第一篇：光電效應測普朗克常數實驗報告

普朗克常量的測定

【摘要】

本文介紹了大學物理實驗中常用的光電效應測普朗克常量實驗的基本原理及實驗操作過程，驗證了愛因斯坦光電效應方程并精確測量了普朗克常量，通過對實驗得出的數據仔細分析比較，探討了誤差現象及其產生的原因，根據實驗過程中得到的體會和思索，提出了一些改進實驗儀器和條件的設想。

【關鍵字】

愛因斯坦光電方程；光電流；普朗克常量

【 引言】

在文藝復興和工業革命后，物理學得到了迅猛的發展，在實際應用中也發揮了巨大的作用。此刻人們感覺物理學的大廈已經建成，剩下只是一些補充。直到19 世紀末，物理學領域出現了四大危機：光電效應、固體比熱、黑體輻射、原子光譜，其實驗現象用經典物理學的理論難以解釋，尤其對光電效應現象的解釋與理論大相徑庭。

光電效應最初是赫茲在 1886 年 12 月進行電磁波實驗研究中偶然發現的，雖然是偶然發現，但他立即意識到它的重要性，因此在以后的幾個月中他暫時放下了手頭的研究，對這一現象進行了專門的研究。雖然赫茲沒能給出光電效應以合理的解釋，但赫茲的論文發表后，光電效應成了 19 世紀末物理學中一個非常活躍的研究課題。勒納是赫茲的學生和助手，很早就對光電效應產生了興趣。1920年他發表論文介紹了他的研究成果，勒納得出，發射的電子數正比于入射光所帶的能量，電子的速度和動能與發射的電子數目完全無關，而只與波長有關，波長減少動能增加，每種金屬對應一特定頻率，當入射光小于這一頻率時，不發生光電效應。雖然勒納對光電效應的規律認識很清楚，但其解釋卻是錯誤的。

1905 年，愛伊斯坦在普朗克能量子的啟發下，提出了光量子的概念，并成功解釋了光電效應。接著，密立根對光電效應進行了 10 年左右的研究，與 1916年發表論文正是了愛因斯坦的正確性，并精確測出了普朗克常量。從而為量子物理學的誕生奠定了堅實的理論和實驗基礎，愛因斯坦和密立根都因為光電效應方面的杰出貢獻，分別于 1921 年和 1923 年獲得了諾貝爾物理學獎。

對光電效應的研究，使人們進一步認識到光的波粒二象性本質，促進了光電 子理論的簡歷和近代物理學的發展。利用光電效應制成電器件如光電管、光電池、光電倍增管等，已成為生產和科研中不可或缺的傳感和換能器。光電探測器和光電測量儀的應用也越來越廣泛。另外，利用光電效應還可以制一些光控繼電器，用于自動控制、自動設計數、自動報警、自動跟蹤等。

【實驗目的】

1、通過實驗深刻理解愛因斯坦的光電效應理論，了解光電效應的基本規律； 2、掌握用光電管進行光電效應研究的方法； 3 3、學習對光電管伏安特性曲線的處理方法，并用以測定普朗克常數 h。

【 儀器用具 】

普朗克常量測定儀一套，包括：工作臺、磁性底座、光電管、光源、濾色片或單色儀、微電流放大器等。

【實驗原理】1、光電效應與愛因斯坦方程

用合適頻率的光照射在某些金屬表面上時，會有電子從金屬表面逸出，這種現象叫做光電效應，從金屬表面逸出的電子叫光電子。為了解釋光電效應現象，愛因斯坦提出了“光量子”的概念，認為對于頻率為的光波，每個光子的能量為

式中，為普朗克常數，它的公認值是 =6.626。

按照愛因斯坦的理論，光電效應的實質是當光子和電子相碰撞時，光子把全部能量傳遞給電子，電子所獲得的能量，一部分用來克服金屬表面對它的約束，其余的能量則成為該光電子逸出金屬表面后的動能。愛因斯坦提出了著名的光電方程：

（1）

式中，? 為入射光的頻率，m 為電子的質量，v 為光電子逸出金屬表面的初速度，為被光線照射的金屬材料的逸出功，221mv為從金屬逸出的光電子的最大初動能。

由（1）式可見，入射到金屬表面的光頻率越高，逸出的電子動能必然也越大，所以即使陰極不加電壓也會有光電子落入陽極而形成光電流，甚至陽極電位比陰極電位低時也會有光電子落到陽極，直至陽極電位低于某一數值時，所有光電子都不能到達陽極，光電流才為零。這個相對于陰極為負值的陽極電位0U被稱為光電效應的截止電壓。

顯然，有

（2）

代入（1）式，即有

（3）

由上式可知，若光電子能量W h ? ?，則不能產生光電子。產生光電效應的最低頻率是hW?0?，通常稱為光電效應的截止頻率。不同材料有不同的逸出功，因而0?也不同。由于光的強弱決定于光量子的數量，所以光電流與入射光的強度成正比。又因為一個電子只能吸收一個光子的能量，所以光電子獲得的能量與光強無關，只與光子 ? 的頻率成正比，將（3）式改寫為

（4）

上式表明，截止電壓0U是入射光頻率 ? 的線性函數，如圖 2，當入射光的頻率0? ? ?時，截止電壓00? U，沒有光電子逸出。圖中的直線的斜率ehk ?是一個正的常數：

（5）

由此可見，只要用實驗方法作出不同頻率下的? ?0U曲線，并求出此曲線的斜率，就可以通過式（5）求出普朗克常數 h。其中

是電子的電量。

U 0-v

直線2、光電效應的伏安特性曲線

下圖是利用光電管進行光電效應實驗的原理圖。頻率為、強度為的光線照射到光電管陰極上，即有光電子從陰極逸出。如在陰極 K 和陽極 A 之間加正向電壓AKU，它使 K、A 之間建立起的電場對從光電管陰極逸出的光電子起加速作用，隨著電壓AKU的增加，到達陽極的光電子將逐漸增多。當正向電壓

