子与原子发生非弹性碰撞，原子将从电子攫取 E2 - E1 的能量而从基态跃迁到第一激发态。对应于使电子恰好具有 时间的掌握：留由 5 分 钟机动的时间

E2－Ei能量的加速场电势差uo称为原子的第一激发电位（或者中肯电位），因而有euo=E2-E原子处于激发态是不稳定的，它可通过自发辐射跃迁回到基态，辐射的光子频率是v=E,-E_euhh在实验中，我们采用充氩F-H管，测定氩的第一激发电位。当加速电压UG2逐渐增大，可观察到屏流IA随UG2变化的规律，IA一UG2曲线如图4-15-2所示，它反映了氩原子在K、Gz空间与电子进行能量交换的情况。在加速电压UG2小于、等于拒斥电压UG2A时，屏流为零，当加速电压大于拒斥电压（这里强调“大于”，是考虑了发射电子需要的逸出功）并继续增加时，屏流IA出现并随之升高（如曲线oa段）。如果将IA出现时UG2的值视为零，当加速电压UG2再增大到等于或大于氩原子的第一激发电位时，在帘栅极G2附近，由于电子与氩原子发生非弹性碰撞，几乎把全部能量都传给了氩原子并使之激发，而电子本身因损失了能量不能克服拒斥电场到达屏极，会出现屏流IA显著减少，如曲线中ab段。继续增加UG2，电子能量也随之增加，在与氩原子碰撞后仍有足够的能量以克服拒斥电场而到达屏极A，这时电流又开始上升（曲线中bc段），直到UG2是氩原子激发电位的2倍（2uo）时，电子在栅极G2附近又会因两次与氩原子碰撞损失能量而不能克服拒斥电场的作用到达屏极，屏流IA第二次下跌（cd段）。同理，只要在UG2=nuo(n=1,2,3....)处，屏流都会下跌，形成有规则起伏的IA—UG2曲线。曲线中相邻峰值（或谷值）对应加速电压之差，就是氩原子的第一激发电位1u0。3、实验的拓展：（由本实验的完成深化和延伸所学的知识，启发学生利用现有的设备拓展出新的实验内容，培养学生的创新思维和创新能力。）讲逐差法1)、G和K之间加有正向电压UGi主要用以清除空间电荷对阴极发射电子的影响，研究调节其变化对实验结果的影响。2）、夫兰克-赫兹实验最佳工作参量的确定。4.数据的测量与处理要求用逐差法处理数据

E2 - E1 能量的加速场电势差 u0 称为原子的第一激发电位（或者中肯 电位），因而有 eu0 = E2- E1 原子处于激发态是不稳定的，它可通过自发辐射跃迁回到基态， 辐射的光子频率是 2 1 0 E E eu v h h − = = 在实验中，我们采用充氩 F-H 管，测定氩的第一激发电位。当加 速电压 UG2 逐渐增大，可观察到屏流 IA 随 UG2 变化的规律，IA—UG2 曲线如图 4-15-2 所示，它反映了氩原子在 K、G2 空间与电子进行能量 交换的情况。 在加速电压 UG2 小于、等于拒斥电压 UG2A 时，屏流为零，当加速电压 大于拒斥电压（这里强调“大于”，是考虑了发射电子需要的逸出功） 并继续增加时，屏流 IA 出现并随之升高（如曲线 oa 段）。如果将 IA 出现时 UG2 的值视为零，当加速电压 UG2 再增大到等于或大于氩原子 的第一激发电位时，在帘栅极 G2 附近，由于电子与氩原子发生非弹性 碰撞，几乎把全部能量都传给了氩原子并使之激发，而电子本身因损 失了能量不能克服拒斥电场到达屏极，会出现屏流 IA 显著减少，如曲 线中 ab 段。继续增加 UG2，电子能量也随之增加，在与氩原子碰撞后 仍有足够的能量以克服拒斥电场而到达屏极 A，这时电流又开始上升 （曲线中 bc 段），直到 UG2 是氩原子激发电位的 2 倍（2u0）时，电子 在栅极 G2 附近又会因两次与氩原子碰撞损失能量而不能克服拒斥电 场的作用到达屏极，屏流 IA 第二次下跌（cd 段）。同理，只要在 UG2=nu0(n=1,2,3.)处，屏流都会下跌，形成有规则起伏的 IA—UG2 曲线。曲线中相邻峰值（或谷值）对应加速电压之差，就是氩原子的 第一激发电位 u0 。 3、实验的拓展：(由本实验的完成深化和延伸所学的知识，启发学 生利用现有的设备拓展出新的实验内容,培养学生的创新思维和创新 能力。) 1）、G1 和 K 之间加有正向电压 UG1 主要用以清除空间电荷对阴极发 射电子的影响，研究调节其变化对实验结果的影响。 2）、夫兰克-赫兹实验最佳工作参量的确定。 4.数据的测量与处理 要求用逐差法处理数据. 讲逐差法

