用光栅光谱仪测量未知光源的光谱特性解读

【实验目的】

1、熟悉平面光栅光谱仪的工作原理。

2、学会用WGD-8A型组合式多功能光栅光谱仪测量未知光源的光谱特性。 【实验仪器】

WGD-8A系列组合式多功能光栅光谱仪、计算机、钠灯、汞灯 【实验原理】

1、WGD-8A型组合式多功能光栅光谱仪仪器简介

WGD-8A型组合式多功能光栅光谱仪，由光栅单色仪，接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D采集单元，计算机组成。该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。光学系统如图1。

入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0-2mm连续可调，光源发出的光束进入入射狭缝S1，Sl位于反射式准光镜M2的焦面上，通过Sl射入的光束经M2反射成平行光

图1 光学原理图

M1反射镜、M2准光镜、M3物镜、 G平面衍射光栅、S1入射狭缝、

S2光电倍增管接收

束投向平面光栅G（8A型：2400条/mm，闪＝250nm，波长范围200-600nm）上，衍射后的平行光束经物镜M3（M2、M3的焦距为500nm）成象在S2上。光栅G放置在一平台上，可以绕通过光栅划线的铅垂轴转动，以改变平行光束相对于光栅平面的人射角，从而改变摄谱范围。

2、平面反射光栅的构造与光栅方程

目前最广泛应用的是平面反射光栅。图2是垂直于光栅刻槽的断面放大图。

图2 光栅刻槽断面示意图

在图2中，衍射槽面(宽度为α)与光栅平面的夹角为，称为光栅的闪耀角，它的意义将在下面说明。当平行光束入射到光栅上，由于槽面的衍射以及各个槽面间衍射光的相干叠加，不同方向的衍射光束强度不同。考虑槽面之间的干涉，当满足光栅方程

d(sinisin)m （1）

时，光强将有一极大值，或者说将出现一亮条纹。式中i及分别是入射光及衍射光与光栅平面法线的夹角，即入射角与衍射角；d为光栅常数，m1,2,3,,它表示干涉级；为出现亮条纹的光的波长。公式中当入射线与衍射线在光栅同侧时取正号，异侧时取负号。 由式（1）知，当入射角i一定时，不同的波长对应不同的衍射角，从而本来混合在一起的各种波长的光，经光栅衍射后按不同的方向彼此分开排列成光谱，这就是衍射光栅的分光原理。我们把成像于谱面中心的谱线波长称为中心波长。本仪器所采用的光路中，对中心

1

波长0而言，入射角与衍射角相等，i这种特殊而又通用的布置方式称为Littrow型。因此对中心波长0有

2dsinim0 （2） 3、光栅的闪耀

人射光中某一波长的单色光，经过光栅衍射后能量被分配到各级光谱中去，而能量的分配方式与光栅的型式及各种几何参数有关。如前所述，能量的分配是单槽衍射与槽间干涉的综合结果。光栅方程只是给出各级干涉极大的方向，由式（1）知，光栅方程只包含光栅常数d而与槽面形状无关，各干涉极大的相对强度决定于单槽衍射强度分布曲线。大家熟知的多缝透射光栅有很大缺点，即入射光的能量大部分集中在没有色散的零级光谱上，其余能量又分散在各级光谱上，而我们往往只利用其中一级，因此谱线很弱。反射式闪耀光栅的基本出发点在于把单缝衍射的主极强方向从没有色散的零级转到某一级有色散的方向上去，以增大该级光谱的谱线强度。图2所示的反射光栅，每个衍射槽面的作用和单缝相同，可以证明，槽面衍射的主极强方向，对于槽面来说正好是服从几何光学反射定律的

图4 中心波长的入射与衍射图3 入射光线、衍射光线与

方向。因此，当满足光栅方程

方向 光栅法线、槽面法线的几何关

（1）的某一波长的某一级衍

系

射方向正好与槽面衍射主级强方向一致时，从这个方向观察到的光谱特别亮，就好像看到表面光滑的物体反射的耀眼的光一样，所以这个方向称为闪耀方向。下面分析闪耀的条件。

我们把图2重新画出，入射光线、衍射光线与光栅法线、槽面法线的几何关系如图3所示。对光栅平面的法线而言，入射角、衍射角分别为i 及（图中画出入射光线与衍射光线在光栅法线同侧的情形）。显然，光栅法线与槽面法线之间夹角等于光栅的闪耀角，因此，对衍射槽面而言，入射角为i，反射角为。根据上面分析，实现闪耀的条件是i=。从而有

i2 （3）

因此，对某一波长而言，实现闪耀时，i,,除了满足光栅方程（1），还必须同时满足式（3）。 按照Littow方式布置的光栅，对于中心波长有i代人式（3）得到i，亦即入射

