采用压力传感器测量普朗克常量的实验装置制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种基于压力传感器的用于测量普朗克常量的实验设备，所述实验设备包括：光电头、光源、光源频率调节装置以及基座，其中，所述光电头包括金属片、薄膜式压力传感器和压力值输出器，所述基座支撑光电头和光源并且能够调节二者的位置和取向。本实用新型采用压力传感器来测量被照射金属表面所发射出的电子，而不是像现有技术中那样，测量电子所带来的电信号。相对于采用光电管测量电信号而言，采用压力传感器测压力不需要外加电压，且不需要阳极。因此，避免了阳极电流、暗电流和接触电位差，提高了实验精度。
【专利说明】采用压力传感器测量普朗克常量的实验装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及量子物理领域，具体涉及一种通过测量电子恰好无法逸出金属表面时的入射光的频率来求得普朗克常量的物理实验设备。
【背景技术】
[0002]目前大学物理实验中测量普朗克常量的实验设备均采用光电效应来对普朗克常量进行测量。金属表面在光辐照作用下发射电子的效应称为光电效应，根据爱因斯坦光电效应方程Ek=h V -Ws,改变入射光频率，当入射光频率恰好无法使电子逸出金属表面时，即
Ek=0时，h=ws/v0即可求得普朗克常量的值。
[0003]具体而言，常规实验装置的原理为当有入射光照射到光电管阴极上时，光电管产生的光电子向阳极迁移构成光电流，在光电管电极上加上反向电压，通过不断改变电压的大小并且测量出光电流的大小，可以得出光电管的伏安特性曲线。
[0004]根据截止电压与入射光频率的线性关系改变入射光频率，测量对应
的截止电压，在直角坐标系中作出us_v关系曲线，由该曲线的斜率即可求出普朗克常量。这种实验装置无法排除暗电流对于测量结果造成的误差，导致计算结果离标准值相差甚多，且在坐标系中作图求斜率的方法工作量大，精度低。
实用新型内容
[0005]本实用新型提供了一种采用压力传感器测量普朗克常量的实验装置。该实验装置简单易操作，测量精度高。
[0006]本实用新型是基于这样的原理:
[0007]金属表面在光福照作用下发射电子的效应称为光电效应，发射出来的电子叫做光电子，光波长小于某一临界值时方能发射电子，即极限波长，对应的光的频率叫做极限频率。根据爱因斯坦光电效应方程Ek=h V-Ws，其中，Ws为金属中电子的逸出功。当入射光以
,m
极限频率Vtl入射时，光电效应恰好不能发生，此时有Ek=Iivc1-Ws=O,则A 可得出普朗
VO ,
克常量的值。
[0008]本实用新型采用压力传感器来测量被照射金属表面所发射出的电子，而不是像现有技术中那样，测量电子所带来的电信号。相对于采用光电管测量电信号而言，采用压力传感器测压力不需要外加电压，且不需要阳极。因此，避免了阳极电流、暗电流和接触电位差，提闻了实验精度。
[0009]本实用新型提供一种基于压力传感器的用于测量普朗克常量的实验设备，其特征在于，所述实验设备包括:光电头、光源、光源频率调节装置以及基座，其中，所述光电头包括金属片、薄膜式压力传感器和压力值输出器，所述基座支撑所述光电头和所述光源，[0010]所述金属片呈弧形，弧形的开口方向朝向所述薄膜式压力传感器；
[0011]所述薄膜式压力传感器的中心处开有孔洞；
[0012]所述光源用于发射具有预定频率范围的光；
[0013]所述光源频率调节装置与所述光源集成在一起，用于接收所述光源所发出的光并且对所接收到的光进行带通滤波，从而输出具有预定频率的输出光，并且所述光源频率调节装置能够调节所述输出光的频率，此外，所述光源频率调节装置将所述输出光指向所述薄膜式压力传感器的中心处的孔洞，进而使所述输出光穿过薄膜式压力传感器照射在所述金属片的内表面上；
[0014]所述金属片接收来自所述光源的并穿过所述薄膜式压力传感器的孔洞的输出光，并且在所述输出光的作用下相应地发射出电子；
[0015]所述薄膜式压力传感器接收所述金属片发出的电子、测量由电子撞击导致的压力并通过所述压力值输出器来输出相应测得的压力值。
[0016]优选地，所述光源频率调节装置由高到低逐渐调节所述输出光的频率，直到所述压力值输出器所输出的压力为零。
[0017]优选地，所述光源频率调节装置由高到低逐渐调节所述输出光的频率，直到所述压力值输出器所输出的压力为低于预定阈值，然后停止对所述输出光频率的调节，维持预定时间。
