光电效应测普朗克常数实验报告[5篇范例]

第一篇：光电效应测普朗克常数实验报告

普朗克常量的测定

【摘要】

本文介绍了大学物理实验中常用的光电效应测普朗克常量实验的基本原理及实验操作过程，验证了爱因斯坦光电效应方程并精确测量了普朗克常量，通过对实验得出的数据仔细分析比较，探讨了误差现象及其产生的原因，根据实验过程中得到的体会和思索，提出了一些改进实验仪器和条件的设想。

【关键字】

爱因斯坦光电方程；光电流；普朗克常量

【 引言】

在文艺复兴和工业革命后，物理学得到了迅猛的发展，在实际应用中也发挥了巨大的作用。此刻人们感觉物理学的大厦已经建成，剩下只是一些补充。直到19 世纪末，物理学领域出现了四大危机：光电效应、固体比热、黑体辐射、原子光谱，其实验现象用经典物理学的理论难以解释，尤其对光电效应现象的解释与理论大相径庭。

光电效应最初是赫兹在 1886 年 12 月进行电磁波实验研究中偶然发现的，虽然是偶然发现，但他立即意识到它的重要性，因此在以后的几个月中他暂时放下了手头的研究，对这一现象进行了专门的研究。虽然赫兹没能给出光电效应以合理的解释，但赫兹的论文发表后，光电效应成了 19 世纪末物理学中一个非常活跃的研究课题。勒纳是赫兹的学生和助手，很早就对光电效应产生了兴趣。1920年他发表论文介绍了他的研究成果，勒纳得出，发射的电子数正比于入射光所带的能量，电子的速度和动能与发射的电子数目完全无关，而只与波长有关，波长减少动能增加，每种金属对应一特定频率，当入射光小于这一频率时，不发生光电效应。虽然勒纳对光电效应的规律认识很清楚，但其解释却是错误的。

1905 年，爱伊斯坦在普朗克能量子的启发下，提出了光量子的概念，并成功解释了光电效应。接着，密立根对光电效应进行了 10 年左右的研究，与 1916年发表论文正是了爱因斯坦的正确性，并精确测出了普朗克常量。从而为量子物理学的诞生奠定了坚实的理论和实验基础，爱因斯坦和密立根都因为光电效应方面的杰出贡献，分别于 1921 年和 1923 年获得了诺贝尔物理学奖。

对光电效应的研究，使人们进一步认识到光的波粒二象性本质，促进了光电 子理论的简历和近代物理学的发展。利用光电效应制成电器件如光电管、光电池、光电倍增管等，已成为生产和科研中不可或缺的传感和换能器。光电探测器和光电测量仪的应用也越来越广泛。另外，利用光电效应还可以制一些光控继电器，用于自动控制、自动设计数、自动报警、自动跟踪等。

【实验目的】

1、通过实验深刻理解爱因斯坦的光电效应理论，了解光电效应的基本规律； 2、掌握用光电管进行光电效应研究的方法； 3 3、学习对光电管伏安特性曲线的处理方法，并用以测定普朗克常数 h。

【 仪器用具 】

普朗克常量测定仪一套，包括：工作台、磁性底座、光电管、光源、滤色片或单色仪、微电流放大器等。

【实验原理】1、光电效应与爱因斯坦方程

用合适频率的光照射在某些金属表面上时，会有电子从金属表面逸出，这种现象叫做光电效应，从金属表面逸出的电子叫光电子。为了解释光电效应现象，爱因斯坦提出了“光量子”的概念，认为对于频率为的光波，每个光子的能量为

式中，为普朗克常数，它的公认值是 =6.626。

按照爱因斯坦的理论，光电效应的实质是当光子和电子相碰撞时，光子把全部能量传递给电子，电子所获得的能量，一部分用来克服金属表面对它的约束，其余的能量则成为该光电子逸出金属表面后的动能。爱因斯坦提出了著名的光电方程：

（1）

式中， 为入射光的频率，m 为电子的质量，v 为光电子逸出金属表面的初速度，为被光线照射的金属材料的逸出功，221mv为从金属逸出的光电子的最大初动能。

由（1）式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能必然也越大，所以即使阴极不加电压也会有光电子落入阳极而形成光电流，甚至阳极电位比阴极电位低时也会有光电子落到阳极，直至阳极电位低于某一数值时，所有光电子都不能到达阳极，光电流才为零。这个相对于阴极为负值的阳极电位0U被称为光电效应的截止电压。