2

角i等于光栅的闪耀角，此时入射光及衍射光均垂直于衍射槽面，如图4所示。把i代人光栅方程，得

2dsinm （4） 只要i,,同时满足式（1）和式（3），对波长而言也就满足闪耀条件，但通常却是把满足式（4）的波长称为闪耀波长。由于m可以取m =1，2，3，…，因此对一块确定的光栅（d,一定）仍然有第一级闪耀波长，第二级闪耀波长，…各种数值，但习惯上在说明光栅的规格时，闪耀波长通常指的是第一级闪耀波长。

附加图1 附加图2 图5

单槽衍射中央极大方向 单槽衍射光路 不同级光谱的强度分布

由附加图1和附加图2知闪耀方向为单槽衍射中央极大方向，因此对满足闪耀条件的波长为的某一级光谱来说，该级次光谱光强最大，如图5所示（在图中，单槽衍射主极强方向与m =1的光谱线重合）。由于da（见附加图2），对满足闪耀条件的波长为的某一级光谱来说，同一波长的其他级（包括零级）光谱都几乎落在单槽衍射强度曲线的零点附近。理由如下：闪耀波长的其它级光谱满足d(sinisin)m，对于Littrow型光栅i，则2dsinim，而单槽衍射的极小位置由下式决定a(sinisin)m或

2asinim，如图5所示，这样一来，就可以把80-90%以上的能量集中到闪耀方向上，因此对满足闪耀条件的波长来说衍射效率最高。在它两侧的波长则不能同时满足闪耀条件，衍射效率下降，而且随干涉级增加下降速度加快。当衍射效率下降太多时，光谱线就很弱。

经验表明：当光栅常数d较大（ d >2）时，如果第一级闪耀波长为B，光栅适用范围可由下面经验公式

22BB计算。式中m是所用的光谱级次，在这范围内，相2m12m1对效率大于40％。

4、光栅光谱仪的色散

光栅摄谱仪的色散大小是描述仪器把多色光分解成各种波长单色光的分散程度。这里我们把相邻两束单色光衍射角之差与波长差之比称为光栅的角色散，当入射角i一定时，对式（1）求微分，取绝对值，得

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dm1 （5） ddcos可见干涉级越高或光栅常数d越小，角色散越大。由于是两束光线分开的角距离，使用时很不方便，实际测量的是它们在谱面上的距离l，显然lf，f为凹面镜的焦距。我们把l与的比值称为仪器的线色散，根据式（5），线色散为

dldmf1 （6） fdddcos习惯上，为方便起见，经常使用的是线色散的倒数，即上式的倒数，它表示谱面上单位距离的波长间隔，常用单位是A/mm，线色散的倒数愈小愈好。

实际使用时不是太大，而且在谱面范围内，的变化也不大。因此cos变化很小，从而dl/d接近于一个常量，亦即光栅的色散是均匀的，在谱面上得到的是接近于按波长

均匀排列的光谱。

5、光栅摄谱仪的分辨率

分辨率定义为谱线波长与邻近的刚好能分开的谱线波长差的比值，即R根据这个定义，可以求出光栅的理论分辨率。

为简化起见,设入射角i0（即正入射）,则波长λ的m级主亮纹外第一极小值应满足条件

0。dsinm1(m1) N式中,N为光栅刻槽总数。而波长为（λ+δλ）的m级主亮纹按光栅方程应满足条件

'dsinmm()

