采用壓力傳感器測(cè)量普朗克常量的實(shí)驗(yàn)裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型提供了一種基于壓力傳感器的用于測(cè)量普朗克常量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，所述實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括：光電頭、光源、光源頻率調(diào)節(jié)裝置以及基座，其中，所述光電頭包括金屬片、薄膜式壓力傳感器和壓力值輸出器，所述基座支撐光電頭和光源并且能夠調(diào)節(jié)二者的位置和取向。本實(shí)用新型采用壓力傳感器來(lái)測(cè)量被照射金屬表面所發(fā)射出的電子，而不是像現(xiàn)有技術(shù)中那樣，測(cè)量電子所帶來(lái)的電信號(hào)。相對(duì)于采用光電管測(cè)量電信號(hào)而言，采用壓力傳感器測(cè)壓力不需要外加電壓，且不需要陽(yáng)極。因此，避免了陽(yáng)極電流、暗電流和接觸電位差，提高了實(shí)驗(yàn)精度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】采用壓力傳感器測(cè)量普朗克常量的實(shí)驗(yàn)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及量子物理領(lǐng)域，具體涉及一種通過(guò)測(cè)量電子恰好無(wú)法逸出金屬表面時(shí)的入射光的頻率來(lái)求得普朗克常量的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]目前大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中測(cè)量普朗克常量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備均采用光電效應(yīng)來(lái)對(duì)普朗克常量進(jìn)行測(cè)量。金屬表面在光輻照作用下發(fā)射電子的效應(yīng)稱(chēng)為光電效應(yīng)，根據(jù)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程Ek=h V -Ws,改變?nèi)肷涔忸l率，當(dāng)入射光頻率恰好無(wú)法使電子逸出金屬表面時(shí)，即
Ek=0時(shí)，h=ws/v0即可求得普朗克常量的值。
[0003]具體而言，常規(guī)實(shí)驗(yàn)裝置的原理為當(dāng)有入射光照射到光電管陰極上時(shí)，光電管產(chǎn)生的光電子向陽(yáng)極遷移構(gòu)成光電流，在光電管電極上加上反向電壓，通過(guò)不斷改變電壓的大小并且測(cè)量出光電流的大小，可以得出光電管的伏安特性曲線(xiàn)。
[0004]根據(jù)截止電壓與入射光頻率的線(xiàn)性關(guān)系改變?nèi)肷涔忸l率，測(cè)量對(duì)應(yīng)
的截止電壓，在直角坐標(biāo)系中作出us_v關(guān)系曲線(xiàn)，由該曲線(xiàn)的斜率即可求出普朗克常量。這種實(shí)驗(yàn)裝置無(wú)法排除暗電流對(duì)于測(cè)量結(jié)果造成的誤差，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果離標(biāo)準(zhǔn)值相差甚多，且在坐標(biāo)系中作圖求斜率的方法工作量大，精度低。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型提供了一種采用壓力傳感器測(cè)量普朗克常量的實(shí)驗(yàn)裝置。該實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單易操作，測(cè)量精度高。