显然，有

（2）

代入（1）式，即有

（3）

由上式可知，若光电子能量W h  ，则不能产生光电子。产生光电效应的最低频率是hW0，通常称为光电效应的截止频率。不同材料有不同的逸出功，因而0也不同。由于光的强弱决定于光量子的数量，所以光电流与入射光的强度成正比。又因为一个电子只能吸收一个光子的能量，所以光电子获得的能量与光强无关，只与光子  的频率成正比，将（3）式改写为

（4）

上式表明，截止电压0U是入射光频率  的线性函数，如图 2，当入射光的频率0  时，截止电压00 U，没有光电子逸出。图中的直线的斜率ehk 是一个正的常数：

（5）

由此可见，只要用实验方法作出不同频率下的 0U曲线，并求出此曲线的斜率，就可以通过式（5）求出普朗克常数 h。其中

是电子的电量。

U 0-v

直线2、光电效应的伏安特性曲线

下图是利用光电管进行光电效应实验的原理图。频率为、强度为的光线照射到光电管阴极上，即有光电子从阴极逸出。如在阴极 K 和阳极 A 之间加正向电压AKU，它使 K、A 之间建立起的电场对从光电管阴极逸出的光电子起加速作用，随着电压AKU的增加，到达阳极的光电子将逐渐增多。当正向电压

增加到mU时，光电流达到最大，不再增加，此时即称为饱和状态，对应的光电流即称为饱和光电流。

光电效应原理图 由于光电子从阴极表面逸出时具有一定的初速度，所以当两极间电位差为零时，仍有光电流 I 存在，若在两极间施加一反向电压，光电流随之减少；当反向电压达到截止电压时，光电流为零。

爱因斯坦方程是在同种金属做阴极和阳极，且阳极很小的理想状态下导出的。实际上做阴极的金属逸出功比作阳极的金属逸出功小，所以实验中存在着如下问题：

（1）暗电流和本底电流存在，可利用此，测出截止电压（补偿法）。

（2）阳极电流。制作光电管阴极时，阳极上也会被溅射有阴极材料，所以光入射到阳极上或由阴极反射到阳极上，阳极上也有光电子发射，就形成阳极电流。由于它们的存在，使得 I～U 曲线较理论曲线下移，如下图所示。

伏安特性曲线

【实验步骤】1、调整仪器

(1)连接仪器；接好电源，打开电源开关，充分预热（不少于 20 分钟）。

(2)在测量电路连接完毕后，没有给测量信号时，旋转“调零”旋钮调零。每换一次量程，必须重新调零。

(3)取下暗盒光窗口遮光罩，换上 365.0nm 滤光片，取下汞灯出光窗口的遮光罩，装好遮光筒，调节好暗盒与汞灯距离。2、测定光电管的暗电流

适当选取电压和电流的的量程，在无光照的条件下，测出不同电压下的相应暗电流值。3、测量光电管的伏安特性曲线

(1)取下暗盒盖，让光电管对准单色仪出射狭缝，按螺旋测微头显示的波长（210  nm）在可见光范围内选择一种波长输出，根据微安表指示，找到峰值，并设置适当的倍率按键。

(2)选取适当的电压和电流的的量程，从-1.50V 起测出不同电压下的光电流，相继选择波长为 365nm，385nm，400，500nm，600nm，650nm 的单色光重复测量。

