近代物理实验指导书

近代物理实验指导书商丘师范学院物理与信息工程系编目录实验一密立根油滴实验…………………………………………………..………..……………………1实验二夫兰克—赫兹实验…………………………………………………..……………………………5实验三氢原子光谱的拍摄………….………………………………………...……………………….....8实验四氢原子光谱波长的测量…………………………………………………...………………….....11实验五塞曼效应实验……………………………………………………………..……………………14实验六用快速电子验证相对论效应实验……………………………………..………………………17实验七核磁共振……………………………………………………………………………………….26实验八光拍法测量光的速度……………………………………………………………………………30实验九电子自旋磁共振(顺磁共振)…………………………………………………………………….37实验十高温超导基本特性的测量………………………………………………………………………41实验十一全息照相………………………………………………………………………………………44…………………………-1-实验一密立根油滴实验一、实验目的（1）测定电子电荷e（2）验证电荷的量子性。二、实验仪器智能MOD—5型密立根油滴实验仪（一）主要仪器：CCD摄像显微镜、照明光路、照明光源、油滴盒、高压电源、微处理器电路、电路箱、监视器和喷雾器、油等附件与备件油滴盒是本仪器很重要部件，机械加工要求很高，其结构见图一图一图二1．油雾室2.油雾孔开关3.防风罩4.上电极板5.胶本圆环6.下电极板7.底板8.上盖板9.喷雾口10.油雾孔11.上电极板压簧12.油滴盒基座目镜处装有测量CCD摄像头，通过胶木圆环上的观察孔观察平行板间的油滴。仪器内部装有电子分划板，用以测量油滴运动的距离ι。分划板的刻度如图二所示。（二）仪器面板结构如图三所示图三仪器面板结构-2-1．电源开关按钮：按下按钮，电源接通，整机工作。2．功能控制开关：有测量、清零、平衡、升、降五档。（1）当拨杆置“平衡”挡时，可用平衡电压调节旋钮来调节平衡电压，使被测量油滴处于平衡状态。（2）当拨杆置“升”挡时，上下电极在平衡电压的基础上自动叠加DC150V～250V的提升电压。（3）当拨杆置“降”档时，极板间电压为0V，被测量油滴处于被测量阶段而匀速下落，并同步计时；油滴下落到预定距离时，迅速将拨杆置“平衡”挡，同步停止计时。3．平衡电压调节旋钮：可调节“平衡”档时的极板间电压，调节电压DC0～400V左右。4．数字电压表：显示上下电极板间的实际电压。5．数字秒表：显示被测量油滴下降预定距离间的时间。6．照明灯室：内置半永久性照明灯，单灯使用寿命大于三年。7．水泡：调节仪器底部两只调平螺丝，使水泡处于中间，此时平行板处于水平位置。8．上、下电极：组成一个平行板电容器，加上电压时，板间形成相对均匀电磁场，可使带电油滴处于平衡状态（参见实验原理）。9．秒表清零键：按一下该键，清除内存，秒表显示“00.00”秒。三、实验原理一个质量为m，带电量为ｑ的油滴处在二块平行极板之间，在平行极板未加电压时，油滴受重力作用而加速下降，由于空气阻力的作用，下降一段距离后，油滴将作匀速运动，速度为Vg，这时重力与阻力平衡（空气浮力忽略不计），如图所示。