讨论如何分析手中的数据.doc

1、讨论：如何分析手中的数据夫兰克赫兹实验的数据研究 -0519040 宁文正物理是一门实验性学科，我们的学习过程既是将前人留下的宝贵资料和经验在我们手中重现，也是为了让我们亲历用实验方法研究物理现象和规律，对我们在书本中所掌握的知识有更加直接的认识，同时，培养了我们严谨的实验态度和良好的实验素质。而我们自己，则更应致力于实验现象观察，收集实验数据，通过分析阐明观察结果，从而得出描述实验结果的理论。这次的论文，我想通过一个我在近代物理实验这门课程中自己动手完成的实验，来阐明我的观点：一次成功的实验，最重要的是仔细认真地总结实验现象和实验数据，同时严格缜密的分析实验现象和推导实验数据。实验之前在一个

2、实验之前，我们首先应该进行充分的预习，通过了解书上所描述的实验内容，和进行一些实验方案设计的思考。如：1 为什么常用电子来研究原子的特性？参考实验原理，设汞原子的基态能量为 E0，第一激发态的能量为 E1，初速为零的电子在电位差为 V 的加速电场作用下，获得能量为 eV，具有这种能量的电子与汞原子发生碰撞，当电子能量 eVE1-E0 时，电子与汞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 eV E1-E0=E，则电子与汞原子会产生非弹性碰撞，汞原子从电子中取得能量 E，而由基态跃迁到第一激发态，E=eV0 。相应的电位差 V0 即为汞原子的第一激发电位。使用其

3、它粒子，虽然在高能下碰撞依然会使汞原子发生能量越迁，但是碰撞的同时会导致粒子间进行动能的传递，从而无法通过对电子能量的研究来得到汞原子激发需要的能量。2 如何在误差尽量小的前提下选取实验条件的初始数据？1）高温带来的高蒸汽压可以使电子的平均自由程变短，在图像上峰的间距变小，但是过低的温度或者过高的电压也会导致气体电离。因此我们需要找一个合适的温度进行实验。本次实验中选取了 180 摄氏度和 160 摄氏度 2 种条件进行对比。2）灯丝电压对电子的发射频率有很大的影响，故在实验中取不同的灯丝电压进行对比3）电子的加速电压 VG1K 上限是以管子不发生电离为界，在实验中可以通过改变其数据来观察对实

4、验的影响。4）减速电压使能量较低的电子不能到达板极，在实验中应寻找一个最佳的板极电压来进行后续数据的测量，同时也可以改变此电压来观察对实验的影响。实验中的问题研究1。如何测量汞原子的第一激发电位根据在实验预习中总结出来的经验，寻找一组合适的数据进行实验。Vk=1.4V VG1K=1.5V VG2P=3.0V T=180 摄氏度 VG1G2=0-75.7v 获得数据图形如下通过扫描电压我们可以计算得到单位格子代表的电压大小为 8.23v然后计算出每个峰值对应的电压大小分别为（取误差最小的前 6 组）6.58v 11.11v 15.64v 20.58v 25.51v 30.45v 35.80v对手

5、中的数据进行直线拟合，可以得到如下结论：2008-4-9 18:03 “/Graph1“ (2454635)Linear Regression for Data1_B:Y = A + B * XParameter Value Error-A 1.35143 0.2595B 4.86464 0.05803-R SD N P-0.99964 0.30705 7 0.0001 通过实验中得到的图象计算出来的汞原子第一激发电位是4.86 464v，与标准值4.89v误差接近1%。因为h= eVg 所以 c/= eVg = hc/ ( eVg)代入数值得 = 2500 埃这是汞原子退激时所辐射的光波的波