增加到mU時，光電流達到最大，不再增加，此時即稱為飽和狀態，對應的光電流即稱為飽和光電流。

光電效應原理圖 由于光電子從陰極表面逸出時具有一定的初速度，所以當兩極間電位差為零時，仍有光電流 I 存在，若在兩極間施加一反向電壓，光電流隨之減少；當反向電壓達到截止電壓時，光電流為零。

愛因斯坦方程是在同種金屬做陰極和陽極，且陽極很小的理想狀態下導出的。實際上做陰極的金屬逸出功比作陽極的金屬逸出功小，所以實驗中存在著如下問題：

（1）暗電流和本底電流存在，可利用此，測出截止電壓（補償法）。

（2）陽極電流。制作光電管陰極時，陽極上也會被濺射有陰極材料，所以光入射到陽極上或由陰極反射到陽極上，陽極上也有光電子發射，就形成陽極電流。由于它們的存在，使得 I～U 曲線較理論曲線下移，如下圖所示。

伏安特性曲線

【實驗步驟】1、調整儀器

(1)連接儀器；接好電源，打開電源開關，充分預熱（不少于 20 分鐘）。

(2)在測量電路連接完畢后，沒有給測量信號時，旋轉“調零”旋鈕調零。每換一次量程，必須重新調零。

(3)取下暗盒光窗口遮光罩，換上 365.0nm 濾光片，取下汞燈出光窗口的遮光罩，裝好遮光筒，調節好暗盒與汞燈距離。2、測定光電管的暗電流

適當選取電壓和電流的的量程，在無光照的條件下，測出不同電壓下的相應暗電流值。3、測量光電管的伏安特性曲線

(1)取下暗盒蓋，讓光電管對準單色儀出射狹縫，按螺旋測微頭顯示的波長（210 ? nm）在可見光范圍內選擇一種波長輸出，根據微安表指示，找到峰值，并設置適當的倍率按鍵。

(2)選取適當的電壓和電流的的量程，從-1.50V 起測出不同電壓下的光電流，相繼選擇波長為 365nm，385nm，400，500nm，600nm，650nm 的單色光重復測量。

(3)選擇合適的坐標，分別作出兩種光闌下的光電管伏安特性曲線 U～I。

【實驗記錄與處理】

365nm

U/V

--2.50

--2.00

--1.60

--1.40

--1.38

--1.36

--1.34

--1.32

--1.30

I/410 ? ? μA

--22.0

--20.2

--18.6

--14.4

--13.8

--13.0

--11.9

--10.2

--8.9

U/V

--1.28

--1.26

--1.24

--1.20

--0.90

--0.60

--0.30

0 0

0.30

I/410 ? ? μA

--7.9

--6.0

--4.2

--0.3

55.4

122

202

280

342

2.5 2.0 1.5 1.0 0.550100***0

385nm

U/V

--3.00

--2.80

--2.60

--2.40

--2.30

--2.20

--2.10

--2.00

--1.90

I/410 ? ? μA

--39.0

--38.4

--38.0

--37.8

--37.2

--36.8

--36.4

--35.9

--35.4

U/V

--1.80

--1.70

--1.60

--1.50

--1.40

--1.10

--0.80

--0.50

--0.2

I/410 ? ? μA

--34.6

--34.2

--33.8

--32.2

--30.4

--5.8

219

360

3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.***

400nm

U/V

--3.00

--2.80

--2.60

--2.40

--2.30

--2.00

--1 1.80

--1.58

--1.38

I/410 ? ? μA

--54.2

--54.0

--53.8

--52.2

--52.0

--50.0

--48.2

--46.2

--44.2

U/V

--1.26

--1.16

--1.08

--1.00

--0.8

--0.52

--0.32

0.15

I/410 ? ? μA

--40.4

--34.0

--22.8

--4.8

84.4

258

418

698

3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.***0600700

500nm

U/V

--2.56

--2.17

--1.73

--1.51

--1.21

--0.93

--0.75

--0.66

--0.58

I/410 ? ? μA

--78.0

--76.2

--73.0

--70.2

--66.8

--60.8

--53.0

--39.9

--10.2

U/V

--0.32

--0.13

0 0

0.12

0.21

0.69

I/410 ? ? μA

222

468

2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.***00

600nm

U/V

--3.91

--2.51

--1.71

--0.86

--0.69

--0.51

--0.39

--0.34

--0.15

I/410 ? ? μA

--12.0

--11.6

--10.2

--8.5

--8.2

--6.6

--4.0

--1.4

34.0

U/V

--0.03

0.22

0.57

I/410 ? ? μA

80.0

140

1623 2 150100150

650nm

U/V

--2.63

--2.51

--2.24

--1.93

--1.79

--1.61

--1.51

--1.41

--1.29

I/510 ? ? μA

--45.0

--44.2

--43.9

--40.8

--39.0

--31.2

--26.2

--18.2

--5.9

U/V

--0.93

--0.62

0.19

0.91

1.75

2.28

I/510 ? ? μA

43.

7421 1 2204060

選取“抬頭點”，用直線模擬的如下圖 ：

4.0 10 11 4.5 10 11 5.0 10 11 5.5 10 11 6.0 10 11 6.5 10 11 7.0 10 110.20.40.60.81.01.2 經過擬合計算得到直線：

Y Y= = 2.729***3 ?? 3.***× 1015 ?x x

即斜率? ??U= =eh= = 3.***× 1015 ?

所以，h h ’= = 6.***× 1034 ?

經查閱，h=6.626076 × 1034 ?

% 410.4hh??? ?