根据斯托克斯定律，粘滞阻力为faVrg6式中是空气的粘滞系数，ａ是油滴的半径，这时有6aVmgg（1-3-１）当在平行极板上加电压V时，油滴处在场强为Ｅ的静电场中，设电场力qＥ与重力相反，如右图所示，使油滴受电场力加速上升，由于空气阻力作用，上升一段距离后，油滴所受的空气阻力、重力与电场力达到平衡（空气浮力忽略不计），则油滴将以匀速上升，此时速度为Ｖｅ，则有：mgqEVag6（1-3-２）又因为Ｅ＝Ｖ／ｄ（1-3-３）由上述（１-3-1）、（1-3-２）、（1-3-３）式可解出qmgdVVVVgeg（1-3-４）为测定油滴所带电荷ｑ，除应测出Ｖ、ｄ和速度Ｖｅ、Ｖｇ外，还需知油滴质量ｍ，由于空气中悬浮和表面张力作用，可将油滴看作圆球，设油滴的密度是，其质量为ma433/（1-3-５）-3-由（1-3-１）和（1-3-５）式，得油滴的半径aVqg9212（1-3-６）考虑到油滴非常小，空气已不能看成连续媒质，空气的粘滞系数应修正为1bpa（1-3-７）式中ｂ为修正常数，ｐ为空气压强，ａ为未经修正过的油滴半径，由于它在修正项中，不必计算得很精确，由（1-3-６）式计算就够了．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gt，匀速上升的时间ｔe，则ggtlV/，eetlV/（1-3-８）将（５）、（６）、（７）、（８）式代入（４），可得2/12/31111218ggetttVdpablgq令Kglbpad182132/得2/1111ggetttKq/V（1-3-９）此式是动态（非平衡）法测油滴电荷的公式。下面导出静态（平衡）法测油滴电荷的公式。调节平行极板间的电压，使油滴不动，Ve=0，即ｔｅ，由（1-3-９）式可得VtKqg112/3或者qgltbpadV182132/（1-3-１０）上式即为静态法测油滴电荷的公式。为了求电子电荷ｅ，对实验测得的各个电荷ｑ求最大公约数，就是基本电荷ｅ的值，也就是电子电荷ｅ，也可以测得同一油滴所带电荷的改变量q1（可以用紫外线或放射源照射油滴，使它所带电荷改变），这时q1应近似为某一最小单位的整数倍，此最小单位即为基本电荷ｅ。-4-四、实验步骤1.将工作电压选择开关置“下落”位置，调仪器水平.2.打开电源开关、显示器开关，则在显示器中可看到分画板，分画板应横平竖直。否则，需调整目镜中分画板状态，然后，细心的将CCD摄像头放好。3.调焦：将细铜丝（或头发）插入电容器内，调节调焦手轮，直至显示器中看到细锐明亮的象4.放好油雾室，使喷口置右前侧。打开油雾孔开关5.喷雾。并调节调焦手轮，使油滴清晰6.将工作电压开关置“平衡”位置，并加250V左右的电压，观察并选择油滴7.练习测量：学习选择并控制油滴（平衡电压250V，下降时间20s）8.打开微机点密立根油滴实验图标油滴实验开始实验密立根油滴实验对话框中，填入平衡电压V，确定测量方法（一般采用静态法），并用鼠标同步跟踪显示器中油滴的运动（或者采用油滴实验仪上计时仪器），以确定其下降时间计算油滴带电量接受本次实验数据进入下一次测量9.要求对每一个油滴测7个数据，。至少测6个不同油滴。（可6次选择，也可对同一个油滴改变其带电量）。10.记录数据要求：记录每一个油滴的一个平衡电压值、一个下降时间值和7个带电量数据。仪器使用注意喷雾器内的油不可装得太满，否则会喷出很多“油”而不是“油雾”，堵塞上电极的落油孔。每次实验完毕应及时揩擦上极板及油雾室内的积油！喷油时喷雾器的喷头不要深入喷油孔内，防止大颗粒油滴堵塞落油孔。喷雾器的汽囊不耐油，实验后，将汽囊与金属件分离保管较好，可延长使用寿命。如需打开机器检查，一定要拔下电源插头再进行！关于测量练习练习是顺利做好实验的重要一环，包括练习控制油滴运动，练习测量油滴运动时间和练习选择合适的油滴。选择一颗合适的油滴十分重要。大而亮的油滴必然质量大，所带电荷也多，而匀速下降时间则很短，增大了测量误差和给数据处理带来困难。通常选择平衡电压为200～300Ｖ，匀速下落1.5mm的时间在8-20S左右的油滴较适宜。喷油后，置“平衡”档,调W使极板电压为200～300Ｖ，注意几颗缓慢运动、较为清晰明亮的油滴。试置“0V”档，观察各颗油滴下落大概的速度，从中选一颗作为测量对象。