附加图3 推导光栅分辨率公式示意图

按照瑞利判据,如附加图3所示波长λ的m级主亮纹外第一极小值应落在波长（λ+δλ）的

'm级最大值处,也就是说m1m，则

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m()(mm有分辨率

R因此，R1) NN

mN Nd(sinisin)b(sinisin)mN 式中b为光栅的总宽度。由于sinisin的最大值是2，因此光栅可达到的最大分辨率为

Rmax2b。

【实验内容】

1、用钠灯定标（即进行波长修正）

（1）按图6连好线路，接通WGD-8A型组合式多

功能光栅光谱仪和钠灯的电源，最后接通计算机电源。

（2）熟悉WGD-8A（倍增管）软件使用。 （a）双击桌面上 “倍增管处理系统”的快捷方式。进入系统后，首先弹出如图7的友好界面，等待用户单

图6 连线示意图

图8 对话框

图7 WGD-8A（倍增管）友好界面

击鼠标或键盘上的任意键；当接收到鼠标、键盘事件或等待五秒钟后，马上显示工作界面，同时弹出一个对话框如图8，让用户确认当前的波长位置是否有效、是否重新初始化。如果选择确定，则确认当前的波长位置，不再初始化；如果选择取消，则初始化，波长位置回到200nm处。

（b） 完成上面几步，就可以在WGD-8A软件平台上工作了（工作界面如图9），工作界面主要由菜单栏、主工具栏、辅工具栏、工作区、状态栏、参数设置区以及寄存器信息提示区等组成。

菜单栏中有“文件”、“信息/视图”、“工作”、“读取数据”、“数据图形处理”、“关于”等菜单项。单击这些菜单项可弹出下拉菜单，利用这些菜单即可执行软件的大部分命令。 （c）利用软件提供的参数设置区，用户可以方便的设置所使用的系统。选择参数设置区的“参数设置”项，界面中会弹出一个对话框（如图10）。

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图9 WGD-8A（倍增管）工作界面

工作方式→模式：选为能量(E)。

工作方式→间隔：可选为1.0nm、0.50nm、0.10nm、0.05nm、0.02nm、和0.01nm（根据需要自己选定）。 工作范围：在起始、终止波长和最大、最小值四个编辑框中输入相应的值，以确定扫描时的范围（数值自己在实验中摸索确定）。 负高压调节：手动调节负高压（数值自己在实验中摸索确定），由仪表读数；关机时将负高压调至零位。

工作状态→增益：设置放大器的放大率。设1~8共八档（数值自己在实验中摸索确定）。 工作状态→采集次数：在每个数据点，采集数据取平均的次数。拖动滑块，可在1~1000次之间改变。

（3） 将钠灯的狭缝调正到适当宽度。

狭缝为直狭缝，宽度范围0~2mm连续可调，顺时针旋转为狭缝宽度加大，反之减小，每旋转一周狭缝宽度变化0.5mm。为延长使用寿命，调节时注意最大不超过2mm，平日不使用时，狭缝最好开到0.1~0.5mm左右。

图10 “参数 设置”对话框 6

图11 钠灯衍射谱 （4）单击主工具栏中的“单程”扫描，则可得到钠灯的衍射谱线，由得到的谱线去兼顾调整狭缝宽度，光源的远近，手动调节负高压，参数设置中的最 大、最小值，放大器的放大率等参数。最终会得到合适的钠灯衍射曲线（见图11）。然后点开读取数据菜单，开始寻峰，将所读数据与钠谱线的标准波长（589.0nm和589.6nm）作比较，然后点击“读取数据”菜单中的“波长修正”修正钠灯的波长。

2、测汞灯谱线波长。操作步骤同上。将

测量结果填写在表1中，并与标准谱进行比较计算出相对误差。

表1汞灯谱线波长测量结果

标准谱0（nm） 测量值（nm） 365．0 404．4 407．8 435．8 491．6 496．4 546．1 577．0 579．1 0E100% 0

3、实验结束后，关闭计算机电源。将负高压调至零位，关闭汞灯和测谱仪光源，狭缝关到0.1~0.5mm左右。

注意事项：

实验时不宜用强光照射狭缝。光照过强时，光电线性会变差而且容易使光电阴极疲劳（轻度疲劳经一段时间可恢复，重度疲劳不能恢复），缩短寿命。 【课前思考题】

1． 多缝平面透射光栅的结构如何？其光栅方程是什么？ 2． 画出多缝平面透射光栅衍射光强分布曲线。 3. 普通反射式闪耀光栅的光栅方程是什么？

4. 与多缝透射光栅相比反射式闪耀光栅的主要优点是什么？具体说明其理由。 【课后思考题】

1．在观测条件完全相同的情况下，汞灯各条谱线的强度与钠灯谱线相比如何？为什么？ 2．分别画出负高压调节为200、500、700时汞灯的衍射曲线，分析负高压调节的作用。 3．若用汞灯的579nm谱线进行波长修正，测量汞灯其他谱线波长可以吗？将其测量数据与前面的实验数据进行比较。

