本實用新型屬于科學、醫(yī)學或數(shù)學用的模型，例如用于演示的具有真實尺寸的裝置的技術(shù)領域，特別涉及一種高精度、低誤差的普朗克常數(shù)測量實驗裝置。
背景技術(shù)：
量子理論是近代物理學的基礎之一，其中的普朗克常數(shù)h對其發(fā)展起著不可估量的作用，如何簡單、快速而又準確地求出普朗克常數(shù)一直以來是一個研究熱點。
目前，最常用的實驗是光電效應測量普朗克常數(shù)，該實驗在眾多高校的近代物理實驗中占據(jù)重要的地位，是各大學普遍開設的實驗內(nèi)容，實驗主要通過零點法、拐點法或曲率法測量遏止電壓Ua與頻率 間的關(guān)系，利用最小二乘法擬合，間接求出h值。
然而，現(xiàn)有的普朗克常數(shù)測量裝置主要存在以下三個缺點：（1）通過濾色片獲得的單色光單色性不好，其本身具有一定的帶寬；（2）濾色片帶寬過寬，測量誤差大；（3）實驗數(shù)據(jù)記錄繁瑣易錯，實驗處理繁瑣，通常只用零點法一種方法測量遏止電壓，因而無法比較三種方法的測量誤差。目前尚無一種有效的實驗裝置，既能讓實驗操作者理解各種誤差產(chǎn)生的原因，又能產(chǎn)生若干組的實驗數(shù)據(jù)最大程度的避免誤差，實驗操作者往往對誤差沒有直觀的認識，進而無法更好的理解普朗克常數(shù)測量的實驗意義。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本實用新型解決的技術(shù)問題是，現(xiàn)有技術(shù)中，尚無一種有效的實驗裝置，既能讓實驗操作者理解各種誤差產(chǎn)生的原因，又能產(chǎn)生若干組的實驗數(shù)據(jù)最大程度的避免誤差，實驗操作者往往對誤差沒有直觀的認識，進而無法更好的理解普朗克常數(shù)測量的實驗意義的問題，進而提供了一種優(yōu)化結(jié)構(gòu)的普朗克常數(shù)測量實驗裝置。
本實用新型所采用的技術(shù)方案是，一種普朗克常數(shù)測量實驗裝置，包括底座，所述底座上設有第一暗箱和第二暗箱，所述第一暗箱和第二暗箱包括箱體和通光管道，所述第一暗箱和第二暗箱的通光管道相對設置，所述第一暗箱和第二暗箱的通光管道的中心軸重合；所述第一暗箱的箱體內(nèi)設有與第一暗箱的通光管道等高的復色光源，所述復色光源連接有電源；所述第二暗箱的通光管道上設有濾光片插槽，所述濾光片插槽的側(cè)部鉸接設有濾光片組，所述濾光片插槽背向復色光源側(cè)的通光管道內(nèi)同軸設有光闌，所述第二暗箱的箱體內(nèi)設有與所述光闌同軸配合設置的光電發(fā)生管，所述光電發(fā)生管連接有測試儀；所述測試儀上設有RS232通信接口，所述測試儀通過RS232數(shù)據(jù)線連接至配合設置的計算機。
優(yōu)選地，所述濾光片組包括通過波長為365nm、405nm、436nm、546nm和577nm的帶通濾光片。
優(yōu)選地，所述帶通濾光片為窄帶濾光片，所述窄帶濾光片的帶寬分別為63～65nm、25～27nm、27～29nm、27～29nm和24～26nm。
優(yōu)選地，所述濾光片組還包括若干有色玻璃濾光片。
優(yōu)選地，所述實驗裝置還包括自動對準裝置，所述自動對準裝置包括紅外線發(fā)射裝置和紅外線接收裝置，所述紅外線發(fā)射裝置和紅外線接收裝置分別設于所述第一暗箱和第二暗箱與通光管道相對的箱體內(nèi)壁上，所述紅外線發(fā)射裝置和紅外線接收裝置設于所述第一暗箱和第二暗箱的通光管道的中心軸上；所述紅外線發(fā)射裝置和紅外線接收裝置連接至控制器。
優(yōu)選地，所述復色光源為汞燈。
