應(yīng)用Excel處理夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

吳小娟

（中國民用航空飛行學(xué)院，四川廣漢 618307）

應(yīng)用Excel處理夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

吳小娟

（中國民用航空飛行學(xué)院，四川廣漢 618307）

應(yīng)用excel軟件快速準(zhǔn)確處理了夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，避免了大量繁雜的作圖工作，得到清晰直觀的結(jié)果。表明excel軟件對(duì)輔助處理物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常有效。

excel；夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)；數(shù)據(jù)處理

在物理實(shí)驗(yàn)中常常需要測(cè)量大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如果完全依靠手工處理，則工作量大、效率低，是一項(xiàng)非?？菰锓爆嵡屹M(fèi)時(shí)的工作。但大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)有助于理工科學(xué)生物理理論的學(xué)習(xí)和動(dòng)手能力的培養(yǎng)，是一門必修課程。為了提高學(xué)習(xí)效率，利用廣泛使用的數(shù)據(jù)分析軟件輔助物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理。

為了提高學(xué)習(xí)效率，利用計(jì)算機(jī)軟件來輔助處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。Excel軟件［1］作為安裝率和使用率極高的數(shù)據(jù)處理分析軟件，成為輔助軟件的首選。

夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)是一個(gè)非常經(jīng)典的物理實(shí)驗(yàn)，在研究原子內(nèi)部能量狀態(tài)時(shí)，將電子原子碰撞以及能量交換這種難以觀察的微觀過程用宏觀量反應(yīng)出來［2，3］，巧妙的證明原子內(nèi)部量子化能級(jí)的存在，并且可以測(cè)量原子的第一激發(fā)電位。雖然該實(shí)驗(yàn)意義重大，但其數(shù)據(jù)量很大，處理起來比較費(fèi)時(shí)。下面就以夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)（簡(jiǎn)稱F-H實(shí)驗(yàn)）為例，應(yīng)用excel軟件處理其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)室使用充滿氬氣的FH管，示意圖如圖1，其中K是發(fā)射電子的熱陰極，G1、G2分別是第一和第二柵極，A是接收電子的板極。陰極發(fā)射出的電子進(jìn)入G1G2區(qū)域后，將與管中的氬原子發(fā)生碰撞。當(dāng)加速電壓VG2k較小時(shí)，電子獲得的能量小于氬原子的第一激發(fā)能量，其與原子的碰撞是彈性碰撞，所以這部分電子穿越G2到達(dá)板極A，形成電流；當(dāng)VG2k增大到電子獲得的能量等于或超過氬原子的第一激發(fā)能量時(shí)，其與原子發(fā)生非彈性碰撞，碰撞后電子將動(dòng)能部分或全部傳遞給氬原子，使其躍遷到第一激發(fā)態(tài)，而電子本身所剩能量很小，以致不能克服拒斥電壓到達(dá)板極A，因而板極電流顯著下降。由于原子內(nèi)部能量是量子化的，因此板極的電流IA會(huì)隨加速電壓VG2k增加而呈現(xiàn)周期性的變化［4，5］。兩相鄰峰點(diǎn)（或谷尖）間的加速電壓差值，即為氬原子的第一激發(fā)電位值。

圖1　夫蘭克-赫茲管原理圖

2　數(shù)據(jù)處理

2.1原始數(shù)據(jù)記錄

按照儀器的最佳出廠參數(shù)分別設(shè)定燈絲電壓Vf=3.1 v；第一柵極電壓:VG1k=1.5 v；拒斥電壓: VG2A=10 V；電流量程1 μA，VG2k從0 v開始增加至80 V，步長(zhǎng)為1 V，分別對(duì)應(yīng)記錄IA的變化，數(shù)據(jù)如表1。

表1　夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

由表1可以看出只有作出IA-VG2K曲線才能直觀的看出電流變化的周期性，但數(shù)據(jù)量很大，手工作圖既耗時(shí)誤差也較大。

2.2數(shù)據(jù)輸入

要應(yīng)用excel軟件作圖，首先需要新建一個(gè)excel文檔，將表1所有的數(shù)據(jù)輸入sheet1中，VG2k值輸入sheet1的A欄中，對(duì)應(yīng)的IA值輸入B欄里。這不僅是利用軟件畫圖的第一步，而且同時(shí)將我們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)電子化，便于保存和調(diào)閱。

2.3繪制夫蘭克-赫茲管的IA-VG2K曲線

選中A欄和B欄的數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊工具欄中的插入按鈕——圖表，將彈出一個(gè)對(duì)話框，包含多種圖表類型，而夫蘭克-赫茲管的數(shù)據(jù)只包含2各變量，因此選中X-Y軸的散點(diǎn)圖；接著會(huì)出現(xiàn)不同的子圖表類型，選擇平滑線散點(diǎn)圖，點(diǎn)擊下一步出現(xiàn)圖表源數(shù)據(jù)，再點(diǎn)擊下一步出現(xiàn)圖表選項(xiàng)，在標(biāo)題選項(xiàng)下的圖表標(biāo)題填上圖1。夫蘭克-赫茲管的IA-VG2K曲線，數(shù)值軸（X）填上VG2K，數(shù)值軸（Y）填上IA，下一步之后點(diǎn)擊完成，得到圖2。

圖2　夫蘭克-赫茲管的IA-VG2K曲線

圖2清楚的反映板極電流IA隨加速電壓VG2K增加而周期性變化，并且將鼠標(biāo)移動(dòng)至峰值點(diǎn)或谷值點(diǎn)，會(huì)直接顯示該數(shù)據(jù)點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)，因此可以方便的得到表2。

表2　夫蘭克-赫茲管峰值電壓和谷值電壓表

2.4計(jì)算氬原子第一激發(fā)電位

用逐差法計(jì)算表2的數(shù)據(jù)，得到氬原子第一激發(fā)電位U0=11.56 V，十分接近與公認(rèn)的氬原子第一激發(fā)電位11.61 V。

3　結(jié) 論

利用大家熟知的excel軟件簡(jiǎn)單、快捷的處理了夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)中的大量數(shù)據(jù)，結(jié)果清晰明了。不但將學(xué)生從枯燥費(fèi)時(shí)的數(shù)據(jù)處理里解脫出來，同時(shí)激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情，值得在更多的物理實(shí)驗(yàn)中推廣。

［1］ 田紅梅.Excel在物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用研究［J］.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，6（2）: 33-37.

［2］ 王麗香，李寶勝.夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)最佳工作參量的確定［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2006，26（10）:38-40.

［3］ 孫晶華主編.操縱物理儀器獲取實(shí)驗(yàn)方法——物理實(shí)驗(yàn)教程［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2009.

［4］ 朱筱瑋，陳永麗.充氬弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)研究［J］.大學(xué)物理，2007，26（7）:46-48.

［5］ 張健民，才讓卓瑪.夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)中影響板極電流因素淺析［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2014（4）:58-61.

The Application of Excel in Data Processing of Franck-Hertz Experiment

WU Xiao-juan
（Civil Aviation Flight University of China，Sichuan Guanghan 618307）

The Franck-Hertz experimental data could be processed accurately and quickly by using Excel software.The result shows that Excel software is very efficient in experimental data processing.

Excel；Franck-Hertz experiment；data processing

O4-39

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.02.029

1007-2934（2015）02-0103-03

2014-11-04