一种开放式弗兰克-赫兹实验仪及方法技术

本发明专利技术涉及一种开放式弗兰克

【技术实现步骤摘要】
一种开放式弗兰克
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赫兹实验仪及方法


[0001]本专利技术涉及大学物理实验教学仪器，具体涉及一种氩原子弗兰克
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赫兹实验仪及方法。

技术介绍

[0002]1914年，德国物理学家弗兰克(J.Frank)和赫兹(G.Hertz)在研究放电现象中低能电子与原子间相互作用时发现，充汞弗兰克
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赫兹管内的电子流随加速电子能量增加呈现周期性变化，为原子能级模型提供了直接实验证据。电子与原子碰撞是在弗兰克
‑
赫兹管内进行，其结构如图1(左)所示。以氩原子为例，电子由阴极K发出，在K与栅极G之间加电场使电子加速，在G与屏极P之间有一反向拒斥电压，当电子通过K
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G空间，进入G
‑
P空间时，如果仍有较大能量，就能冲过拒斥电场而达到屏极P，成为通过电流计的电流，如果电子在K
‑
G空间与原子碰撞，把自己一部分的能量给了原子，使后者被激发，电子剩余的能量就可能很小，以致过栅极G后不足以克服反向拒斥电压，就不能达到屏极P，因而也不流过电流计，如果发生这样情况的电子很多，电流计中的电流就要显著地降低，为了消除空间电荷对阴极电子发射的影响，在阴极附近再增加一个栅极，构成四极管。阴极K，屏极P，G1，G2分别为第一、第二栅极。U
G1K
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，G2‑
P加反向电压，形成拒斥电场，电子从K发出，在K
‑
G2区间获得能量，在G2‑
P区间损失能量，如果电子进人G2‑
P区域时动能大于或等于eU
G2K
，就能到达屏极形成电流I。由于原子内部能量是量子化的，因此屏极的电流会随着加速电压的增加而发生规律性的起伏变化，相邻两个波峰或波谷的电位差就是原子的激发态电位。
[0003]弗兰克
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赫兹实验是经典物理学实验之一，已被引入到大学物理实验课程教学中。国内许多高校都在近代物理实验课程开设了弗兰克
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赫兹实验教学，主要以集成化“氩原子弗兰克
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赫兹实验仪”为主要教学设备，能够演示氩原子第一激发态的受激现象，测量氩原子的第一激发态的激发电位。目前利用集成化“弗兰克
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赫兹实验仪”开展物理实验教学存在诸多问题：仪器结构封闭，参数调节范围小，实验内容单一。学生只能被动使用成套商业化仪器，不能主动操作实验设备或自由组合实验设备，无法自主探索新颖的物理现象。