对于９英寸监视器，目视油滴直径在0.5～1mm左右的较适宜。过小的油滴观察困难,布朗运动明显，会引入较大的测量误差。判断油滴是否平衡要有足够的耐性。用平衡电压将油滴移至某条刻度线上，仔细调节平衡电压，这样反复操作几次，经一段时间观察油滴确实不再移动才认为是平衡了。测准油滴上升或下降某段距离所需的时间，一是要统一油滴到达刻度线什么位置才认为油滴已踏-5-线，二是眼睛要平视刻度线，不要有夹角。反复练习几次，使测出的各次时间的离散性较小。五、数据处理1.建议用逐差法处理数据，找出minq后，再用它去确定iq对应的in，然后由iq和取整后的'in去确定ie。2.最后由ie去确定e，并表示为_eee。六、思考与讨论1)对实验结果造成影响的主要因素有哪些？2)如何判断油滴盒内平行极板是否水平？不水平对实验结果有何影响？3)用CCD成像系统观测油滴比直接从显微镜中观测有何优点？-6-实验二夫兰克——赫兹实验一、实验目的（1）.明确原子内部能级的存在（2）.测量氩原子的第一激发电势二、实验仪器THONH-2夫兰克——赫兹实验仪三、实验原理1913年玻尔提出了新的原子理论。根据玻尔理论。原子只能较长久地停留在一些稳定状态（即定态），其中每一状态对应于一定的能量值，各定态的能量是分立的。原子只能吸收或辐射相当于两定态间能量差的能量。如果处于基态的原子要发生状态改变，所具备的能量不能少于原子从基态跃迁到第一激发态时所需要的能量。图2－3－1夫兰克—赫兹实验原理图夫兰克一赫兹实验是通过具有一定能量的电子与原子碰撞，进行能量交换而实现原子从基态到高能态的跃迁。设氩原子的基态能量为1E，第一激发态的能量为2E，初速为零的电子在电位差为V0的加速电场作用下，获得能量为eV0，具有这种能量的电子与氩原子发生碰撞，当电子能量：0eV＜2E1E时，电子与氩原子只能发生弹性碰撞，由于电子质量比汞原子质量小得多，电子能量损失很少。如果0eV2E1E时，则电子与氩原子会产生非弹性碰撞、氩原子从电子中取得能量ΔE而由基态跃迁到第一激发态，eV=ΔE。相应的电位差V，即为氩原子的第一激发电位。夫兰克一赫兹实验原理如图2－3－1所示，在充氩的夫兰克一赫兹管中，电子由热阴极发出，阴极K和栅极G2之间的加速电压U,使电子加速。在极板A和栅极G2之间加有减速电压UR，管内电位分布如图1－2－2所示，-7-图2－3－2夫兰克—赫兹管管内电位分布当电子通过KG2空间进入G2A空间时。如果能量大于eUR,就能达到板极形成板流。电子在KG2空间与汞原子发生了非弹性碰撞后，电子本身剩余的能量小于eUR则电子不能到达板极，板极电流将会随栅极电压增加而减少。实验时使U逐渐增加，仔细观察板极电流的变化我们将观察到如图1－2－3所示的IA-U曲线。图2－3－3夫兰克—赫兹管的IA-VGK曲线F-H管内充氩，灯丝加热K使其发射电子，UG控制通过G1的电子数目，U加速电子，G1、G2空间较大，提供足够的碰撞概率，A接收电子，AG2加一扼止电压，使失去动能的电子不能到达，形成电流。随着U的增加，电子能量增加。当电子与氩原子碰撞后还留下足够的能量，可以克服G2A空间的减速场而到达板极A时。板极电流又开始上升。如果电子在KG2空间得到的能量eV＝2ΔE时,电子在KG2空间会因二次弹性碰撞而失去能量，而造成第二次板极电流下降。在U较高的情况下，电子在跑向栅极的路程中，将与汞原子发生多次非弹性碰撞、只要U=nV（n＝1，2，…），就发生这种碰撞。在IA-U曲线上将出现多次下降。对于氩，曲线上相邻两峰（或谷）对应的U之差，即为原子的第一激发电位。如果氩原子从第一激发态又跃迁到基态，这就应当有相同的能量以光的形式放出，其波长可以计算出来。从曲线上可以看出，当U从0开始逐渐增到大于UR的值后，IA才逐渐有增，直至U增到一定值开始下降。这表明有一部分电子经非弹性碰撞的量子化能量损失以后折回了