4. 光栅光谱仪的色散率是常数吗？实验如何改进可以将测得更准确？

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实验二 夫兰克-赫兹实验

1913年，玻尔建立了原子模型理论，提出了原子定态假设。1914年，夫兰克和赫兹用加速电子碰撞原子的方法，使原子从低能级激发到高级级，通过对电子与原子碰撞时能量交换的研究，直接证实了原子定态的存在，清晰地提示了原子的能级图像，给玻尔理论提供了一个有力的实验依据。夫兰克及赫兹的这项工作获得了1925年度的诺贝尔物理学奖金。 【实验目的】

证明原子定态的存在，求出汞原子的第一激发电位。 【仪器用具】

夫兰克-赫兹管、控温加热炉、夫兰克-赫兹电源及微电流测量放大器、超低频示波器。 【实验原理】 一、基本原理

玻尔提出的原子模型理论指出：原子中的电子绕原子核运动，其所处的状态不是任意的，而只能处于能量为分立值E1、E2…En的诸状态中的一个状态。处于这些状态中的电子虽然绕核做加速运动，但并不辐射能量，只有从能量较高的En状态过渡到能量较低的Em状态时，原子才以光子的形式辐射能量，其光子的能量h由下列关系决定

hEnEm

（1）

式中，h为普朗克常数，为光子的频率。

从高能级到低能级的跃迁并释放能量一般是自发进行的；而原子从低能级到高能级的跃迁则需要外界提供能量。为了使原子从低能级向高能级跃迁，可以通过具有一定动能的电子与原子相碰撞进行能量交换的办法来实现。原子在没有受到外界扰动时，一般处于能量最低的基态，与基态能量差最小的受激态称为第一激发态，此能量差称为临界能量，即

EE2E1 （2） 式中，E为临界能量，E1基态能量，E2为第一激发态能量。

当电子的动能小于此临界能量时，电子与原子间只产生弹性碰撞，并不交换能量；只有当电子的动能大于此临界能量时，电子才与原子产生非弹性碰撞而交换能量，使原子被激发到节一激发态上去，电子将其相当于临界能量的一部分动能转移给原子，剩余的能量仍由电子保留。 实验中，电子的动能是由加速电场对电子的作用而获得的。初速为零的电子位于加速电场中，若加速电位为U，则加速电子的动能为eU。如果电子具有的动能恰好等于原子的临界能量，即

eUE2E1 （3）

则此时的加速电位U称原子的第一激发电位，记为Eg。 二、夫兰克-赫兹实验规律

夫兰克-赫兹实验中，电子与原子的碰撞是密封在玻璃管中进行的，管子在密封前被抽成真空,然后充入汞，管内装有阴极K、栅极G及板极A，此管称为夫兰克-赫兹管。实验时，夫兰克-赫兹管放在控温炉中，实验温度在120~2000C之间，管中汞为气态。夫兰克-赫兹实验的示意图如图1所示。

在充汞的夫兰克-赫兹管中，电子从阴板K发出，在阴极K与栅极G之间加有连续可调的加速电压UGK，在板

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图1 夫兰克-赫兹实验的示意

极A与栅极G之间加有反向拒斥电压。在板极回路中接有检流计，用以测量板流，此板流是由阴极K发射的电子到达板极A产生的。 如果汞原子能连续地吸收能量，则不论加速电压多大，电子的能量均可以被汞原子吸收，电子失去其动能无法克服G-A间电场的作用而到达板极，检流计中将没有电流通过；如果电子的能量始终不能被汞原子吸收，那么板极电流就随着加速电压的升高而不断增加，直到板流饱和为止。但实验结果恰好不是上面两种情况，而是得到如图2所示的曲线，从图中曲线可以找出以下规律： （1）电流不是单调地上升，曲线中多次出现峰值与谷值。 （2）相邻的二峰值之间对应的加速电位差均为4.9V，只有第一峰值点电位不是4.9V，这是由于管子间存在着接触电位差，使整个曲线发生平移。