優(yōu)選地，所述第一暗箱的箱體包括可拆卸上蓋，所述第一暗箱的箱體底部和底座配合設有螺孔，所述復色光源包括光源本體和設于光源下的支撐桿，所述支撐桿下部設有與所述螺孔配合的螺紋。
本實用新型提供了一種優(yōu)化結(jié)構(gòu)的普朗克常數(shù)測量實驗裝置，通過在底座上設置包括箱體和相對的通光管道的第一暗箱和第二暗箱，在保證第一暗箱和第二暗箱的通光管道的中心軸重合的前提下，使得實驗部件處于同一軸線上，保證實驗結(jié)果的精準；通過在第一暗箱內(nèi)設置復色光源、第二暗箱內(nèi)順次在濾光片插槽中切換鉸接的濾光片組，利用其后放設置的光闌和光電發(fā)生管進行普朗克常數(shù)測量，由測試儀通過RS232通信接口、RS232數(shù)據(jù)線利用計算機快速準確的測量光電管的伏安特性曲線。本實用新型使得實驗的測量精度大幅提升，有助于更加直觀的理解單色光單色性對普朗克常數(shù)測量的影響以及理解能量量子化的概念，實驗操作者可以對誤差形成更為直觀的認識，理解普朗克常數(shù)測量的實驗意義，可同時通過零點法、拐點法和曲率法三種方法測量普朗克常數(shù)及相對誤差，可以更加方便的比較三種方法的測量誤差。
附圖說明
圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本實用新型的復色光源的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本實用新型做進一步的詳細描述，但本實用新型的保護范圍并不限于此。
本實用新型涉及一種普朗克常數(shù)測量實驗裝置，包括底座1，所述底座1上設有第一暗箱2和第二暗箱3，所述第一暗箱2和第二暗箱3包括箱體和通光管道4，所述第一暗箱2和第二暗箱3的通光管道4相對設置，所述第一暗箱2和第二暗箱3的通光管道4的中心軸重合；所述第一暗箱2的箱體內(nèi)設有與第一暗箱2的通光管道4等高的復色光源5，所述復色光源5連接有電源；所述第二暗箱3的通光管道4上設有濾光片插槽6，所述濾光片插槽6的側(cè)部鉸接設有濾光片組7，所述濾光片插槽6背向復色光源5側(cè)的通光管道4內(nèi)同軸設有光闌8，所述第二暗箱3的箱體內(nèi)設有與所述光闌8同軸配合設置的光電發(fā)生管9，所述光電發(fā)生管9連接有測試儀10；所述測試儀10上設有RS232通信接口，所述測試儀10通過RS232數(shù)據(jù)線連接至配合設置的計算機11。
本實用新型中，在底座1上設置第一暗箱2和第二暗箱3，以底座1將第一暗箱2和第二暗箱3的相對位置固定下來，保證實驗數(shù)據(jù)的精準性。
本實用新型中，第一暗箱2和第二暗箱3均包括箱體和通光管道4，第一暗箱2和第二暗箱3的通光管道4相對設置且第一暗箱2和第二暗箱3的通光管道4的中心軸重合，這使得第一暗箱2和第二暗箱3處于正對的狀態(tài)下，進而保證實驗部件處于同一軸線上，保證實驗的順利進行，實驗結(jié)果精準。
本實用新型中，第一暗箱2內(nèi)設置有復色光源5，復色光源5與第一暗箱2的通光管道4等高，通電后其可以通過通光管道4射出光線。
本實用新型中，第二暗箱3的通光管道4上順次設置濾光片插槽6和光闌8，在第二暗箱3的箱體內(nèi)設置光電發(fā)生管9，實驗操作者可以在濾光片插槽6內(nèi)按照一定的實驗順序換濾光片，利用光闌8和光電發(fā)生管9進行普朗克常數(shù)測量。
本實用新型中，濾光片插槽6可以是一個弧形槽，一般情況下，在通光管道4的上半圓管上開設槽結(jié)構(gòu)，以通光管道4的下半圓管為支撐放置濾光片。
