物理实验第23卷第11期3夫兰克一赫兹实验的演示教学张明长刘冬梅吴静芝(北京印刷学院基础部北京102600)摘要：针对实验教学难点，充分利用实验室设备，设计了夫兰克一赫兹实验演示系统．通过课堂实验演示，学生可以了解参量变化对实验的影响，获得不同实验参量曲线，从中选择理想的实验参量供实验时设定．关键词：夫兰克一赫兹实验；演示系统；参量优化中图分类号：0562文献标识码：A文章编号：1005—4642(2003)11—0003—03Franck-HertzdemonstrationsystemZHANGMing-changLIUDong-meiWUJing—zhi(DepartmentofSciences，BeijingInstituteofGraphicCommunication，Beijing，102600)Abstract：Inordertoovercomethedifficultiesinteachingandtakefulladvantagesoftheexperimentalfacilities，theFrank—Hertzdemonstrationsystemisdeveloped．Ithelpsstudentstoobtainsomeknowledgesabouttheeffectsoftheparametersontheexperiment，andtogetdifferentparameterscurves，whichcanhelpstudentstoselectthebestparametersintheexperiment．Keywords：Franck—Hertzexperiment；demonstrationsystem；optimizedparameters1引言1925年荣获诺贝尔物理学奖的夫兰克一赫兹实验，以其巧妙的实验设计，验证了前一年丹麦著名物理学家玻尔提出的原子结构的量子理论，对原子物理学的发展和量子力学的建立都做出了重大贡献．夫兰克一赫兹实验的重要意义，不仅在于它的科学性和科学贡献，也不仅限于它在实验设计上的精美巧妙，更体现在它在培养学生物理思维和物理观念转变上有理论教学难以达到的作用．从宏观到微观，从牛顿力学到量子力学，该实验在物理观念和思维方式上都有革命性的转变．适用于宏观低速力学问题的牛顿力学，与人们日常感触及经验完全一致，所以很容易为学生理解与接受；而看不见摸不着的微观世界及适用于它的量子力学则很难为学生所理解与接受，尤其是在接触微观理论的初期，没有相应的实验基础，学生很难建立起微观量子态概念．夫兰克一赫兹实验恰好将看不见的微观量子状态转换成宏观量而测量显示出来，让学生看到原子中分立能级确实存在，因而经典辐射理论必须用量子理论来取代．这对学生建立新的物理观念与进入新的微观物理世界，有重要的引导作用．由此可以看出，夫兰克一赫兹实验应当成为大学物理实验教学的重点之一．如何改进此实验的教学，使之取得更好的教学效果，是我们较关注的问题．为此，笔者进行了尝试，其中，夫兰克一赫兹演示实验取得了显著的教学效果．维普资讯http://www.cqvip.com4物理实验第23卷第ll期2夫兰克一赫兹实验状况与存在问题通常夫兰克一赫兹实验为学生手动操作：逐步增加扫描电压，观察微电流计的指针摆动情况；读取微电流计上指针来回摆动时每次电流极大值和极小值以及与之相对应的扫描电压值；最后通过测出的峰点、谷点作图，获得夫兰克一赫兹曲线．影响夫兰克一赫兹曲线质量的因素有：夫兰克一赫兹管的工作温度t，所加灯丝电压，第一栅极电压c和阻滞电压，这四者之间的参量选取合适时，才能得到理想曲线．实验时，要求学生进行实验条件优化，选出最佳工作参量值后，再进行测量．手动优化原则为：测扫描电压在某一电压值附近的一对峰、谷点值来代替整条曲线，以峰、谷点电流差值大和峰点电流大的参量值作为优选值．学生进行实验条件优化，需要很长时间，在有限的学时内是不可能很好的完成的，只能简单地观察各因素的影响，粗略地选用一个可用值．这种优化，对学生来说只能是实验意识上的优化，而得到的优选值与最优工作参量值相差较远．3夫兰克一赫兹实验演示系统为了克服上述不足，利用实验室现有条件，选用可自动操作的仪器，组合成了一套比较理想的夫兰克一赫兹实验演示系统，如图1所示．演示系统所用仪器见表1．图1夫兰克一赫兹实验演示系统表1夫兰克一赫兹实验演示系统所用仪器这套演示系统能够在同一记录纸上采用同一坐标描绘出各参量变化以后的不同夫兰克一赫兹曲线．通过比较改变不同实验参量得到的曲线，可以较快地选出最优实验条件；也可以送入波形存储器，对夫兰克一赫兹曲线信号进行采样、存储，变成数字信号通过普通示波器进行显示...