三、对夫兰克-赫芝实验规律的解释

（1）当UGK4.9V时，电子的动能随UGK的增大而增大。但由于大部分电子的动能小于汞原子的临界能量，而不足以使汞原子激

图2 夫兰克-赫芝实验iAUGK曲线 发，只能与汞原子发生弹性碰撞而不损失能量。

注意到电子初速度的统计分布，可以解释板流iA随UGK的增加而上升。

（2）当UGK达到4.9V时，那些在栅极附近的电子由于其动能已经大于或等于Ug，和汞原子碰撞后能将汞原子从基态激发到第一激发态，碰撞使电子动能大部分甚至全部损失掉，这样的电子将不再能克服G-A间的拒斥电场而达到板极，致使板流下降，因此曲线出现第一个峰值。

（3）当UGK4.9V时，随着UGK的增加，电子在没到达栅极之前就有足够的能量与汞原子发生非弹性碰撞，致使板流继续下降，直到与汞原子发生非弹性碰撞后又被加速的电子以及被汞原子吸收4.9eV后仍具有足够能量的电子，能够克服拒斥电场而到达板极时，电流才增加。当UGK24.9V时，很多电子在GK空间可能与汞原子发生两次非弹性碰撞，使电流再次突然减小。以此类推，可以解释曲线其它极值产生的原因。以上的解释中自然地得出结论：汞原子的第一激发电位等于4.9V。处于基态的汞原子，在吸收了4.9eV的能量后，跃迁到第一激发态。处于第一激发态的原子经一短暂的时间会返回基态，同时有4.9eV的能量以光波形式辐射出来，由式（1）和（3）可得

eUghhc/

所以波长

hc6.6310343.0010822.510(nm) 19eUg4.91.610实验测得从夫兰克-赫兹管中辐射的光波波长为253.7nm，与理论结果相符，这样，夫

兰克-赫兹实验就证明了汞原子中电子定态的存在。

【实验操作说明】

1．智能夫兰克-赫兹实验仪面板及基本操作介绍 （1）智能夫兰克-赫兹实验仪前面板功能说明

智能夫兰克-赫兹实验仪前面板如图3所示，以功能划分为八个区：

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图3 夫兰克-赫芝实验装置图

区①是夫兰克—赫兹管各输入电压连接插孔和板极电流输出插座。 区②是夫兰克—赫兹管所需激励电压的输出连接插孔，其中左侧输出孔为正极，右侧为负极。

区③是测试电流指示区：四位七段数码管指示电流值；四个电流量程档位选择按键用于选择不同的最大电流量程档；每一个量程选择同时备有一个选择指示灯指示当前电流量程档位。

区④是测试电压指示区：四位七段数码管指示当前选择电压源的电压值；四个电压源选择按键用于选择不同的电压源；每一个电压源选择都备有一个选择指示灯指示当前选择的电压源。

区⑤是测试信号输入输出区：电流输入插座输入夫兰克—赫兹板极电流；信号输出和同步输出插座可将信号送示波器显示。

区⑥调整按键区，用于：改变当前电压源电压设定值；设置查询电压点。

区⑦是工作状态指示区：通信指示灯指示实验仪与计算机的通信状态；启动按键与工作方式按键共同完成多种操作，详细说明见相关栏目。

区⑧是电源开关。

（2）智能夫兰克—赫兹实验仪后面板说明

智能夫兰克—赫兹实验仪后面板上有交流电源插座，插座上自带有保险管座； 如果实验仪已升级为微机型，则通信插座可连计算机，否则，该插座不可使用。 （3）智能夫兰克—赫兹实验仪连线说明

在确认供电电网电压无误后，将随机提供电源连线插入后面板的电源插座中； 连接面板上的连接线（连线图见图4）。务必反复检查，切勿连错！！！ （4）开机后的初始状态

开机后，实验仪面板状态显示如下：

a．实验仪的“1mA”电流档位指示灯亮，表明此时电流的量程为1mA挡；电流显示值为000.0uA：

b．实验仪的“灯丝电压”档位指示灯亮，表明此时修改的电压为灯丝电压；电压显示

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值为000.0V；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。 （5）变换电流量程