[0018]优选地，所述实验设备还包括光阑，所述光阑置于所述光电头的入光口处，用于调节进入所述光电头的光束的形状和尺寸，所述光阑与所述薄膜式压力传感器的孔洞对准，并且所述光阑的孔径小于所述薄膜式压力传感器的孔洞的尺寸。
[0019]优选地，所述光源频率调节装置包括带通滤波器、频率调节按钮、频率值显示窗。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为根据本实用新型的一个实施例的物理实验设备的示意图；
[0021]图2为在图1中从右向左看去，图1所示实验设备的光电头中的金属片2和薄膜式压力传感器3的局部示意图；
[0022]图3为从图2中的左侧看去，图1中所示实验设备中的金属片2和薄膜式压力传感器3的示意图。
【具体实施方式】
[0023]图1示意性地示出了根据本实用新型的一个实施例的物理实验设备。如图1所示，该实验设备包括两个主要部分:光电头I和光源7，二者均通过基座12支撑。光电头I包括金属片2、薄膜式压力传感器3和压力值输出器5。光源7处还具有光源频率调节装置。基座12支撑光电头I和光源7，并且，通过基座12能够调节光电头I和光源7的位置和朝向，进而，将光源7所发射的激光对准光电头I。所述光电头I和所述光源7均能够在所述基座12上滑动和/或转动
[0024]如图1所示，从右到左，本实用新型的实验设备中各主要部件的放置顺序依次为:光源7、薄膜式压力传感器3、金属片2。也就是说，相对于金属片2而已，薄膜式压力传感器3更加靠近光源7。[0025]金属片2呈弧形，弧形的开口方向朝向所述薄膜式压力传感器3，所述薄膜式压力传感器3的中心处开有孔洞4。金属片2和薄膜式压力传感器3的形状从图2和图3中可以更清楚地看出，并且将在下文中进一步描述。
[0026]光源7用于发射具有预定频率范围的光。光源频率调节装置(图中未示出)与所述光源7集成在一起，用于接收所述光源7所发出的光并且对所接收到的光进行带通滤波，从而输出具有预定频率的输出光，并且所述光源频率调节装置能够调节所述输出光的频率。实际上，在本实施例中，光源频率调节装置采用透过频率可调的带通滤波器，该带通滤波器仅允许期望频率的光从光源频率调节装置出射。换言之，也可以认为，在光源频率调节装置的作用下，光源仅对外输出特定频率的光，并且该特定频率可调节。
[0027]优选地，本实用新型中的光源采用汞灯。汞灯6经过滤波器后可输出的光波，其频率单一，且可通过频率调节按键8、9使其连续变化。
[0028]在本实施例中，如图1所示，光源频率调节装置还包括频率调节按钮8、9和频率显示窗10。两个频率调节按钮8和9分别用于向更高频率和更低频率调节光源7的输出光的频率，频率调节按钮8增大频率,频率调节按钮9减小频率。频率显示窗10能够显示经频率调节后的输出光的频率。
[0029]光源7发出的光经频率调节装置调节后射向光电头1，更具体而言，射向薄膜式压力传感器3的中心的孔洞4。光束穿过孔洞4之后，继续行进照射到金属片2的内表面上。
[0030]在本实施例中,所述实验设备还包括光阑6,所述光阑6置于所述光电头I的入光口处，用于调节进入所述光电头I的光束的形状和尺寸，所述光阑6的最大孔径尺寸大于所述薄膜式压力传感器3的孔洞4的尺寸。另外，在安装光阑时，需要保证光阑6的孔径中心与薄膜式压力传感器3的孔洞4中心对准。
[0031 ] 金属片2接收来自光源7的并穿过薄膜式压力传感器3的孔洞4的光，并且如果光子的频率大于金属发射电子的临界频率，则金属片2在光子的激发下相应地发射出电子。
[0032]由于金属片2的开口朝向薄膜式压力传感器3，并且薄膜式压力传感器3基本覆盖金属片2的开口。薄膜式压力传感器3能够接收所述金属片2发出的基本上全部电子，从而测量出由电子撞击导致的压力。薄膜式压力传感器3将所测得压力传送给压力值输出器5，并通过所述压力值输出器5来输出测得的压力值。
[0033]此外，如图1所示，本实施例中的物理实验设备还包括光源电源11。本领域技术人员应该理解，即使没有单独描述光源电源11，显然光源7也应该包括其自身的电源，即电源11可以集成于光源7中。
[0034]本实用新型采用高灵敏度薄膜式压力传感器3，其具有体积小、厚度薄、高灵敏度、小量程的特点。薄膜式压力传感器3的孔洞4使光束能够通过，进而照射到弧形的金属片2的内表面。将薄膜式压力传感器3放置在弧形金属片2前端，来检测是否有电子逸出金属表面。若有电子逸出，则薄膜式压力传感器3返回非零值，在压力值显示器5上显示了压力传感器检测到的压力值。