【實驗分析討論】

本實驗中應用不同的方法都測出了普朗克常數，但都有一定的實驗誤差，據分析誤差產生原因是：

1、暗電流的影響，暗電流是光電管沒有受到光照射時，也會產生電流，它是由于熱電子發射、和光電管管殼漏電等原因造成； 2、本底電流的影響，本底電流是由于室內的各種漫反射光線射入光電管所致，它們均使光電流不可能降為零 且隨電壓的變化而變化。

3、光電管制作時產生的影響：（1）、由于制作光電管時，陽極上也往往濺射有陰極材料，所以當入射光射到陽極上或由陰極漫反射到陽極上時，陽極也有光電子發射，當陽極加負電位、陰極加正電位時，對陰極發射的光電子起了減速的作用，而對陽極的電子卻起了加速的作用，所以 I－U 關系曲線就和 IKA、UKA

曲線圖所示。為了精確地確定截止電壓 US，就必須去掉暗電流和反向電流的影響。以使由 I＝0 時位置來確定截止電壓 US 的大小；制作上的其他誤差。

4、實驗者自身的影響：（1）從不同頻率的伏安特性曲線讀到的“抬頭電壓”（截止電壓），不同人讀得的不一樣，經過處理后的到 U s____ v 曲線也不一樣，測出的數值就不一樣；（2）調零時，可能會出現誤差，及在測量時恐怕也會使原來調零的系統不再準確。

5、參考值本身就具有一定的精確度，本身就有一定的誤差。

6、理論本身就有一定的誤差，例如，1963 年 Ready 等人用激光作光電發射實驗時，發現了與愛因斯坦方程偏離的奇異光電發射。1968 年 Teich 和 Wolga用 GaAs 激光器發射的 h?=1.48eV 的光子照射逸出功為 A=2.3eV 的鈉金屬時，發現光電流與光強的平方成正比。按愛因斯坦方程，光子的頻率處于鈉的閥頻率以下，不會有光電子發射，然而新現象卻發生了，不但有光電子發射，而且光電流不是與光強成正比，而是與光強的平方成正比。于是，人們設想光子間進行了“合作”，兩個光子同時被電子吸收得以躍過表面能壘，稱為雙光子光電發射。后來，進一步的實驗表明，可以三個、多個、甚至 40 個光子同時被電子吸收而發射光電子，稱為多光子光電發射。人們推斷，n 光子的光電發射過程的光電流似乎應與光強的 n 次方成正比。

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第二篇：用光電效應測定普朗克常數-講稿

用光電效應測定普朗克常數

1887年，德國物理學家赫茲發現了光電效應現象。但是在當時，利用麥克斯韋經典電磁理論無法圓滿地解釋光電效應的一系列性質。直到1905年，愛因斯坦應用并發展了普朗克的量子理論，提出了“光量子”的概念，從而成功地解釋了光電效應的規律，得出了光電效應方程。后來，密立根對愛因斯坦的光量子理論進行了大量的實驗測量，于1915年準確地測定了普朗克常數h，有力地論證了愛因斯坦光量子理論的正確性。這二位物理學家都因光電效應等方面的杰出貢獻先后獲得了諾貝爾物理學獎。光電效應實驗和光量子理論在物理學發展史上具有非常重要的意義。利用光電效應制成的各種光電器件在工業生產、科研、軍用器材裝備中有非常廣泛的應用。如今我們重復前輩物理學家的實驗，不僅可以從中學到物理理論與物理方法、物理思想，而且可以學習他們堅忍不拔的毅力、嚴謹的科學態度，進一步提高大家的實驗能力和素質。

本次實驗課的目的是：

1、加深對光的量子性的理解；

2、驗證愛因斯坦光電效應方程，測量普朗克常數。

[實驗原理] 1．基本知識：

光電效應：一定頻率的光照射在某些金屬表面上時，有電子從金屬表面逸出，這種現象叫光電效應。所逸出的電子叫光電子，由光電子形成的電流叫光電流。

為了解釋光電效應，愛因斯坦提出了“光量子”假說：在真空中傳播的一束光就是一束以速度c運動的粒子流，這種粒子稱為光量子，簡稱光子。他認為頻率為ν的光的每一個光子所具有的能量為??h?，它不能再分割，而只能整個地被吸收或產生出來，h叫做普朗克常數。

愛因斯坦根據光量子假說理論，成功解釋了光電效應現象。他認為，當光子入射到金屬表面時，一個光子的能量hν一次地被金屬中的一個電子全部吸收。這些能量，一部分用來克服金屬表面對它的束縛而做功，即金屬的逸出功A，其余的能量則成為該電子逸出金屬表面后的動能，也就是光電子的初動能。這就是著名的愛因斯坦光電方程，即h??逸出功A是一個常數。

12mv0?A。對于確定的金屬，2是不是任何頻率的光照射在金屬上就一定會產生光電效應現象呢？如果光子能量hυ＜金屬的逸出功，光子的能量就不足以使電子從金屬中逸出，就不會產生光電效應現象，因此當光子能量等于金屬的逸出功時，就是產生光電效應的臨界條件，這時的頻率υ0就是產生光電效應的最低頻率，通常稱作光電效應的截止頻率，即?0?數。

以上是有關光電效應的一些基本知識，下面我們分析實驗原理。2．原理分析：

這就是實驗原理圖，它的核心是一個光電管，一束頻率為?的入射光照射到光電管的陰極K，會發生光電效應現象，就有電子從陰極K上逸出，這個回路就會產生光電流。當給光電管的陰極K和陽極A之間加一個反向電壓UKA時，它對逸出的光電子起減速作用。調節滑線變阻器，逐漸增大光電管兩端的反向電壓，當反向電壓UKA增至某一個值U0的時候，回路中的I光?0，這說明反向電壓U0剛好使陰極產生的光電子不能到達陽極，陰極光電子的初動能全部消耗于到達陽極的路上，全部用來克服反向電場而做了功，把這時候的反向電壓U0叫做截止電壓，即eU0?12mv0。當反向電壓大于等于截止電壓212mv0?A以及截止頻率2A，顯然某種金屬材料的截止頻率υ0也是一個常h時，光電流就等于零。把這個關系式和光電方程h??公式h?0?A聯立，就得到截止電壓的表達式U0?h(???0)。e我們對這個式子作幾點分析。首先從這個關系式里可以看出，對于某一光電管，h、e、υ0都是常數，因此截止電壓和入射光頻率是線性關系，斜率為h/e。做出U0~?的關系曲線，利用直線斜率求出普朗克常數。要做出U0~?的關系曲線，需要測出不同頻率光波入射時的截止電壓。因此，實驗的時候，首先要測出不同頻率的光入射時所對應的截止電壓，做出U0~?的關系曲線，如果是直線，就驗證了愛因斯坦的光電方程，并且根據直線的斜率就可以求出普朗克常數。所以，本實驗的關鍵在于正確地測出不同頻率光波入射時對應的截止電壓。下面我們來分析截止電壓的測量。這是光電管的伏安特性曲線，橫軸是光電管兩端的電壓，縱軸是光電管陰極所產生的光電流，虛線部分是給光電管加正向電壓時的曲線，隨著正向電壓的增大，光電流逐漸增大，當正向電壓增大到某個值時，電流就達到了飽和，這個就是飽和電流，這是正向電壓的部分曲線。隨著反向電壓的增大，光電流逐漸減小，那么當光電流剛好降為零時所對應的電壓值就是我們要求的截止電壓，而且當反向電壓大于等于截止電壓時，光電流始終是零，這部分應該是水平的。因此，要求某一頻率的光入射時的截止電壓，就要通過實驗測出不同電壓下的光電流的值，得到一系列對應的UKA和IKA，做出伏安特性曲線。對于這個實驗，我們只要做出反向特性曲線就足夠了，利用這段曲線就可以求出截止電壓U0。