如果想变换电流量程，则按下在区③中的相应电流量程按键，对应的量程指示灯点亮，同时电流指示的小数点位置随之改变，表明量程已变换。

（6）变换电压源

如果想变换不同的电压，则按下在区④中的相应电压源按键，对应的电压源指示灯随之点亮，表明电压源变换选择已完成，可以对选择的电压源进行电压值设定和修改。

（7）修改电压值

按下前面板区⑥上的/键，当前电压的修改位将进行循环移动，同时闪动位随之改变，以提示目前修改的电压位置。

按下面板上的/，电压值在当前修改位递增/递减一个增量单位。 注意： a．如果当前电压值加上一个单位电压值的和值超过了允许输出的最大电压值，再接下键，电压值只能修改为最大电压值。

b．如果当前电压值减去一个单位电压值的差值小于零，再按下，电压值只能修改为零。

（8）建议工作状态范围

警告：F-H管很容易因电压设置不合适额遭到损害，所以，一定要按照规定的实验步骤和适当的状态进行实验。

电流量程：1A或10A 灯丝电源电压：3～4.5V VG1K电压：1～3 V VG2A电压：5～7 V VG2K电压：80.0 V

由于F-H管的离散性以及使用中的衰老过程，每一只F-H管的最佳工作状态是不同的，对具体的F-H管应在上述范围内找出其较理想的工作状态。

2．手动测试

下面是用智能夫兰克—赫兹实验仪实验主机单独完成夫兰克—赫兹实验的介绍。 （1）认真阅读实验教程，理解实验内容。 （2）按照1．（3）的要求完成连线连接。

（3）检查连线连接，确认无误后按下电源开关，开启实验仪。 （4）检查开机状态，应与1．（4）条一致。 （5）设定电流量程，参考1．（5）条进行。 （6）设定电压源电压值。操作方法参见1．（6）和1．（7）条。需设定的电压源有：灯丝电压VF、VG1K、VG2A。设定状态参见1．（8）条或随机提供的工作条件。

（7）测试操作和数据纪录 测试操作过程中每改变一次电压源VG2K的电压值，F-H管的板极电流随之改变。此时记录下区③显示的电流值和区④中显示的电压值，以及环境条件，待实验完成后，进行实验数据分析。

改变电压源VG2K的电压值的操作方法参见1．（6）和1．（7）条。 电压源VG2K的电压值的最小变化值是0.5V。为了快速改变VG2K的电压值，可按1．（7）条叙述的方法先改变调整位的位置，再调整电压值，可以得到每步大于0.5V的调整速度。

（8）示波器显示输出

测试电流也可以通过示波器进行显示观测，

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将区⑤的“信号输出”和“同步输出”分别连接到示波器的信号通道和外同步通道，调好示波器的同步状态和显示幅度，按2．（7）的方法操作实验仪，在示波器上既可看到F-H管板极电流的即时变化。

（9）重新启动 在手动测试的过程中，按下区⑦中的启动按键，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消除，但VF、VG1K、VG2A、电流档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。

3．自动测试 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F-H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及电流档位等状态设置的操作过程，F-H的连线操作过程与手动测试操作过程一样，可参看2．（1）至2．（6）条的介绍。

如要通过示波器观察自动测试过程，可将区⑤的“信号输出”和“同步输出”分别连接到示波器的信号通道和外同步通道，调节好示波器的同步状态和显示幅度。

建议工作状态和手动测试情况下相同。 （2）VG2K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从扫描电压大约每0.4秒递增0.2伏。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，将面板区⑦中的“手动/自动”测试键按下，自动测试指示灯亮；在区④按下VG2K电压源选择键，VG2K电压源选择指示灯亮；在区⑥用/、/完成VG2K电压值的具体设定。VG2K设定终止值建议以不超过80V为好。

（3）自动测试启动 自动测试状态设置完成后，在启动自动测试过程前应检查VF、VG1K、VG2A、VG2K的电压设定值是否正确，电流量程选择是否合理，自动测试指示灯是否正确指示。如果有不正 确的项目，请按3．（1）条、3．（2）条重新设置正确。