[0006]本實(shí)用新型是基于這樣的原理:
[0007]金屬表面在光福照作用下發(fā)射電子的效應(yīng)稱(chēng)為光電效應(yīng)，發(fā)射出來(lái)的電子叫做光電子，光波長(zhǎng)小于某一臨界值時(shí)方能發(fā)射電子，即極限波長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的光的頻率叫做極限頻率。根據(jù)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程Ek=h V-Ws，其中，Ws為金屬中電子的逸出功。當(dāng)入射光以

,m
極限頻率Vtl入射時(shí)，光電效應(yīng)恰好不能發(fā)生，此時(shí)有Ek=Iivc1-Ws=O,則A 可得出普朗





VO ,
克常量的值。
[0008]本實(shí)用新型采用壓力傳感器來(lái)測(cè)量被照射金屬表面所發(fā)射出的電子，而不是像現(xiàn)有技術(shù)中那樣，測(cè)量電子所帶來(lái)的電信號(hào)。相對(duì)于采用光電管測(cè)量電信號(hào)而言，采用壓力傳感器測(cè)壓力不需要外加電壓，且不需要陽(yáng)極。因此，避免了陽(yáng)極電流、暗電流和接觸電位差，提聞了實(shí)驗(yàn)精度。
[0009]本實(shí)用新型提供一種基于壓力傳感器的用于測(cè)量普朗克常量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，其特征在于，所述實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括:光電頭、光源、光源頻率調(diào)節(jié)裝置以及基座，其中，所述光電頭包括金屬片、薄膜式壓力傳感器和壓力值輸出器，所述基座支撐所述光電頭和所述光源，[0010]所述金屬片呈弧形，弧形的開(kāi)口方向朝向所述薄膜式壓力傳感器；
[0011]所述薄膜式壓力傳感器的中心處開(kāi)有孔洞；
[0012]所述光源用于發(fā)射具有預(yù)定頻率范圍的光；
[0013]所述光源頻率調(diào)節(jié)裝置與所述光源集成在一起，用于接收所述光源所發(fā)出的光并且對(duì)所接收到的光進(jìn)行帶通濾波，從而輸出具有預(yù)定頻率的輸出光，并且所述光源頻率調(diào)節(jié)裝置能夠調(diào)節(jié)所述輸出光的頻率，此外，所述光源頻率調(diào)節(jié)裝置將所述輸出光指向所述薄膜式壓力傳感器的中心處的孔洞，進(jìn)而使所述輸出光穿過(guò)薄膜式壓力傳感器照射在所述金屬片的內(nèi)表面上；
[0014]所述金屬片接收來(lái)自所述光源的并穿過(guò)所述薄膜式壓力傳感器的孔洞的輸出光，并且在所述輸出光的作用下相應(yīng)地發(fā)射出電子；
[0015]所述薄膜式壓力傳感器接收所述金屬片發(fā)出的電子、測(cè)量由電子撞擊導(dǎo)致的壓力并通過(guò)所述壓力值輸出器來(lái)輸出相應(yīng)測(cè)得的壓力值。
[0016]優(yōu)選地，所述光源頻率調(diào)節(jié)裝置由高到低逐漸調(diào)節(jié)所述輸出光的頻率，直到所述壓力值輸出器所輸出的壓力為零。
[0017]優(yōu)選地，所述光源頻率調(diào)節(jié)裝置由高到低逐漸調(diào)節(jié)所述輸出光的頻率，直到所述壓力值輸出器所輸出的壓力為低于預(yù)定閾值，然后停止對(duì)所述輸出光頻率的調(diào)節(jié)，維持預(yù)定時(shí)間。
[0018]優(yōu)選地，所述實(shí)驗(yàn)設(shè)備還包括光闌，所述光闌置于所述光電頭的入光口處，用于調(diào)節(jié)進(jìn)入所述光電頭的光束的形狀和尺寸，所述光闌與所述薄膜式壓力傳感器的孔洞對(duì)準(zhǔn)，并且所述光闌的孔徑小于所述薄膜式壓力傳感器的孔洞的尺寸。