本實用新型中，為了保證實驗數(shù)據(jù)的有序性，在濾光片插槽6的側(cè)部鉸接設置濾光片組7，鉸接的設置固定了放置濾光片的順序，實驗操作者可以順次記錄下實驗數(shù)據(jù)，便于數(shù)據(jù)管理。
本實用新型中，光電發(fā)生管9連接有測試儀10，測試儀10可以通過RS232通信接口、RS232數(shù)據(jù)線連接至計算機11，利用計算機11快速準確的利用零點法、拐點法和曲率法三種方法測量光電發(fā)生管9的遏止電壓，得到伏安特性曲線，最終利用最小二乘法擬合計算出普朗克常數(shù)及其誤差，這可以更加直觀的理解普朗克測量誤差的來源以及理解能量量子化的概念。
本實用新型使得實驗的測量精度大幅提升，有助于更加直觀的理解單色光單色性對普朗克常數(shù)測量的影響以及理解能量量子化的概念，實驗操作者可以對誤差形成更為直觀的認識，理解普朗克常數(shù)測量的實驗意義，可同時通過零點法、拐點法和曲率法三種方法測量普朗克常數(shù)及相對誤差，可以更加方便的比較三種方法的測量誤差。
所述濾光片組7包括通過波長為365nm、405nm、436nm、546nm和577nm的帶通濾光片。
所述帶通濾光片為窄帶濾光片，所述窄帶濾光片的帶寬分別為63～65nm、25～27nm、27～29nm、27～29nm和24～26nm。
本實用新型中，采用窄帶寬的干涉濾光片構(gòu)成濾光片組7，大幅提升測量精度，解決帶寬過寬導致實驗誤差大的問題，有助于實驗操作者更加直觀的理解單色光單色性對普朗克常數(shù)測量的影響以及理解能量量子化的概念。
本實用新型中，一般情況下，濾光片組7為通過波長為365nm、405nm、436nm、546nm和577nm的帶通濾光片，在此波長下，選用窄帶濾光片，濾光片的帶寬為20～70nm，實際根據(jù)譜線測得的帶寬一般分別為64nm、26 nm、28 nm、28 nm和25nm，第三或第四濾光片的帶寬可以為27nm或29nm以與另一濾光片區(qū)分，在實際的實驗過程中，濾光片的帶寬允許有1～3nm的浮動。
所述濾光片組7還包括若干有色玻璃濾光片。
本實用新型中，為了更好的理解帶寬與測量精度間的關(guān)系，故在濾光片組7中還設置若干有色玻璃濾光片，保證實驗操作者更加直觀的理解單色光單色性及帶寬對普朗克常數(shù)測量的影響以及理解能量量子化的概念。
所述實驗裝置還包括自動對準裝置，所述自動對準裝置包括紅外線發(fā)射裝置12和紅外線接收裝置13，所述紅外線發(fā)射裝置12和紅外線接收裝置13分別設于所述第一暗箱2和第二暗箱3與通光管道4相對的箱體內(nèi)壁上，所述紅外線發(fā)射裝置12和紅外線接收裝置13設于所述第一暗箱2和第二暗箱3的通光管道4的中心軸上；所述紅外線發(fā)射裝置12和紅外線接收裝置13連接至控制器。
本實用新型中，為了使得實驗操作者能夠加深對于實驗的理解和進一步提升實驗的精準性，故在實驗裝置中還設置包括紅外線發(fā)射裝置12和紅外線接收裝置13的自動對準裝置，將紅外線發(fā)射裝置12和紅外線接收裝置13分別設置在第一暗箱2和第二暗箱3的相對的箱體內(nèi)壁上，控制器控制紅外線發(fā)射裝置12發(fā)射紅外線信號后，依次通過第一暗箱2和第二暗箱3的通光管道4后，如能由紅外線接收裝置13接收，則表示本實用新型的可以順利用于實驗及測量，如不能，則應當調(diào)整實驗零部件，直至能由紅外線接收裝置13接收為止。
所述復色光源5為汞燈。
本實用新型中，復色光源5選擇汞燈，汞燈具有柔和的白色燈光，兼有上述的波長的光，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，光效長，壽命長，省電經(jīng)濟，實驗時僅需接通電源即可，操作簡單。