這是在理論上分析的利用反向伏安特性曲線測量截止電壓的方法。實際實驗中，當用光照射光電管的陰極時，陽極也會產生一些光電子，還有陽極光電流的存在。另外，光電管在沒有光照的情況下還會產生暗電流，它們對測量得到的光電流的值都有影響。由于暗電流和陽極光電流的方向與陰極光電流的方向相反，這會使光電管的反向伏安特性曲線向下平移，實驗中當反向電壓等于截止電壓時，光電流并不為零，而是一個負值電流。因此，實際實驗時，光電流為零時的反向電壓不是截止電壓了。那截止電壓在什么位置哪？截止電壓仍然是曲線從接近水平的地方抬頭的拐點處，也就是光電流從不變化到突變時的電壓才是我們要測的截止電壓U0。下邊我們來看實驗儀器。

[實驗儀器] GD-III型光電效應實驗儀主要由高壓汞燈、光電管暗盒、微電流測量儀三部分組成。高壓汞燈的譜線范圍大約是300nm到870nm，為實驗提供需要的光波。為了避免雜散光和外界電磁場對微弱光電流的干擾，把光電管安裝在光電管暗盒里，在暗盒的窗口上安裝有濾色鏡和通光孔兩個轉盤，濾色鏡用來從光源濾選出不同頻率的光波；通光孔轉盤可以選擇不同的孔徑，改變孔徑就可以改變光強大小。微電流測量儀可以精確的測量微小電流，在本實驗中它有兩個的作用，一個是為光電管提供電壓，一個是用來測量光電管產生的微弱光電流的大小。我們來詳細看看微電流測量儀的結構。

先看它的背面板，背面有電源開關，電壓輸出接口給光電管提供電源，電流輸入接口測量光電流的大小。正面板上有兩個顯示屏，一個顯示待測光電流的值，它的左邊是電流倍率調節旋鈕，一個顯示光電管兩端的電壓，利用電壓調節旋鈕可以連續調節電壓的大小。中間是調零校準和測量轉換開關，調零校準時，扳到調零校準檔，把它扳到測量檔，就可以測量。

[實驗步驟] 1．開機預熱。將光源、光電管暗盒、微電流放大器安放在適當位置，將微電流測量放大器面板上“電流倍率調節”旋鈕置《短路》檔，“電壓調節”旋鈕逆時針調到底。

然后打開微電流測量儀電源開關和高壓汞燈預熱，預熱大約20min-40min。

2．調零校準。首先要將“調零校準、測量”轉換開關置《調零校準》檔，把“電流倍率調節”旋鈕置《短路》檔，調節“調零”旋鈕，使電流表指示為零，再將“電流倍率調節”旋鈕放在《校準》檔，調“校準”旋鈕使電流指示“-100”。因為調零和校準電路的互相影響，“調零”和“校準”應反復調整。儀器調整好，可以開始測量。

3．測量

（1）連線。將好光電管暗盒與微電流測量儀上的電壓和電流輸入輸出插孔對應地連接起來。

（2）預置。使光源和暗盒間距在20~40 cm之間，使高壓汞燈的光出射孔對準暗盒窗口。注意在放置實驗儀器時，光電管暗盒入射窗口請勿面對其他強光源(如窗戶等)以減少雜散光干擾。然后將微電流測量儀上的“調零校準-測量”換向開關放置在測量檔，“電流倍率調節”旋鈕置10-6檔。調節光源和暗盒之間的距離以及通光孔的大小，使光電流顯示屏在-40~-20數值之間。

（3）測量。改變光電管兩端的反向電壓，記錄光電流的值。

第一步粗測。就是要觀察一遍各頻率光波入射時光電流明顯變化的電壓范圍，記下來，然后再在這段電壓范圍內進行細測。注意不同頻率光波入射時，光電流明顯變化的電壓范圍是不同的，所以每個都要記下來。

第二步細測。先測短波365nm，為了準確地在曲線上找到截止電壓，一定要在電流突變處應多測幾個值，如每增加0.02V或0.01V測一次IKA，列表記錄。應該測多少組值不是固定的，這要根據實際情況來定。并且用同樣的方法依次測出405nm、436nm、546nm、577nm入射光的一系列的電流、電壓值。

[數據處理] 1．繪圖。根據每一頻率光波入射時實驗所測得的一系列電壓電流的值，做出光電管的伏安特性曲線，找出截止電壓U0。

2．列表。實驗中給出的是光波的波長，把它轉換成頻率，列出截止電壓U0和對應的頻率的數據表格。

3．計算。根據這個表格的數據就可以做出U0~?的關系曲線，如果是一條直線，就驗證愛因斯坦的光電效應方程。然后利用一元線性回歸法，根據所測的U0~?數據就可以求出斜率k?h，從而求出普朗克常數來。另外，和

e理論值比較求出誤差。

用光電效應測定普朗克常數

一、實驗目的二、實驗原理]

1.基本概念（1）光電效應（2）“光量子”假說：

??h?