[0035]图2是图1的实验设备的金属片2和薄膜式压力传感器3的放大示意视图，该视图是沿着图1中的激光入射方向朝向所述薄膜式压力传感器3看去所得到的视图。从图中可以看出，薄膜式压力传感器3由四个支架13固定在金属片2上。
[0036]图3是从图2中左侧朝向薄膜式压力传感器3和金属片2看去所得到的的示意性视图。在图3中为了方便观看，并没有画出支架13和薄膜式压力传感器3的中心孔洞。
[0037]在本实用新型的实验设备工作时，调苄基座12，确保光源正对光阑6的孔径，并且进而对准光电头1中的薄膜式压力传感器3的中心的孔洞4。根据需要通过光阑6调整入射进入光电头1的光的强度。然后，自动地或手动地控制光源频率调节装置，由高到低逐渐调节光源的输出光的频率，并不断地观察压力值输出器5的读数，直到所述压力值输出器5所输出的压力值为零为止。记下此时的输出光频率。
[0038]更具体而言，通过采用光源频率调节装置不断地调节进入光电头1的入射光的频率，若入射光频率大于v0，则入射光在金属表面发生光电效应，金属表面逸出光电子，高速地打在薄膜式压力传感器3上,薄膜式压力传感器的压力值输出器5输出一个非零的值。通过频率调节按键8降低入射光频率，观察到压力值输出器5输出值逐渐减小，直到接近0，记录此时频率显示窗10中示数，即为使光电子恰好无法逸出金属表面时的入射光的临界频
率值。此时有Ek=h V 0-Ws=0，则
【权利要求】
1.一种采用压力传感器测量普朗克常量的实验装置，其特征在于，所述实验设备包括:光电头(I)、光源(7)、光源频率调节装置以及基座(12)，其中，所述光电头(I)包括金属片(2)、薄膜式压力传感器(3)和压力值输出器(5)，所述基座(12)支撑所述光电头(I)和所述光源(7)， 所述光电头(I)和所述光源(7 )均能够在所述基座(12 )上滑动和/或转动； 所述金属片(2)呈弧形，弧形的开口方向朝向所述薄膜式压力传感器(3)； 所述薄膜式压力传感器(3)的中心处开有孔洞(4)； 所述光源(7)用于发射具有预定频率范围的光； 所述光源频率调节装置与所述光源(7 )集成在一起，用于接收所述光源(7 )所发出的光并且对所接收到的光进行带通滤波，从而输出具有预定频率的输出光，并且所述光源频率调节装置能够调节所述输出光的频率，此外，所述光源频率调节装置将所述输出光指向所述薄膜式压力传感器(3)的中心处的孔洞(4)，进而使所述输出光穿过薄膜式压力传感器(3)照射在所述金属片(2)的内表面上； 所述金属片(2)接收来自所述光源(7)的并穿过所述薄膜式压力传感器(3)的孔洞(4)的输出光，并且在所述输出光的作用下相应地发射出电子； 所述薄膜式压力传感器(3)接收所述金属片(2)发出的电子、测量由电子撞击导致的压力并通过所述压力值输出器(5)来输出相应测得的压力值； 所述光源频率调节装置包括带通滤波器、频率调节按钮、频率值显示窗。
2.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述光源频率调节装置由高到低逐渐调节所述输出光的频率，直到所述压力值输出器(5)所输出的压力为零，所述实验装置基于所述压力值输出器(5)所输出的压力为零时所述输出光的频率确定普朗克常量。
3.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述光源频率调节装置由高到低逐渐调节所述输出光的频率，直到所述压力值输出器(5)所输出的压力为低于预定阈值，然后停止对所述输出光频率的调节，维持预定时间，所述实验装置基于所述压力值输出器(5)所输出的压力低于预定阈值时所述输出光的频率确定普朗克常量。
4.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括光阑(6)，所述光阑(6)置于所述光电头(I)的入光口处，用于调节进入所述光电头(I)的光束的形状和尺寸，所述光阑(6)与所述薄膜式压力传感器(3)的孔洞(4)对准，并且所述光阑(6)的最大孔径尺寸大于所述薄膜式压力传感器(3)的孔洞(4)的尺寸。
【文档编号】G09B23/06GK203490869SQ201320657435
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年10月23日 优先权日:2013年10月23日
【发明者】潘梦莎, 王启银, 杨永刚, 杨保东, 罗昕, 张金晔, 张友玲 申请人:国家电网公司, 山西省电力公司大同供电分公司