技术实现思路

[0004]本专利技术技术解决问题：针对现有技术的不足，提供一种开放式弗兰克
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赫兹实验仪及方法，可以自由组合实验设备，自主搭建测试电路，观察氩原子激发态的激发现象；测量氩原子激发态的激发电位以及真空电子管的特性曲线。本专利技术提供的弗兰克
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赫兹实验仪具有开放式结构特征，功能模块自由组合，动手实践性强；参数调节范围广，实现现象新颖；研究内容丰富，自由探索性强。
[0005]第一方面，本专利技术提供一种开放式弗兰克
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赫兹实验仪，所述实验仪具有开放式结构特征，功能模块自由组合，既能完成充氩电子管的氩原子激发态电位测量，也能完成真空电子管的特性曲线测量；所述实验仪的功能模块包括：信号发生器、数字示波器、直流电源
与开放式弗兰克
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赫兹实验装置；所述开放式弗兰克
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赫兹实验装置由功能模块构成，包括充氩电子管、真空电子管、运算放大器、低通滤波电路、仪表放大器、纳安电流表、电位器与电池；
[0006]所述氩原子激发态电位观察和测量如下：
[0007]使用的功能模块有：充氩电子管、信号发生器、运算放大器、直流电源、电池1、电位器、电池2、仪表放大器、低通滤波电路、数字示波器和纳安电流表；
[0008]各个功能模块的连接及工作过程为：直流电源连接充氩电子管，调控充氩电子管的灯丝电压和栅极电压；电池1连接电位器接入充氩电子管，通过电位器调控充氩电子管的拒斥电压，电池2为仪表放大器提供工作电源。采用数字示波器观察充氩电子管信号时，信号发生器与运算放大器连接，接入充氩电子管的阴极和第一栅极的之间，第一栅极的扫描电压在0V至80V之间，能够实现氩原子更高激发态的观测；第一栅极的扫描电压大于80V时，能够实现氩原子电离现象的观测。采用纳安电流表测量充氩电子管信号时，充氩电子管的电信号经过低通滤波电路后，输入纳安电流表显示出充氩电子管的电流变化，能够测量氩原子激发态电位。
[0009]所述真空电子管的特性曲线测量为：使用的功能模块有真空电子管、信号发生器、运算放大器、直流电源、数字示波器和纳安电流表；
[0010]各个功能模块的连接及工作过程为：直流电源连接真空电子管，调控真空电子管的灯丝电压和栅极电压，信号发生器连接运算放大器产生电信号输入真空电子管；真空电子管的电信号输入数字示波器显示出真空电子管的特性曲线或者真空电子管的电信号输入纳安电流表显示出真空电子管的电流变化。
[0011]第二方面，本专利技术提供一种开放式弗兰克
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赫兹实验方法，实现如下：
[0012](1)氩原子激发态电位的观察和测量为：
[0013]使用充氩电子管，观察氩原子激发态的激发曲线，直流电源接入充氩电子管，分别调控充氩电子管的灯丝电压、第一栅极电压；电池1接入充氩电子管，通过电位器调控其拒斥电压；电池2为仪表放大器提供工作电源；信号发生器产生锯齿电压信号，运算放大器对电压信号放大处理后输入充氩电子管的第二栅极；充氩电子管的电流信号依次经过仪表放大器放大并转化为电压信号，经过低通滤波电路处理后，输入数字示波器，第二栅极的扫描电压在0V至80V之间，实时显示氩原子第一激发态的激发曲线；或者充氩电子管的电流信号经过低通滤波电路处理后，输入纳安电流表，实时显示充氩电子管的电流变化，能够测量氩原子第一激发态电位；
[0014]直流电源接入充氩电子管，分别调控充氩电子管的灯丝电压、第二栅极电压；电池1接入充氩电子管，通过电位器调控其拒斥电压；电池2为仪表放大器提供工作电源；信号发生器产生锯齿电压信号，运算放大器对电压信号放大处理后输入充氩电子管的第一栅极；采用数字示波器观察充氩电子管信号时，充氩电子管的电流信号依次经过仪表放大器放大并转化为电压信号，经过低通滤波电路处理后，输入数字示波器，第一栅极的扫描电压在0V至80V之间，实时显示氩原子更高激发态的激发曲线，第一栅极的扫描电压大于80V时，实现氩原子电离现象的观测；采用纳安电流表测量充氩电子管信号时，充氩电子管的电流信号经过低通滤波电路处理后，输入纳安电流表，实时显示充氩电子管的电流变化，能够测量氩原子更高激发态电位；
[0015](2)真空电子管的特性曲线测量为
[0016]使用真空电子管，观察真空电子管的特性曲线如下：直流电源接入真空电子管，分别调控真空电子管的灯丝电压、栅极电压和屏极电压，信号发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种开放式弗兰克
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赫兹实验仪，其特征在于：所述实验仪具有开放式结构特征，功能模块自由组合，既能完成充氩电子管的氩原子激发态电位观察和测量，也能完成真空电子管的特性曲线观察和测量；所述实验仪的功能模块包括：信号发生器、数字示波器、直流电源与开放式弗兰克
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赫兹实验装置；所述开放式弗兰克
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赫兹实验装置由功能模块构成，包括充氩电子管、真空电子管、运算放大器、低通滤波电路、仪表放大器、纳安电流表、电位器与电池；所述氩原子激发态电位观察和测量如下：使用的功能模块有：充氩电子管、信号发生器、运算放大器、直流电源、电池1、电位器、电池2、仪表放大器、低通滤波电路、数字示波器和纳安电流表；各个功能模块的连接及工作过程为：直流电源连接充氩电子管，调控充氩电子管的灯丝电压和栅极电压；电池1连接电位器接入充氩电子管，通过电位器调控充氩电子管的拒斥电压，电池2为仪表放大器提供工作电源；采用数字示波器观察充氩电子管信号时，信号发生器与运算放大器连接，接入充氩电子管的阴极和第一栅极的之间，第一栅极的扫描电压在0V至80V之间，能够实现氩原子更高激发态的观察；第一栅极的扫描电压大于80V时，能够实现氩原子电离现象的观察；采用纳安电流表测量充氩电子管信号时，充氩电子管的电信号经过低通滤波电路后，输入纳安电流表显示出充氩电子管的电流变化，能够测量氩原子激发态电位。所述真空电子管的特性曲线测量为：使用的功能模块有真空电子管、信号发生器、运算放大器、直流电源、数字示波器和纳安电流表；各个功能模块的连接及工作过程为：直流电源连接真空电子管，调控真空电子管的灯丝电压和栅极电压，信号发生器连接运算放大器产生电信号输入真空电子管；真空电子管的电信号输入数字示波器显示出真空电子管的特性曲线或者真空电子管的电信号输入纳安电流表显示出真空电子管的电流变化。2.一种开放式弗兰克
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赫...

【专利技术属性】
技术研发人员：代如成，王延祺，石青田，张怡，董天佐，孙晓宇，王中平，张增明，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：