（3）光電效應方程： h??12m?20?A（4）截止頻率：

?0?Ah

2.原理分析：

遏止電壓：eU0?12m?20

Uh0?e(???0)

三、實驗儀器

GD-III型光電效應實驗儀

四、實驗步驟

1.開機預熱 2.調零校準 3.測量：（1）預置；

（2）測量：①粗測；②精測

五、數據處理

1．繪制光電管的伏安特性曲線，求遏止電壓；2．作U0~?的關系曲線，驗證愛因斯坦光電

效應方程；

3．利用一元線性回歸法求k； 4．計算普朗克常數h；

5．與理論值比較，計算相對誤差。

第三篇：普朗克常數本質和空間相對論

普朗克常數本質和空間相對論

胡良

深圳市宏源清防偽材料有限公司

摘要: 對某變量求導(無窮多次),如果,最終結果為零,該變量體現了維度空間的絕對靜止屬性,或者說,具有絕對的對稱性.如果,對某變量求導(有限多次),結果不為零(但對該變量求導無窮多次,最終結果為零),該變量此時體現了維度空間的相對靜止屬性,或者說此時具有相對的對稱性.對某變量求導,如果不能求導, 該變量體現了維度空間的絕對運動屬性,或者說,具有絕對的對稱性破缺.對某變量求導(無窮多次),如果,最終結果不是零,該變量體現了維度空間的相對運動屬性.時間(速度)體現了空間的運動屬性.宇宙常數的本質體現了空間的靜止屬性和運動屬性的對立統一.關鍵詞:空間,空間相對論,相對論,物質,時間,量綱,速度 作者簡介:總工程師,高級工程師,深圳專家

1.前言

普朗克常數是一個物理常數，用以描述量子大小.普朗克在研究物體熱輻射的規律時發現，只有假定電磁波的發射和吸收不是連續的，而是一份一份地進行的，計算的結果才能和試驗結果是相符.這樣的一份能量叫做能量子，每一份能量子等于hv，v為輻射電磁波的頻率，h為一常量，叫為普朗克常數.為了推導出這一定律，必須假設在光波的發射和吸收過程中，物體的能量變化是不連續的，或者說，物體通過分立的跳躍非連續地改變它們的能量，能量值只能取某個最小能量元的整數倍.普朗克常數的量綱為能量乘上時間，也可視為動量乘上位移.普朗克常數用以描述量子化，微觀下的粒子，例如電子及光子，在一確定的物理性質下具有一連續范圍內的可能數值.普朗克常數也使用于海森堡不確定原理.普朗克常數是量子理論的基石.海森堡的矩陣力學與薛定諤的波動力學是等價的.但都是將普朗克常數引入才建立的量子力學理論.玻爾提出了原子內電子的能級條件與電子運動的軌道角動量量子化條件.微觀粒子的狀態須受到量子化條件的制約.描述原子,電子等微觀粒子的行為須用到量子化條件.普朗克空間、普朗克時間意味著空間、時間并非無限可分，依然存在著最小單元.帶電粒子做圓周運動時，只要向心力是與到圓心的距離的三次方成反比，就會產生一個常數，這個常數乘以圓周運動頻率等于帶電粒子動能;如果電子受到這種向心力，這個常數就是普朗克常數.物理學中有許多基本常數.光在自由空間的速度,電子電量,萬有引力恒量、普朗克常數h.真正的自然常數(宇宙常數)應當是與參照系無關系的, 自然常數(宇宙常數)構成了宇宙的基石.2四種力的本質

2.1強作用力

宇宙中有四種基本作用力,相互作用分別是強相互作用, 弱相互作用, 電磁力及萬有引力.質子中子間的核力屬于強相互作用(是質子中子結合成原子核的作用力).是所知四種宇宙間基本作用力最強的.強相互作用克服了電磁力產生的強大排斥力，把強子緊緊粘合為原子核.強相互作用比其它三種基本作用有更大的對稱性.強子是由夸克構成的，強作用是夸克之間的相互作用力;強作用最強并且是一種短程力.其理論是量子色動力學，強作用是一種色相互作用，具有色荷的夸克所具有的相互作用，色荷通過交換8種膠子而相互作用，在能量不是非常高的情況下,強相互作用的媒介粒子是介子.強作用引起的粒子衰變稱為強衰變，強衰變粒子的平均壽命最短，強衰變粒子稱為不穩定粒子或共振態.核子間的核力就是強相互作用，抵抗了質子之間的強大的電磁力，維持了原子核的穩定.量子色動力學是根據強子夸克模型和規范場概念提出的.2.2弱作用力

弱相互作用力也稱為弱作用力.是基本四種作用力之一.弱力屬于微觀力.在微觀粒子世界里，粒子相互之間的作用是通過碰撞而實現的.由于作用強度的大小不同,而表現為弱、電、強作用力.對于弱相互作用力來說，表現為中子的β衰變(中子衰變成質子、電子與電子中微子).參與碰撞的粒子稱為費米子，其自旋為半整數.弱相互作用會影響所有費米子(自旋為半奇數的粒子).弱相互作用有一種獨一無二的特性(夸克味變).由于兩粒子間碰撞是間隔有一定距離的，這種碰撞并不是超距作用，而是通過媒介粒子來傳遞，這個起傳遞作用的粒子被稱為玻色子，其自旋為整數.在量子力學中，粒子從初態到末態的躍遷，涉及到粒子的湮滅與產生.可以用費米公式和量子場論的相應公式計算.電磁力與弱相互作用現已統一，它們實質上是同一種力的兩個方面.宇稱守恒定理是指自然定律在鏡像反射后會維持不變，鏡像反射等同把所有空間軸反轉.經典引力、電磁及強相互作用都遵守這條定律.但弱相互作用可能會破壞這一條定律.弱相互作用只作用于左手粒子（或右手反粒子）,由于左手粒子的鏡像反射是右手粒子，這可解釋宇稱的最大破壞.在粒子物理學的標準模型中，弱相互作用與電磁相互作用是同一種相互作用的不同方面，叫弱電相互作用.根據電弱理論，在能量非常高的時候，宇宙共有四種無質量的規范玻色子場(跟光子類似)，還有復矢量希格斯場雙重態.但在能量低的時候，規范對稱會出現自發破缺，變成電磁相互作用.這種對稱破缺會產生三種無質量玻色子，但是它們會與三股光子類場融合，這樣希格斯機制會為它們帶來質量.這三股場就成為了弱相互作用，而第四股規范場則繼續保持無質量，也就是電磁相互作用的光子.2.3電磁力, 電磁力，是一種相當強的作用力，在宇宙的四個基本的作用力中,它的強度僅次于強核作用力.電磁力是電荷、電流在電磁場中所受力的總稱;也可以稱載流導體在磁場中受的力為電磁力，而稱靜止電荷在靜電場中受的力稱為靜電力.原子的尺度時,所有的物質都是由不同的原子構成，而原子則是由不同的原子核與電子構成，帶負電的電子與帶正電的原子核（由質子與中子構成）經由電磁作用結合在一起.但在原子的尺度時，必須用量子化的電磁場來描述，也就是把兩粒子之間的作用看成是在交換光子.光就是一種電磁波，量子化的電磁作用也就是光電作用.在某些狀況下，電磁力和弱核作用力會統一.2.4萬有引力