(3)选择合适的坐标，分别作出两种光阑下的光电管伏安特性曲线 U～I。

【实验记录与处理】

365nm

U/V

--2.50

--2.00

--1.60

--1.40

--1.38

--1.36

--1.34

--1.32

--1.30

I/410   µA

--22.0

--20.2

--18.6

--14.4

--13.8

--13.0

--11.9

--10.2

--8.9

U/V

--1.28

--1.26

--1.24

--1.20

--0.90

--0.60

--0.30

0 0

0.30

I/410   µA

--7.9

--6.0

--4.2

--0.3

55.4

122

202

280

342

2.5 2.0 1.5 1.0 0.550100***0

385nm

U/V

--3.00

--2.80

--2.60

--2.40

--2.30

--2.20

--2.10

--2.00

--1.90

I/410   µA

--39.0

--38.4

--38.0

--37.8

--37.2

--36.8

--36.4

--35.9

--35.4

U/V

--1.80

--1.70

--1.60

--1.50

--1.40

--1.10

--0.80

--0.50

--0.2

I/410   µA

--34.6

--34.2

--33.8

--32.2

--30.4

--5.8

219

360

3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.***

400nm

U/V

--3.00

--2.80

--2.60

--2.40

--2.30

--2.00

--1 1.80

--1.58

--1.38

I/410   µA

--54.2

--54.0

--53.8

--52.2

--52.0

--50.0

--48.2

--46.2

--44.2

U/V

--1.26

--1.16

--1.08

--1.00

--0.8

--0.52

--0.32

0.15

I/410   µA

--40.4

--34.0

--22.8

--4.8

84.4

258

418

698

3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.***0600700

500nm

U/V

--2.56

--2.17

--1.73

--1.51

--1.21

--0.93

--0.75

--0.66

--0.58

I/410   µA

--78.0

--76.2

--73.0

--70.2

--66.8

--60.8

--53.0

--39.9

--10.2

U/V

--0.32

--0.13

0 0

0.12

0.21

0.69

I/410   µA

222

468

2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.***00

600nm

U/V

--3.91

--2.51

--1.71

--0.86

--0.69

--0.51

--0.39

--0.34

--0.15

I/410   µA

--12.0

--11.6

--10.2

--8.5

--8.2

--6.6

--4.0

--1.4

34.0

U/V

--0.03

0.22

0.57

I/410   µA

80.0

140

1623 2 150100150

650nm

U/V

--2.63

--2.51

--2.24

--1.93

--1.79

--1.61

--1.51

--1.41

--1.29

I/510   µA

--45.0

--44.2

--43.9

--40.8

--39.0

--31.2

--26.2

--18.2

--5.9

U/V

--0.93

--0.62

0.19

0.91

1.75

2.28

I/510   µA

43.

7421 1 2204060

选取“抬头点”，用直线模拟的如下图 ：

4.0 10 11 4.5 10 11 5.0 10 11 5.5 10 11 6.0 10 11 6.5 10 11 7.0 10 110.20.40.60.81.01.2 经过拟合计算得到直线：

Y Y= = 2.729***3  − 3.***× 1015 x x

即斜率 U= =eh= = 3.***× 1015 

所以，h h ’= = 6.***× 1034 

经查阅，h=6.626076 × 1034 

% 410.4hh 

【实验分析讨论】

本实验中应用不同的方法都测出了普朗克常数，但都有一定的实验误差，据分析误差产生原因是：

1、暗电流的影响，暗电流是光电管没有受到光照射时，也会产生电流，它是由于热电子发射、和光电管管壳漏电等原因造成； 2、本底电流的影响，本底电流是由于室内的各种漫反射光线射入光电管所致，它们均使光电流不可能降为零 且随电压的变化而变化。

3、光电管制作时产生的影响：（1）、由于制作光电管时，阳极上也往往溅射有阴极材料，所以当入射光射到阳极上或由阴极漫反射到阳极上时，阳极也有光电子发射，当阳极加负电位、阴极加正电位时，对阴极发射的光电子起了减速的作用，而对阳极的电子却起了加速的作用，所以 I－U 关系曲线就和 IKA、UKA

曲线图所示。为了精确地确定截止电压 US，就必须去掉暗电流和反向电流的影响。以使由 I＝0 时位置来确定截止电压 US 的大小；制作上的其他误差。

4、实验者自身的影响：（1）从不同频率的伏安特性曲线读到的“抬头电压”（截止电压），不同人读得的不一样，经过处理后的到 U s____ v 曲线也不一样，测出的数值就不一样；（2）调零时，可能会出现误差，及在测量时恐怕也会使原来调零的系统不再准确。