所述第一暗箱2的箱體包括可拆卸上蓋，所述第一暗箱2的箱體底部和底座1配合設有螺孔，所述復色光源5包括光源14本體和設于光源14下的支撐桿15，所述支撐桿15下部設有與所述螺孔配合的螺紋16。
本實用新型中，為了使得實驗操作者能有效理解實驗各零部件的操作，同時亦能理解通光管道4等高同軸的意義，故可將第一暗箱2的箱體設置可拆卸上蓋，同時在第一暗箱2的箱體底部和底座1配合設置螺孔，當復色光源5高度沒有達到實驗要求時，可以通過復色光源5的支撐桿15上的螺紋16與螺孔配合，光源14本體根據(jù)需求抬升或降下，最終滿足實驗部件等高同軸的要求。
本實用新型的工作原理為，搭建好實物器件，利用LabVIEW程序，將RS232端口的波特率設置為9600，流控制和奇偶校驗設置為None，數(shù)據(jù)位設置為8位，停止位設置為1.0，將測試儀10的電流量程設置為0.1pA。設置加速電壓掃描范圍為-2.5V到-0.3V，掃描數(shù)據(jù)點數(shù)為35個，相鄰兩個掃描點之間等待300ms。分別對有色玻璃濾光片和帶通濾光片的365nm、405nm、436nm、546nm和577nm五個波長進行伏安特性曲線測量并自動保存測量數(shù)據(jù)，再分別利用零點法、拐點法和曲率法測量出兩種濾光片五個波長相對應的遏止電壓并自動保存數(shù)據(jù)，最后利用最小二乘法對兩種濾光片使用三種方法確定的遏止電壓與對應的頻率進行擬合，計算出普朗克常數(shù)及相對誤差并自動保存數(shù)據(jù)。使用三種方法測得有色玻璃濾光片和帶通濾光片的遏止電壓如表1所示，使用三種方法測得有色玻璃濾光片和帶通濾光片的普朗克常數(shù)及相對誤差如表2所示。
表1：使用三種方法測得有色玻璃濾光片和帶通濾光片的遏止電壓
表2：使用三種方法測得有色玻璃濾光片和帶通濾光片的普朗克常數(shù)及相對誤差
從表1可以看出，不管是有色濾光片還是干涉濾光片，都有五塊，即五個波長，不僅濾光片的帶寬會影響實驗誤差，三種求得遏止電壓的方法所得到的測量值也各有千秋。
從表2可以看出，不管使用哪種帶寬的濾光片，使用曲率法測得的相對誤差較其它兩種方法要小，其次為拐點法，誤差最大的為零點法；從表2還可以看出，使用相同的方法，利用窄帶寬的帶通濾光片可以大幅提高測量精度。
本實用新型解決了現(xiàn)有技術(shù)中，尚無一種有效的實驗裝置，既能讓實驗操作者理解各種誤差產(chǎn)生的原因，又能產(chǎn)生若干組的實驗數(shù)據(jù)最大程度的避免誤差，實驗操作者往往對誤差沒有直觀的認識，進而無法更好的理解普朗克常數(shù)測量的實驗意義的問題，通過在底座1上設置包括箱體和相對的通光管道4的第一暗箱2和第二暗箱3，在保證第一暗箱2和第二暗箱3的通光管道4的中心軸重合的前提下，使得實驗部件處于同一軸線上，保證實驗結(jié)果的精準；通過在第一暗箱2內(nèi)設置復色光源5、第二暗箱3內(nèi)順次在濾光片插槽6中切換鉸接的濾光片組7，利用其后放設置的光闌8和光電發(fā)生管9進行普朗克常數(shù)測量，由測試儀10通過RS232通信接口、RS232數(shù)據(jù)線利用計算機11快速準確的測量光電管的伏安特性曲線。本實用新型使得實驗的測量精度大幅提升，有助于更加直觀的理解單色光單色性對普朗克常數(shù)測量的影響以及理解能量量子化的概念，實驗操作者可以對誤差形成更為直觀的認識，理解普朗克常數(shù)測量的實驗意義，可同時通過零點法、拐點法和曲率法三種方法測量普朗克常數(shù)及相對誤差，可以更加方便的比較三種方法的測量誤差。