萬有引力定律是指任何物體之間都有相互吸引力，這個力的大小與各個物體的質量成正比例，而與它們之間的距離的平方成反比.萬有引力常數（G），是一個包含在對有質量的物體間的萬有引力的計算中的實驗物理常數.重力是由于地面附近的物體受到地球的萬有引力而產生的.需要注意的是，因為地球在自轉(除了在南極北極端點)，在地球上任意一點的物體，其重力并不等于萬有引力.此時可看作繞地球的向心力和重力合成萬有引力.由于繞地球自轉的向心力遠小于重力，故一般就認為重力就略等于萬有引力了.重力和萬有引力的方向不同，重力是豎直向下，萬有引力是指向地心.每個物體都會吸引其他物體，而這股引力的大小只跟物體的質量與物體間的距離有關.牛頓的萬有引力定律說明，每一個物體都吸引著其他每一個物體，而兩個物體間的引力大小，正比于這它們的質量，會隨著兩物體中心連線距離的平方而遞減.四種基本相互作用力對立統一的，是由基本粒子的振動波來傳遞的，但是波的形式不同.愛因斯坦認為引力是時空扭曲的表現.萬有引力從牛頓力學角度來說是力,從相對論來說是時空彎曲的表現.3.空間相對論與普朗克常數

3.1光量子及實物基本粒子的量綱

光量子量綱是{L^(3)[L^(3)T^(-1)]}[L^(2)T^(-2)], {L^(3)[L^(3)T^(-1)]}體現質量屬性(沒有靜止質量), [L^(2)T^(-2)]體現能量屬性.{L^(3)[L^(3)T^(-1)]}[L^(2)T^(-2)]體現光量子的質量能量守恒屬性.實物基本粒子的量綱是{L^(4)[L^(3)T^(-1)]}[L^(2)T^(-2)], {L^(4)[L^(3)T^(-1)]}體現質量屬性, [L^(2)T^(-2)]體現能量屬性.{L^(4)[L^(3)T^(-1)]}[L^(2)T^(-2)]體現實物基本粒子的質量能量守恒屬性.三維空間的點內空間的本質是點維空間(或一維空間,或二維空間)在三維空間以三維空間速度運動.換句話說, 點內空間的本質是三維空間在點維空間(或一維空間,或二維空間)以點維空間速度(或一維空間速度,或二維空間速度)運動.三維空間的點外空間的本質是四維空間(或四維空間以上空間)在三維空間以三維空間速度運動.換句話說, 點外空間的本質是三維空間在四維空間(或四維以上空間)以三維空間速度運動.三維空間的原空間就是三維空間在三維空間以三維空間速度運動.虛數的四次方是自然數1,這說明四維空間宇宙是穩定的.四維的倍數空間宇宙(例如:八維空間宇宙,十二維空間宇宙)也都是穩定的.3.2普朗克常數

普朗克常數的量綱是(能量乘時間).普朗克的能量子和愛因斯坦的光量子,其最小能量與頻率之比總要等于自然常數普朗克常數.波粒二象性是微觀粒子的基本屬性.在粒子物理學中,動量公式為：P=h/λ;能量公式為：E=hν.動量P與能量E都是描述粒子行為的物理量，波長λ與頻率ν描述波動行為的物理量.描述波動行為的物理量可與描述粒子行為的物理量可通過同一個公式聯系起來，這體現了粒子的波粒二象性.而二者聯系的核心就是普朗克常數.根據以上公式可知動量為P,能量為E的粒子的波長與頻率，從而判斷是粒子性呈主要特征，還是波動性呈主要特征.因為光量子的量綱是L^(3)[L^(3)T^(-1)][L^(2)T^(-2)].實物基本粒子的量綱是L^(4)[L^(3)T^(-1)][L^(2)T^(-2)].由于光子的量綱L^(3)[L^(3)T^(-1)][L^(2)T^(-2)].而能量公式為：E=hν,故普朗克常數的量綱是:L^(1)*{ L^(3)[L^(3)T^(-1)][L^(2)T^(-2)]}等效于L^(4)[L^(3)T^(-1)][L^(2)T^(-2)],實質上與實物基本粒子的量綱相同.4.空間相對論本質

導數的本質就是函數值增量與自變量增量之比的極限.對于變量為復數的函數，也可以定義導數的概念.弱微分的概念使得對更多嚴格意義上無法求導的函數也可以定義導函數.方向導數在無窮維矢量空間可以推廣應用在量子場論中.對某變量求導(無窮多次),如果,最終結果為零,該變量體現了維度空間的絕對靜止屬性,或者說,具有絕對的對稱性.如果,對某變量求導(有限多次),結果不為零(但對該變量求導無窮多次,最終結果為零),該變量此時體現了維度空間的相對靜止屬性,或者說此時具有相對的對稱性.對某變量求導,如果不能求導, 該變量體現了維度空間的絕對運動屬性,或者說,具有絕對的對稱性破缺.對某變量求導(無窮多次),如果,最終結果不是零,該變量體現了維度空間的相對運動屬性.時間(速度)體現了空間的運動屬性.宇宙常數的本質體現了空間的靜止屬性和運動屬性的對立統一.Planck's constant nature and space relativistic