5、参考值本身就具有一定的精确度，本身就有一定的误差。

6、理论本身就有一定的误差，例如，1963 年 Ready 等人用激光作光电发射实验时，发现了与爱因斯坦方程偏离的奇异光电发射。1968 年 Teich 和 Wolga用 GaAs 激光器发射的 h=1.48eV 的光子照射逸出功为 A=2.3eV 的钠金属时，发现光电流与光强的平方成正比。按爱因斯坦方程，光子的频率处于钠的阀频率以下，不会有光电子发射，然而新现象却发生了，不但有光电子发射，而且光电流不是与光强成正比，而是与光强的平方成正比。于是，人们设想光子间进行了“合作”，两个光子同时被电子吸收得以跃过表面能垒，称为双光子光电发射。后来，进一步的实验表明，可以三个、多个、甚至 40 个光子同时被电子吸收而发射光电子，称为多光子光电发射。人们推断，n 光子的光电发射过程的光电流似乎应与光强的 n 次方成正比。

【参考文献】

【1 1 】，钱长炎，《 赫兹对光电效应的研究及其历史意义》 》 【J J 】..自然杂志，2003,25（2 2）；117--118

【2 2 】

蒋长荣，刘树勇..《爱因斯坦和光电效应》【J J 】..首都师范大学报，2005,26（4 4）；32--33

【3 3 】

詹卫森，丁建华..《物理实验教程》【M M 】..第一版，大连理工大学出版社，2004,1 ；226

【4 4 】

戴剑锋，李维学，王青..《物理学发展与进步》【M M 】..第一版，化工工业出版社，2005,3 ； 72--73

【5 5 】

詹卫森，丁建 华..《物理实验教程》【M M 】..第一版，大连理工大学出版社，2004,1 ；228

【6 6 】

杨述武..《普通物理实验》【M M 】..第三版，高等教育出版社，2000,5 ； 148--151

【7 7 】

杨建荣，毛建杰..《近代物理实验讲义》【M M 】..第一版，上饶师范学院物理系，2005,1 ； 34

第二篇：用光电效应测定普朗克常数-讲稿

用光电效应测定普朗克常数

1887年，德国物理学家赫兹发现了光电效应现象。但是在当时，利用麦克斯韦经典电磁理论无法圆满地解释光电效应的一系列性质。直到1905年，爱因斯坦应用并发展了普朗克的量子理论，提出了“光量子”的概念，从而成功地解释了光电效应的规律，得出了光电效应方程。后来，密立根对爱因斯坦的光量子理论进行了大量的实验测量，于1915年准确地测定了普朗克常数h，有力地论证了爱因斯坦光量子理论的正确性。这二位物理学家都因光电效应等方面的杰出贡献先后获得了诺贝尔物理学奖。光电效应实验和光量子理论在物理学发展史上具有非常重要的意义。利用光电效应制成的各种光电器件在工业生产、科研、军用器材装备中有非常广泛的应用。如今我们重复前辈物理学家的实验，不仅可以从中学到物理理论与物理方法、物理思想，而且可以学习他们坚忍不拔的毅力、严谨的科学态度，进一步提高大家的实验能力和素质。

本次实验课的目的是：

1、加深对光的量子性的理解；

2、验证爱因斯坦光电效应方程，测量普朗克常数。

[实验原理] 1．基本知识：

光电效应：一定频率的光照射在某些金属表面上时，有电子从金属表面逸出，这种现象叫光电效应。所逸出的电子叫光电子，由光电子形成的电流叫光电流。

为了解释光电效应，爱因斯坦提出了“光量子”假说：在真空中传播的一束光就是一束以速度c运动的粒子流，这种粒子称为光量子，简称光子。他认为频率为ν的光的每一个光子所具有的能量为h，它不能再分割，而只能整个地被吸收或产生出来，h叫做普朗克常数。

爱因斯坦根据光量子假说理论，成功解释了光电效应现象。他认为，当光子入射到金属表面时，一个光子的能量hν一次地被金属中的一个电子全部吸收。这些能量，一部分用来克服金属表面对它的束缚而做功，即金属的逸出功A，其余的能量则成为该电子逸出金属表面后的动能，也就是光电子的初动能。这就是著名的爱因斯坦光电方程，即h逸出功A是一个常数。