[0019]優(yōu)選地，所述光源頻率調(diào)節(jié)裝置包括帶通濾波器、頻率調(diào)節(jié)按鈕、頻率值顯示窗。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備的示意圖；
[0021]圖2為在圖1中從右向左看去，圖1所示實(shí)驗(yàn)設(shè)備的光電頭中的金屬片2和薄膜式壓力傳感器3的局部示意圖；
[0022]圖3為從圖2中的左側(cè)看去，圖1中所示實(shí)驗(yàn)設(shè)備中的金屬片2和薄膜式壓力傳感器3的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]圖1示意性地示出了根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備。如圖1所示，該實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括兩個(gè)主要部分:光電頭I和光源7，二者均通過(guò)基座12支撐。光電頭I包括金屬片2、薄膜式壓力傳感器3和壓力值輸出器5。光源7處還具有光源頻率調(diào)節(jié)裝置。基座12支撐光電頭I和光源7，并且，通過(guò)基座12能夠調(diào)節(jié)光電頭I和光源7的位置和朝向，進(jìn)而，將光源7所發(fā)射的激光對(duì)準(zhǔn)光電頭I。所述光電頭I和所述光源7均能夠在所述基座12上滑動(dòng)和/或轉(zhuǎn)動(dòng)
[0024]如圖1所示，從右到左，本實(shí)用新型的實(shí)驗(yàn)設(shè)備中各主要部件的放置順序依次為:光源7、薄膜式壓力傳感器3、金屬片2。也就是說(shuō)，相對(duì)于金屬片2而已，薄膜式壓力傳感器3更加靠近光源7。[0025]金屬片2呈弧形，弧形的開(kāi)口方向朝向所述薄膜式壓力傳感器3，所述薄膜式壓力傳感器3的中心處開(kāi)有孔洞4。金屬片2和薄膜式壓力傳感器3的形狀從圖2和圖3中可以更清楚地看出，并且將在下文中進(jìn)一步描述。
[0026]光源7用于發(fā)射具有預(yù)定頻率范圍的光。光源頻率調(diào)節(jié)裝置(圖中未示出)與所述光源7集成在一起，用于接收所述光源7所發(fā)出的光并且對(duì)所接收到的光進(jìn)行帶通濾波，從而輸出具有預(yù)定頻率的輸出光，并且所述光源頻率調(diào)節(jié)裝置能夠調(diào)節(jié)所述輸出光的頻率。實(shí)際上，在本實(shí)施例中，光源頻率調(diào)節(jié)裝置采用透過(guò)頻率可調(diào)的帶通濾波器，該帶通濾波器僅允許期望頻率的光從光源頻率調(diào)節(jié)裝置出射。換言之，也可以認(rèn)為，在光源頻率調(diào)節(jié)裝置的作用下，光源僅對(duì)外輸出特定頻率的光，并且該特定頻率可調(diào)節(jié)。
[0027]優(yōu)選地，本實(shí)用新型中的光源采用汞燈。汞燈6經(jīng)過(guò)濾波器后可輸出的光波，其頻率單一，且可通過(guò)頻率調(diào)節(jié)按鍵8、9使其連續(xù)變化。
[0028]在本實(shí)施例中，如圖1所示，光源頻率調(diào)節(jié)裝置還包括頻率調(diào)節(jié)按鈕8、9和頻率顯示窗10。兩個(gè)頻率調(diào)節(jié)按鈕8和9分別用于向更高頻率和更低頻率調(diào)節(jié)光源7的輸出光的頻率，頻率調(diào)節(jié)按鈕8增大頻率,頻率調(diào)節(jié)按鈕9減小頻率。頻率顯示窗10能夠顯示經(jīng)頻率調(diào)節(jié)后的輸出光的頻率。
[0029]光源7發(fā)出的光經(jīng)頻率調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)后射向光電頭1，更具體而言，射向薄膜式壓力傳感器3的中心的孔洞4。光束穿過(guò)孔洞4之后，繼續(xù)行進(jìn)照射到金屬片2的內(nèi)表面上。