HU Liang

Shenzhen Hongyuanqing Security Materials Co.Ltd., Shenzhen 518004, China

Abstract: The derivation of a variable(infinitely many times), if the end result is zero, this variable reflects the absolute rest of the space dimension attributes, or say with absolute symmetry if the derivative of a variable(and more limited times), the result is not zero(the variable derivation infinitely many times, the end result is zero), the variables at this time reflects the relatively static properties of the dimension of space, or relative symmetry of a variable derivation, if not the derivative of the variable reflects the absolute motion of the space dimension attributes, or say with absolute symmetry breaking.derivation of a variable(infinite times), if the end result is not zero, the variable embodies the properties of the relative motion of the dimension of space time(speed)embodies the attributes of the spatial movement.cosmological constant represents the essence of the unity of opposites still property of space and movement properties.Keywords: space, space theory of relativity, the theory of relativity, matter, time, dimension, speed

第四篇：《目測法測透射光柵常數》實驗提要

實驗15《目測法測透射光柵常數》實驗提要

實驗課題及任務

《目測法測透射光柵常數》實驗課題任務是，給定一個光柵和光源(如汞燈、鈉燈或激光器等)，根據光源的已知光譜，在沒有分光計和其它測量儀器的情況下，僅利用米尺和自制實驗器材，結合直接目視法，測量透射光柵的光柵常數。該實驗還可以已知光柵常數測量未知譜線的波長。

學生根據自己所學知識，設計出《目測法測透射光柵常數》的整體方案，內容包括：(寫出實驗原理和理論計算公式；選擇測量儀器；研究測量方法；寫出實驗內容和步驟。)然后根據自己設計的方案，進行實驗操作，記錄數據，做好數據處理，得出實驗結果，寫出完整的實驗報告，也可按書寫科學論文的格式書寫實驗報告。

設計要求

⑴ 通過在實驗室用目測的方式觀察光柵的衍射現象，繪制出光路圖，通過對光路圖的分析，找出光柵方程與光路圖中的那些物理量(即待測量的物理量)有關，根據光柵方程和待測物理量的關系推導出計算公式，寫出該實驗的實驗原理。(注：這一步是本實驗的關鍵所在，得先到實驗室觀察實驗現象，通過實驗現象的觀察，繪制出光路圖，分析論證，找出規律，才能寫出實驗原理。)

⑵ 選擇實驗測量儀器，僅限于光柵、米尺(10m/0.005m或3m/0.001m)、光源(汞燈、鈉燈或激光器)的選擇，可以自制輔助器件。

⑶ 設計出實驗方法和實驗步驟，要具有可操作性。

⑷ 測量時那些物理量可以測量一次，那些物理量必須得多次測量，說明原理。⑸ 實驗結果用標準形式表達，即用不確定度來表征測量結果的可信賴程度。實驗儀器的選擇及提示

⑴ 光柵：實驗室給定，光柵參數為：300/mm

⑵ 米尺：3m/0.001m或10m/0.005m任選，⑶ 光源：鈉燈、激光器.⑷ 可以自制實驗器材，如帶刻度的條型光屏，也可以借助現有實驗室的條件。實驗所用公式及物理量符號提示

⑴ 光柵方程:d?sin??k?(k=0、?

1、?

2、?

3、……)

式中d?a?b(其中a為光柵縫寬，b為相鄰縫間不透明部分的寬度)為相鄰狹縫之間的距離，稱為光柵常數，?為光波波長，k為衍射光譜線的級次。

⑵ 用x表示譜線到0級譜線的距離，用y表示光柵到0級譜線的垂直距離。提交整體設計方案時間

學生自選題后2~3周內完成實驗整體設計方案并提交。提交整體設計方案，要求用紙質版供教師修改。

思考題

⑴ 光柵與光源之間的距離多遠比較合適？

⑵ 眼睛與光柵的距離對測量有沒有影響？

⑶ 光屏和光源是否一定要在一個平面內？

⑷ 光柵與光屏的距離測量，該實驗應采用單次測量還是多次測量？單次測量能否滿足測量精度的要求？

參考文獻

參閱各實驗書籍中的夫瑯和菲衍射原理及光柵衍射原理。幾何光學，人眼睛的光學原理。

第五篇：測螺線管磁場實驗報告

測螺線管磁場———實驗原理

圖1 圖1是一個長為2l，匝數為N的單層密繞的直螺線管產生的磁場。當導線中流過電流I時，由畢奧—薩伐爾定律可以計算出在軸線上某一點P的磁感應強度為

式中，為單位長度上的線圈匝數，R為螺線管半徑，x為P點到螺線管中心處的距離。在SI單位制中，B的單位為特斯拉（T）。圖1同時給出B隨x的分布曲線。

磁場測量的方法很多。其中最簡單也是最常用的方法是基于電磁感應原理的探測線圈法。本實驗采用此方法測量直螺線管中產生的交變磁場。下圖是實驗裝置的實驗裝置的示意圖。

圖2 當螺線管A中通過一個低頻的交流電流i(t)= I0sinωt時，在螺線管內產生一個與電流成正比的交變磁場B(t)= Cpi(t)= B0sinωt其中Cp是比例常數，把探測線圈A1放到螺線管內部或附近，在A1中將產生感生電動勢，其大小取決于線圈所在處磁場的大小、線圈結構和線圈相對于磁場的取向。探測線圈的尺寸比較小，匝數比較多。若其截面積為S1，匝數為N1，線圈平面的法向平面與磁場方向的夾角為θ，則穿過線圈的磁通鏈數為:

Ψ = N1S1B(t)cosθ

根據法拉第定律，線圈中的感生電動勢為：

通常測量的是電壓的有效值，設E(t)的有效值為V，B(t)的有效值為B，則有，由此得出磁感應強度：

其中r1是探測線圈的半徑，f是交變電源的頻率。在測量過程中如始終保持A和A1在同一軸線上，此時，則螺線管中的磁感應強度為

在實驗裝置中，在待測螺線管回路中串接毫安計用于測量螺線管導線中交變電流的有效值。在探測線圈A1兩端連接數字毫伏計用于測量A1中感應電動勢的有效值。

使用探測線圈法測量直流磁場時，可以使用沖擊電流計作為探測儀器，同學們可以參考沖擊電流計原理設計出測量方法。

測螺線管磁場———實驗內容

1．研究螺線管中磁感應強度B與電流I和感生電動勢V之間的關系，測量螺線管中的磁感應強度。2．測量螺線管軸線上的磁場分布。

測螺線管磁場———實驗儀器

圖 1 : 測量螺線管內磁場實驗裝置全貌

測量螺線管內磁場實驗儀器包括：銅導線螺線管、霍爾元件（軸向磁場探針）、（毫）

特斯拉計、電流源。

圖 2 : 銅導線螺線管

圖 3 : 霍爾元件（軸向磁場探針）

上圖為軸向磁場探針，伸入螺線管中用于測量磁場強度，探針的另一端接在特斯拉計之

上，由特斯拉計給出磁場強度的讀數。

圖 4 :（毫）特斯拉計

給出磁場強度的讀數。與測量直流導體外磁場中使用的特斯拉計相似。

圖 5 : 電流源 為銅導線螺線管供電，產生磁場。

實驗重點

1．掌握探測線圈法測量交變磁場的方法。2．測量螺線管軸線上的磁場分布。3．加深理解電磁感應定律及磁場的特征。實驗難點

1．探測線圈法測量磁場的線路設計與連接，包括單刀雙擲開關及交流毫伏計的使用。

2．低頻信號發生器的使用。3．互感現象的觀察及線路設計。操作指導

一、主窗口

在系統主界面上選擇“螺線管磁場及其測量實驗”并單擊，即可進入本仿真實驗平臺，顯示平臺主窗口——實驗室場景，看到實驗臺和實驗儀器。

二、主菜單

在主窗口上單擊鼠標右鍵，彈出主菜單。主菜單下還有子菜單。鼠標左鍵單擊相應的主菜單項或子菜單項，則進入相應的實驗部分（圖1）。

圖1 實驗應按照主菜單的條目順序進行。1．實驗簡介

選擇主菜單的“簡介”并單擊可打開實驗簡介文檔（圖2）。

圖2 鼠標移到上面藍條處將顯示操作提示，雙擊即可返回實驗平臺。2．實驗儀器

選擇主菜單的“實驗儀器”并單擊可打開實驗儀器文檔，操作與查看實驗簡介完全類似。3．實驗原理

包括子菜單項“實驗原理一”和“實驗原理二”。

選中“實驗原理”的“實驗原理一”子菜單項并單擊，將顯示實驗原理一，如圖3。

圖3 用鼠標操作滾動條，可使畫面上下滾動。

鼠標移到上面藍條處將顯示操作提示，雙擊可返回實驗平臺。

選擇“實驗原理”的“實驗原理二”子菜單項并單擊，將顯示實驗原理二，與“實驗原理一”操作相同。4．實驗接線

選擇“接線”并單擊進入接線界面。本實驗中晶體管毫伏表讀數會隨時間產生漂移，所以做本實驗的關鍵是要對晶體管毫伏表經常短路調零以消除誤差。為方便計，宜加一單刀雙擲開關。正確接線圖（不止一種）可參見圖4。

圖4 接線時選定一個接線柱，按住鼠標左鍵不放拖動，一根直導線即從接線柱引出。將導線末端拖至另一個接線柱釋放鼠標，即可連接這兩個接線柱。刪除兩個接線柱的連線，可將這兩個接線柱重新連接一次。

接線完畢單擊鼠標右鍵彈出菜單，選擇“接線完畢”來判斷接線是否正確，接線正確后才能開始實驗。選擇“重新接線”可刪除所有導線。5．實驗內容

接線正確后此菜單項才會有效。此菜單包括子菜單項“內容一”、“內容二”和“內容三”。單擊子菜單項“內容一”即可進入實驗內容一進行實驗，如圖5。

圖5 儀器的基本操作方法

(1)旋鈕的操作方法：所有的旋鈕，其操作方法是一致的，即：用鼠標右鍵單擊，則旋鈕順時針旋轉；用鼠標左鍵單擊，則旋鈕逆時針旋轉。包括旋鈕“輸出調節”，“調零旋鈕”，以及頻率調節。

(2)按鈕的操作方法：用鼠標左鍵單擊即可按下或彈起按鈕。包括“衰減”和“頻率倍乘”按鈕。

(3)撥動開關的操作方法：操作非常簡單，用鼠標左鍵單擊開關即可改變開關的狀態。

(4)探測線圈的粗調和細調，單刀雙擲開關的操作和旋鈕的調節一樣。(5)毫伏表“量程”的調節和開關的操作一樣。(6)單刀雙擲開關的刀打到左邊是調零位置，可調節“調零旋鈕”調零；打到中間是斷路位置；打到右邊是測量位置，可以測量電路的電壓。

在此界面的上部單擊鼠標右鍵將彈出主菜單，做完實驗內容一后選擇實驗內容

二、實驗內容三繼續實驗。

實驗時點擊“實驗參數”可打開實驗參數文檔，雙擊其上的藍條關閉此文檔；點擊“實驗內容”打開實驗內容文檔，雙擊其上的藍條關閉此文檔；實驗時按實驗內容文檔的步驟進行實驗，點擊“數據記錄及處理”打開數據處理窗口，將測量數據記錄到相應的位置，數據處理窗口如圖6。

圖6 輸入數據時在所要輸入的空格處單擊鼠標左鍵，再用鍵盤輸入數據即可。畫線時先在坐標圖上單擊鼠標左鍵描點，描點完畢點擊“畫線”可畫線，如描點錯誤可在錯點處再單擊鼠標左鍵即可刪除該點，點擊“清畫布”可刪除所有點，點擊“返回”返回實驗操作界面。6．實驗報告

選擇“實驗報告”菜單項并單擊，可調用實驗報告系統，將前面所得數據記錄到實驗報告中以備教師檢查，具體操作見實驗報告說明。7．退出：退出實驗平臺。