实验内容及步骤
(1)开机
①熟悉实验仪使用方法并按要求连接夫兰克赫兹管各组工作电源线,检查无误后开机。将实验仪预热20~30 min。
②开机后的初始状态如下:
a.实验仪的“1 mA”电流挡位指示灯亮,表明此时电流的量程为1 mA挡;电流显示值为“0000.”(10-7A);
b.实验仪的“灯丝电压”挡位指示灯亮,表明此时修改的电压为灯丝电压;电压显示值为“000.0 V”;最后一位在闪动,表明现在修改位为最后一位;
c.“手动”指示灯亮,表明此时实验操作方式为手动操作。
以上情况,表明仪器工作正常。
(2)氩元素的第一激发电位测量
1)手动测试
①设置仪器为“手动”工作状态,按“手动/自动”键,“手动”指示灯亮。
②设定电流量程(电流量程可参考机箱盖上提供的数据),按下相应电流量程键,对应的量程指示灯点亮。
③设定电压源的电压值(设定值可参考机箱盖上提供的数据),用↓/↑,←/→键完成,需设定的电压源有:灯丝电压VF、第一加速电压VG1K、拒斥电压VG2A。
④按下“启动”键,实验开始。用↓/↑,←/→键完成VG2K电压值的调节,从0.0 V起,按步长1 V(或0.5 V)的电压值调节电压源VG2K,同步记录VG2K值和对应的IA值,同时仔细观察夫兰克⁃赫兹管的板极电流值IA的变化(可用示波器观察)。
切记为保证实验数据的唯一性VG2K电压必须从小到大单向调节,不可在过程中反复;记录完成最后一组数据后,立即将VG2K电压快速归零。
⑤重新启动。在手动测试的过程中,按下启动按键,VG2K的电压值将被设置为零,内部存储的测试数据被清除,示波器上显示的波形被清除,但VF、VG1K、VG2A、电流挡位等的状态不发生改变。这时,操作者可以在该状态下重新进行测试,或修改状态后再进行测试。
建议:手动测试IA-VG2K,进行一次或修改VF值再进行一次。
2)自动测试(https://www.daowen.com)
智能夫兰克⁃赫兹实验仪除可以进行手动测试外,还可以进行自动测试。进行自动测试时,实验仪将自动产生VG2K扫描电压,完成整个测试过程;将示波器与实验仪相连接,在示波器上可看到夫兰克⁃赫兹管板极电流随VG2K电压变化的波形。
①自动测试状态设置:自动测试时VF、VG1K、VG2A及电流挡位等状态设置的操作过程,夫兰克⁃赫兹管的连线操作过程与手动测试操作过程一样。
②VG2K扫描终止电压的设定:进行自动测试时,实验仪将自动产生VG2K扫描电压。实验仪默认VG2K扫描电压的初始值为零,VG2K扫描电压大约每0.4 s递增0.2 V,直到扫描终止电压。
要进行自动测试,必须设置电压VG2K的扫描终止电压。首先,将“手动/自动”测试键按下,自动测试指示灯亮;按下VG2K电压源选择键,VG2K电压源选择指示灯亮;用↓/↑,←/→键完成VG2K电压值的具体设定。VG2K设定终止值建议以不超过85 V为好。
③自动测试启动:将电压源选择选为VG2K,再按面板上的“启动”键,自动测试开始。
在自动测试过程中,观察扫描电压VG2K与夫兰克⁃赫兹管板极电流的相关变化情况(可通过示波器观察夫兰克⁃赫兹管板极电流IA随扫描电压VG2K变化的输出波形)。在自动测试过程中,为避免面板按键误操作,导致自动测试失败,面板上除“手动/自动”按键外的所有按键都被屏蔽禁止。
④自动测试过程正常结束:当扫描电压VG2K的电压值大于设定的测试终止电压值后,实验仪将自动结束本次自动测试过程,进入数据查询工作状态。
测试数据保留在实验仪主机的存储器中,供数据查询过程使用,所以,示波器仍可观测到本次测试数据所形成的波形。直到下次测试开始时才刷新存储器的内容。
⑤自动测试后的数据查询:自动测试过程正常结束后,实验仪进入数据查询工作状态。这时面板按键除测试电流指示区外,其他都已开启。自动测试指示灯亮,电流量程指示灯指示于本次测试的电流量程选择挡位;各电压源选择按键可选择各电压源的电压值指示,其中VF、VG1K、VG2A 3电压源只能显示原设定电压值,不能通过按键改变相应的电压值。用↓/↑,←/→键改变电压源VG2K的指示值,就可查阅到在本次测试过程中,电压源VG2K的扫描电压值为当前显示值时,对应的夫兰克⁃赫兹管板极电流值IA的大小,记录IA的峰、谷值和对应的VG2K值(为便于作图,在IA的峰、谷值附近需多取几点)。
⑥中断自动测试过程:在自动测试过程中,只要按下“手动/自动键”,手动测试指示灯亮,实验仪就中断了自动测试过程,原设置的电压状态被清除。所有按键都被再次开启工作。这时可进行下一次的测试准备工作。本次测试的数据依然保留在实验仪主机的存储器中,直到下次测试开始时才被清除。所以,示波器仍会观测到部分波形。
⑦结束查询过程回复初始状态:当需要结束查询过程时,只要按下“手动/自动”键,手动测试指示灯亮,查询过程结束,面板按键再次全部开启。原设置的电压状态被清除,实验仪存储的测试数据被清除,实验仪回复到初始状态。
建议:“自动测试”应变化两次VF值,测量两组IA⁃VG2K数据。若实验时间允许,还可变化VG1K、VG2A进行多次IA⁃VG2K测试。
(3)数据处理
①在坐标纸上描绘各组IA⁃VG2K数据对应曲线。
②计算每两个相邻峰或谷所对应的VG2K之差值ΔVG2K,并求出其平均值
0,将实验值
0与氩的第一激发电位U0=11.61 V比较,计算相对误差,并写出结果表达式。
③对不同工作条件下的各组曲线和对应的第一激发电位进行比较,分析哪些量发生了变化,哪些量基本不变,为什么?