[0030]在本實(shí)施例中,所述實(shí)驗(yàn)設(shè)備還包括光闌6,所述光闌6置于所述光電頭I的入光口處，用于調(diào)節(jié)進(jìn)入所述光電頭I的光束的形狀和尺寸，所述光闌6的最大孔徑尺寸大于所述薄膜式壓力傳感器3的孔洞4的尺寸。另外，在安裝光闌時(shí)，需要保證光闌6的孔徑中心與薄膜式壓力傳感器3的孔洞4中心對(duì)準(zhǔn)。
[0031 ] 金屬片2接收來(lái)自光源7的并穿過(guò)薄膜式壓力傳感器3的孔洞4的光，并且如果光子的頻率大于金屬發(fā)射電子的臨界頻率，則金屬片2在光子的激發(fā)下相應(yīng)地發(fā)射出電子。
[0032]由于金屬片2的開(kāi)口朝向薄膜式壓力傳感器3，并且薄膜式壓力傳感器3基本覆蓋金屬片2的開(kāi)口。薄膜式壓力傳感器3能夠接收所述金屬片2發(fā)出的基本上全部電子，從而測(cè)量出由電子撞擊導(dǎo)致的壓力。薄膜式壓力傳感器3將所測(cè)得壓力傳送給壓力值輸出器5，并通過(guò)所述壓力值輸出器5來(lái)輸出測(cè)得的壓力值。
[0033]此外，如圖1所示，本實(shí)施例中的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備還包括光源電源11。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，即使沒(méi)有單獨(dú)描述光源電源11，顯然光源7也應(yīng)該包括其自身的電源，即電源11可以集成于光源7中。
[0034]本實(shí)用新型采用高靈敏度薄膜式壓力傳感器3，其具有體積小、厚度薄、高靈敏度、小量程的特點(diǎn)。薄膜式壓力傳感器3的孔洞4使光束能夠通過(guò)，進(jìn)而照射到弧形的金屬片2的內(nèi)表面。將薄膜式壓力傳感器3放置在弧形金屬片2前端，來(lái)檢測(cè)是否有電子逸出金屬表面。若有電子逸出，則薄膜式壓力傳感器3返回非零值，在壓力值顯示器5上顯示了壓力傳感器檢測(cè)到的壓力值。
[0035]圖2是圖1的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的金屬片2和薄膜式壓力傳感器3的放大示意視圖，該視圖是沿著圖1中的激光入射方向朝向所述薄膜式壓力傳感器3看去所得到的視圖。從圖中可以看出，薄膜式壓力傳感器3由四個(gè)支架13固定在金屬片2上。
[0036]圖3是從圖2中左側(cè)朝向薄膜式壓力傳感器3和金屬片2看去所得到的的示意性視圖。在圖3中為了方便觀看，并沒(méi)有畫(huà)出支架13和薄膜式壓力傳感器3的中心孔洞。
[0037]在本實(shí)用新型的實(shí)驗(yàn)設(shè)備工作時(shí)，調(diào)芐基座12，確保光源正對(duì)光闌6的孔徑，并且進(jìn)而對(duì)準(zhǔn)光電頭1中的薄膜式壓力傳感器3的中心的孔洞4。根據(jù)需要通過(guò)光闌6調(diào)整入射進(jìn)入光電頭1的光的強(qiáng)度。然后，自動(dòng)地或手動(dòng)地控制光源頻率調(diào)節(jié)裝置，由高到低逐漸調(diào)節(jié)光源的輸出光的頻率，并不斷地觀察壓力值輸出器5的讀數(shù)，直到所述壓力值輸出器5所輸出的壓力值為零為止。記下此時(shí)的輸出光頻率。
[0038]更具體而言，通過(guò)采用光源頻率調(diào)節(jié)裝置不斷地調(diào)節(jié)進(jìn)入光電頭1的入射光的頻率，若入射光頻率大于v0，則入射光在金屬表面發(fā)生光電效應(yīng)，金屬表面逸出光電子，高速地打在薄膜式壓力傳感器3上,薄膜式壓力傳感器的壓力值輸出器5輸出一個(gè)非零的值。通過(guò)頻率調(diào)節(jié)按鍵8降低入射光頻率，觀察到壓力值輸出器5輸出值逐漸減小，直到接近0，記錄此時(shí)頻率顯示窗10中示數(shù)，即為使光電子恰好無(wú)法逸出金屬表面時(shí)的入射光的臨界頻
率值。此時(shí)有Ek=h V 0-Ws=0，則