5．介绍主要仪器设备与使用6.强调实验中要注意的问题1）、微电流倍程开关”3置于10-9档。2）、根据板流IA调节灯丝电压值要使IA的第六个峰值接近满量程。3）、观察板流IA是否随加速电压的增加周期性地出现明显的六次峰、谷值，若峰、谷不明显，可适当改变拒斥电压值。注意观察峰、谷大约对应的加速电压值。（50分钟）三、学生的实验开始四、指导实验实验前30分钟不解答问题，给学生自己理解消化的时间，30分钟后边指导边提出一些问题启发学生解答.重点辅导：五、检查实验的结果，签字六、实验小结（实验结束前的5分钟）1、实验中有哪些影响测量准确度的因素？2、用逐差法处理实验数据时，峰谷电压的计算有区别吗？3、拓展题目完成的意义。课1.分析本实验主要误差来源，用逐差法计算峰、谷各自的3Uo，再算Uo，求平均值及后思其不确定度。考2.试根据测量结果计算处于第一激发态的氩原子返回基态时所产生的光辐射的波长。题1王丽香，李宝胜。夫兰克-赫兹实验最佳工作参量的确定物理实验.2006，vol.26(10)参38-40考文2.王梅生.弗兰克-赫兹实验中的峰间距问题.物理实验，2001,vol.21(11)：40-43献

5．介绍主要仪器设备与使用 6．强调实验中要注意的问题 1）、微电流倍程开关”3 置于 10-9 档。 2）、根据板流 IA 调节灯丝电压值要使 IA 的第六个峰值接近满量程。 3）、观察板流 IA 是否随加速电压的增加周期性地出现明显的六次 峰、谷值，若峰、谷不明显，可适当改变拒斥电压值。注意观察峰、 谷大约对应的加速电压值。 三、学生的实验开始 (50 分钟) 四、指导实验 实验前 30 分钟不解答问题,给学生自己理解消化的时间,30 分钟 后边指导边提出一些问题启发学生解答.重点辅导: 五、检查实验的结果,签字 六、实验小结 （实验结束前的 5 分钟） 1、实验中有哪些影响测量准确度的因素？ 2、用逐差法处理实验数据时，峰谷电压的计算有区别吗？ 3、拓展题目完成的意义。 课 后 思 考 题 1．分析本实验主要误差来源，用逐差法计算峰、谷各自的 3U0，再算 U0，求平均值及 其不确定度。 2．试根据测量结果计算处于第一激发态的氩原子返回基态时所产生的光辐射的波长。 参 考 文 献 1. 王丽香,李宝胜. 夫兰克-赫兹实验最佳工作参量的确定. 物理实验. 2006, vol.26(10): 38-40 2.王梅生. 弗兰克-赫兹实验中的峰间距问题. 物理实验. 2001, vol.21(11): 40-43

《物理实验》教案（弗兰克一赫兹实验）黄勇武汉理工大学一一理学院实验中心

《物理实验》教案 （弗兰克-赫兹实验） 黄勇 武汉理工大学——理学院实验中心