如果所有设置都是正确、合理的，将区④的电压源选择选为VG2K，再按面板上区⑦的“启动”键，自动测试开始。

在自动测试过程中，通过面板的电压指示区（区④），测试电流指示区（区③），观察扫描电压VG2K与F-H管板极电流的相关变化情况。

如果连接了示波器，可通过示波器观察扫描电压VG2K与F-H管板极电流的相关变化的 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）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，回复到开机初始状态。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贮器中，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。

（5）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，进人数据查询工作状态。

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测试数据保留在实验仪主机的存贮器中，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贮器的内容。

（6）自动测试后的数据查询 自动测试过程正常结束后，实验仪进人数据查询工作状态。这时面板按键除区③部分还被禁止外，其它都已开启。

区⑦的自动测试指示灯亮，区③的电流量程指示灯指示于本次测试的电流量程选择档位；区④的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 三电压源只能显示原设定电压值，不能通过区⑥的按键改变相应的电压值。

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F-H板极电流值的大小，该数值显示于区③的电流指示表上。

（7）结束查询过程，回复初始状态

当需要结束查询过程时，只变按下区⑦的“手脚/自动”键，区⑦的手动测试指示灯亮，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消除，实验仪回复到初始状态。

4．实验仪与计算机联机测试

本节的介绍仅对已被升级成为微机烈的智能夫兰克一赫兹实验仪有效。 在与计算机联机操作的过程中，操作控制是由计算机完成的，计算机对实验仪的控制操作过程的具体步骤请参阅《软件批作说明》。

在与计算机联机测试的过程中，实验仪面板上的区⑦的自动测试指示灯亮，通信指示灯闪亮，所有按键都被屏蔽禁止；在区③、区④的电流、电压指示表上可观察到即时的测试电压值和F-H的板极电流值，电流电压选择指示灯指示了目前的电流档位和电压源选择状况；如果连接了示波器，在示波器上可看到测试波形；在计算机的显示屏上也能看到测试波形。

在与计算机联机测试的过程结束后，实验仪面板上的区⑦的自动测试指示灯仍维持亮。按下区⑦的“手动/自动”键，区⑦的手动测试指示灯亮，面板按键再次全部开启。实验仪存储的测试数据被清除，实验仪回复到初始状态。这时可使用实验仪再次进行手动或自动测试。

【弗兰克—赫兹实验管连线图】

【实验操作的流程图】

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【实验内容】

一、测iAVGK曲线 用三种方法测量：（1）手动；（2）手动联机显示；（3）自动联机显示。 二、计算氩原子的激发电位。 【课前思考题】

1.什么是能级？玻尔的能级跃迁理论是如何描述的？

2.在测汞原子第一激发电位所得到的IG2A－UG2K曲线上，为什么对应板极电流IG2K第一个峰的加速电压UG2K不等于4.9V？

3.本实验中，各个电压如UG2K、UF、UG2A、UG1K分别起什么作用？

4.通过预习实验原理，你认为在实际实验操作中各参数设置时，应该注意那些问题，才能保护好实验仪器以免损害？

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5. 为什么IG2A－UG2K曲线上的各谷点电流随UG2K的增大而增大？ 【课后思考题】

1．从夫兰克-赫兹实验的构想和设计中受到了什么启迪？

实验三 氢原子光谱的观察与测定

讲义见《大学物理实验》实验5-10 【思考题】

1.试述原子发光原因。

2.氢原子的光谱线在可见光区有几条？计算巴耳末线系谱线的波长？ 3.为什么测位置时要使鼓轮从左向右沿一个方向转动？ 4.对氦氖谱线位置的测定在本实验中起什么作用？ 【课后思考题】

1.实验过程中怎样消除空程差？

实验四 微波光学实验

讲义见《大学物理实验》实验5-37 【课前思考题】 1.试述微波的特点。

2.简述布拉格衍射的基本原理。结合自己的实验仪器（喇叭上标明波长）, 分别计算当用（100）和（110）面作为衍射面时,衍射极大的衍射角。

3.简述晶胞，晶面的定义。以立方晶系为例,找出晶面指数为（100），（110），（111）的晶面（图示说明）。

4.微波分光仪是本实验中的主要仪器，通过预习你认为在调节时应注意那些问题？ 5.解释偏振波的概念。 6.简述马吕斯定律。 【课后思考题】

1.针对实验中遇到的问题进行分析与讨论。

实验五 光电效应和普朗克常数的测定

讲义见《大学物理实验》实验5-30 【课前思考题】

1、全面论述光电效应的实验规律？

2．光电流是否随光源的强度变化而变化？截止电压是否因光强不同而变？ 3．若给定光电管，截止电压由谁而定？说明原因。 4．为什么测量截止电压时“电流量程”开关应处于10曲线时“电流量程”开关拨至10