【權(quán)利要求】
1.一種采用壓力傳感器測(cè)量普朗克常量的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括:光電頭(I)、光源(7)、光源頻率調(diào)節(jié)裝置以及基座(12)，其中，所述光電頭(I)包括金屬片(2)、薄膜式壓力傳感器(3)和壓力值輸出器(5)，所述基座(12)支撐所述光電頭(I)和所述光源(7)， 所述光電頭(I)和所述光源(7 )均能夠在所述基座(12 )上滑動(dòng)和/或轉(zhuǎn)動(dòng)； 所述金屬片(2)呈弧形，弧形的開(kāi)口方向朝向所述薄膜式壓力傳感器(3)； 所述薄膜式壓力傳感器(3)的中心處開(kāi)有孔洞(4)； 所述光源(7)用于發(fā)射具有預(yù)定頻率范圍的光； 所述光源頻率調(diào)節(jié)裝置與所述光源(7 )集成在一起，用于接收所述光源(7 )所發(fā)出的光并且對(duì)所接收到的光進(jìn)行帶通濾波，從而輸出具有預(yù)定頻率的輸出光，并且所述光源頻率調(diào)節(jié)裝置能夠調(diào)節(jié)所述輸出光的頻率，此外，所述光源頻率調(diào)節(jié)裝置將所述輸出光指向所述薄膜式壓力傳感器(3)的中心處的孔洞(4)，進(jìn)而使所述輸出光穿過(guò)薄膜式壓力傳感器(3)照射在所述金屬片(2)的內(nèi)表面上； 所述金屬片(2)接收來(lái)自所述光源(7)的并穿過(guò)所述薄膜式壓力傳感器(3)的孔洞(4)的輸出光，并且在所述輸出光的作用下相應(yīng)地發(fā)射出電子； 所述薄膜式壓力傳感器(3)接收所述金屬片(2)發(fā)出的電子、測(cè)量由電子撞擊導(dǎo)致的壓力并通過(guò)所述壓力值輸出器(5)來(lái)輸出相應(yīng)測(cè)得的壓力值； 所述光源頻率調(diào)節(jié)裝置包括帶通濾波器、頻率調(diào)節(jié)按鈕、頻率值顯示窗。
2.如權(quán)利要求1所述的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述光源頻率調(diào)節(jié)裝置由高到低逐漸調(diào)節(jié)所述輸出光的頻率，直到所述壓力值輸出器(5)所輸出的壓力為零，所述實(shí)驗(yàn)裝置基于所述壓力值輸出器(5)所輸出的壓力為零時(shí)所述輸出光的頻率確定普朗克常量。
3.如權(quán)利要求1所述的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述光源頻率調(diào)節(jié)裝置由高到低逐漸調(diào)節(jié)所述輸出光的頻率，直到所述壓力值輸出器(5)所輸出的壓力為低于預(yù)定閾值，然后停止對(duì)所述輸出光頻率的調(diào)節(jié)，維持預(yù)定時(shí)間，所述實(shí)驗(yàn)裝置基于所述壓力值輸出器(5)所輸出的壓力低于預(yù)定閾值時(shí)所述輸出光的頻率確定普朗克常量。
4.如權(quán)利要求1所述的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述實(shí)驗(yàn)裝置還包括光闌(6)，所述光闌(6)置于所述光電頭(I)的入光口處，用于調(diào)節(jié)進(jìn)入所述光電頭(I)的光束的形狀和尺寸，所述光闌(6)與所述薄膜式壓力傳感器(3)的孔洞(4)對(duì)準(zhǔn)，并且所述光闌(6)的最大孔徑尺寸大于所述薄膜式壓力傳感器(3)的孔洞(4)的尺寸。
【文檔編號(hào)】G09B23/06GK203490869SQ201320657435
【公開(kāi)日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月23日
【發(fā)明者】潘夢(mèng)莎, 王啟銀, 楊永剛, 楊保東, 羅昕, 張金曄, 張友玲 申請(qǐng)人:國(guó)家電網(wǎng)公司, 山西省電力公司大同供電分公司