6、长 ,这说明了 F H 实验证明原子内部能量是量子化的正确性。1234567510520530540 BLinear Fitof Dat1_B2 改变夫兰克赫兹实验测汞原子的第一激发电位的实验条件 ,实验图象改变所反映的物理过程及实质。正如实验预习中所设想，我们对实验条件的初始数据进行改变。1） 改变 VG2P 对数据的影响图像 1 VG2P=3.0V 图像 2 VG2P=4.0V图 2 相比图 1，增大了 VG2P ，因此要求通过栅极 G2 的电子具有更高的能量才能到达板极P。由于电子的能量并未提高, 这使能到达板极 P 的电子数减少,故电流 Ip 减小。2）改变 VG1K 对数据的影响图像

7、 1 VG1K=1.5V 图像 3 VG1K=2.0V图 3 和图 1 相比，增大了 VG1K 使得更多的电子能在加速电压下到达 G1 板，从而导致更大的电流通过。在图中进行实际数据测量，对第一个明显峰和之后第一个谷的高度差进行估计，发现图 1 中高度差为 3.35 单位格，图 2 中为 4.00 单位格。3）改变灯丝电压 Vk图像 1 Vk=1.4V 图像 4 Vk=1.2V从图像中可以明显看出，减小灯丝电压导致电流的减小。电流 Ip 的减小是由于电压的减小使阴极 K 所发出的电子减少,那么在碰撞后能到达板极 P 的电子数相应减少,所以板极 P 上的电流 Ip 减小。4）不同温度情况下的数据

8、图像 1 T=180 摄氏度 图像 5 T=160 摄氏度 此 2 组数据分别为 180 摄氏度和 160 摄氏度下相同实验条件的图像，图像 1 中峰间距更加小，图像 5 中电流上升的更快，可以看出，高温使峰间距变的更小，而低温的环境更容易使气体过早产生电离。 5）I-U 曲线中第一个峰的位置是否对应于汞原子的第一激发电位？对于图像 1 进行的数据拟合可以得出结论：接触电压 u=1.35143v，第一个峰位电压为6.38v。而汞原子第一激发电位为 4.86464v。可以得出结论：由于接触电位差的存在,使真正加在电子上的加速电压不等于 Vg2 ,而是 Vg2 与接触电位的代数和,这影响了夫兰克赫

9、兹实验曲线第一峰值的位置,使图象发生偏移。实验小结1 这次实验中，我们收获了什么？通过对实验中获取的数据进行分析对比，我们对实验中的各种参数对实验的具体影响有了明确的认识，很好的说明了我们的理论推测与实验现象是相符的。理论与实践的相符是我们成功获得结果的必然 ,而理解和分析实验现象是我们掌握和运用规律的前提,夫兰克赫兹实验不仅成功地证明了粒子轨道的量子效应，恰恰也证明了这一点。2通过一个学期的近代物理实验，我们学到了什么？我们接触到的近代物理实验，都是在近代物理发展史中起过重要作用的物理实验的影印，其中很多实验获得过诺贝尔奖。而老师开设这门课程，目的就是让我们通过自己的动手，切身体会到当年完成

10、这个实验的物理学家，他们自身对这个实验的感受和认知。因此，我们在实验中最需要保证的就是严谨的实验态度和良好的实验手法，对实验中可能产生的误差进行尽可能的减小和排除，力求将实验的精确度还原到物理学家亲手做的那样。另外，我们在实验中记录实验现象和获取实验数据的过程中，应将所有满意的，符合预计的现象和数据与有偏差的，在预计之外的现象和数据全部进行详细的记录。一方面，物理学家们在当时完成这些实验时，获取的数据本身就是一种“预期之外” ；另一方面，只有不放过实验中的每一细节，认真研究实验中出现的现象，才能在我们预期设计的实验中，获得额外的发现和收获。因此，对于我们亲手去做的近代物理实验，最重要的是仔细认真地总结实验现象和实验数据，同时严格缜密的分析实验现象和推导实验数据。参考文献：近代物理实验 复旦大学出版社量子力学 苏汝铿夫兰克赫兹实验的研究 宋文福 冯正南 朱 力