1013A挡，而测光电管的伏安特性

A档？如果“电流量程”开关正好选反了，会发生什么

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现象？

5．测量的光电流是否完全是光电效应概念中的光电流？它受到哪些因素的影响？ 6．光电管的阴极、阳极材料的选用应考虑哪些因素？ 【课后思考题】

1． 由你自己的测量数据，计算365nm时，光电子的最大速度。

2. 自动测量测截止电压的测量结果与手动测量值相比较是否相同？通过实验，自己分析其原因。

实验六 光学全息照相

讲义见《大学物理实验》实验5-35 【课前思考题】

1． 全息图的再现物像为什么具有三维性?全息照相和普通照相有何区别? 2． 两列波的相干条件是什么?如何获得相干光? 3． 两列波光振动相互垂直,叠加后光强如何? 4． 若两列波振幅相差悬殊,则干涉效果如何?

5． 为了拍摄合乎要求的全息图，对拍摄系统有什么样的技术要求？ 6． 为什么要求光路中物光和参考光的光程尽量相等? 7． 如何获得全息图再现像？ 【报告要求强调】

写出观察再现象的具体方法及观察结果。 【课后思考题】

1．怎样进行二次曝光拍摄拍摄？实验条件需要怎样变化？

2．在观察全息照片（虚像）时，你能否尝试用手去触及再物像？而当你的手移近或远离再现物像时，能否据此来判断像的位置，大小及深度？

实验七 制做全息光栅

讲义见《大学物理实验》实验5-36 【课前思考题】

1. 制作全系光栅原理的核心是什么？ 2. 表示什么？怎样测量其大小？ 3. 光栅常数与有何关系？ 4. 怎样通过衍射像估算d？

5. 怎样用读数显微镜测量光栅的光栅常数？

6. 制作一个光栅常数较大的全息光栅对拍摄光路有何要求？ 7. 怎样制作二维光栅？

【实验内容】按老师所要求的方案作实验 方案一:拍摄全息光栅并测量其光栅常数

1．摆出书中所给实验光路，测，从而计算出d。 2.曝光、洗像。

3.使He－Ne激光通过全息光栅，观察衍射现象。 4.通过衍射像测量d，看与期望值是否一致。 方案二:

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1.借助于菲涅耳双面镜，自己设计一个光路，制作一个光栅常数较大的全息光栅。 2.曝光、洗像。

3.观察平行光通过全息光栅的衍射条纹，测量光栅常数的大小。 4.自己设计一个放大光路观察该光栅的像，并测量其光栅常数。 方案三：自己设计光路拍摄全息光栅并测量其光栅常数

熟悉实验光路图摆光路，改进光路，使两束光光程差要小。其余要求同方案一。 方案四：参照方案二，仅将第四点改为

4.通过读数显微镜观察全息光栅的像，并测量光栅常数的大小。 方案五：自己设计光路拍摄给定空间频率的全息光栅并测量其光栅常数 1.自己设计光路制作一空间频率定为u0=200线/mm的全息光栅。 2.曝光、洗像。

3.观察平行光通过全息光栅的衍射条纹。

4.根据衍射条纹测量光栅常数，与已知值进行比较。 方案六：

1.设计两种光路分别制作一个光栅常数较大和光栅常数较小的全息光栅。 2.曝光、洗像。

3.观察平行光通过全息光栅的衍射条纹。 4.根据衍射条纹测量光栅常数。

方案七：设计光路制作一正交光栅，并测量其光栅常数。 【实验中的关键问题】 1．平行光的实现； 2．要小； 3．光程差要小； 4．曝光、显影时间适当。 【报告要求】 1． 画出实验光路图；

2． 写出测量原理，画出原理图； 3． 写出具体的实验步骤； 4． 给出测量结果和实验结论。 【课后思考题】

1. 该实验中曝光时间为什么那么短？ 2．你还能设计出其它拍摄全息光栅的光路吗？

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