12mv0A。对于确定的金属，2是不是任何频率的光照射在金属上就一定会产生光电效应现象呢？如果光子能量hυ＜金属的逸出功，光子的能量就不足以使电子从金属中逸出，就不会产生光电效应现象，因此当光子能量等于金属的逸出功时，就是产生光电效应的临界条件，这时的频率υ0就是产生光电效应的最低频率，通常称作光电效应的截止频率，即0数。

以上是有关光电效应的一些基本知识，下面我们分析实验原理。2．原理分析：

这就是实验原理图，它的核心是一个光电管，一束频率为的入射光照射到光电管的阴极K，会发生光电效应现象，就有电子从阴极K上逸出，这个回路就会产生光电流。当给光电管的阴极K和阳极A之间加一个反向电压UKA时，它对逸出的光电子起减速作用。调节滑线变阻器，逐渐增大光电管两端的反向电压，当反向电压UKA增至某一个值U0的时候，回路中的I光0，这说明反向电压U0刚好使阴极产生的光电子不能到达阳极，阴极光电子的初动能全部消耗于到达阳极的路上，全部用来克服反向电场而做了功，把这时候的反向电压U0叫做截止电压，即eU012mv0。当反向电压大于等于截止电压212mv0A以及截止频率2A，显然某种金属材料的截止频率υ0也是一个常h时，光电流就等于零。把这个关系式和光电方程h公式h0A联立，就得到截止电压的表达式U0h(0)。e我们对这个式子作几点分析。首先从这个关系式里可以看出，对于某一光电管，h、e、υ0都是常数，因此截止电压和入射光频率是线性关系，斜率为h/e。做出U0~的关系曲线，利用直线斜率求出普朗克常数。要做出U0~的关系曲线，需要测出不同频率光波入射时的截止电压。因此，实验的时候，首先要测出不同频率的光入射时所对应的截止电压，做出U0~的关系曲线，如果是直线，就验证了爱因斯坦的光电方程，并且根据直线的斜率就可以求出普朗克常数。所以，本实验的关键在于正确地测出不同频率光波入射时对应的截止电压。下面我们来分析截止电压的测量。这是光电管的伏安特性曲线，横轴是光电管两端的电压，纵轴是光电管阴极所产生的光电流，虚线部分是给光电管加正向电压时的曲线，随着正向电压的增大，光电流逐渐增大，当正向电压增大到某个值时，电流就达到了饱和，这个就是饱和电流，这是正向电压的部分曲线。随着反向电压的增大，光电流逐渐减小，那么当光电流刚好降为零时所对应的电压值就是我们要求的截止电压，而且当反向电压大于等于截止电压时，光电流始终是零，这部分应该是水平的。因此，要求某一频率的光入射时的截止电压，就要通过实验测出不同电压下的光电流的值，得到一系列对应的UKA和IKA，做出伏安特性曲线。对于这个实验，我们只要做出反向特性曲线就足够了，利用这段曲线就可以求出截止电压U0。

这是在理论上分析的利用反向伏安特性曲线测量截止电压的方法。实际实验中，当用光照射光电管的阴极时，阳极也会产生一些光电子，还有阳极光电流的存在。另外，光电管在没有光照的情况下还会产生暗电流，它们对测量得到的光电流的值都有影响。由于暗电流和阳极光电流的方向与阴极光电流的方向相反，这会使光电管的反向伏安特性曲线向下平移，实验中当反向电压等于截止电压时，光电流并不为零，而是一个负值电流。因此，实际实验时，光电流为零时的反向电压不是截止电压了。那截止电压在什么位置哪？截止电压仍然是曲线从接近水平的地方抬头的拐点处，也就是光电流从不变化到突变时的电压才是我们要测的截止电压U0。下边我们来看实验仪器。

[实验仪器] GD-III型光电效应实验仪主要由高压汞灯、光电管暗盒、微电流测量仪三部分组成。高压汞灯的谱线范围大约是300nm到870nm，为实验提供需要的光波。为了避免杂散光和外界电磁场对微弱光电流的干扰，把光电管安装在光电管暗盒里，在暗盒的窗口上安装有滤色镜和通光孔两个转盘，滤色镜用来从光源滤选出不同频率的光波；通光孔转盘可以选择不同的孔径，改变孔径就可以改变光强大小。微电流测量仪可以精确的测量微小电流，在本实验中它有两个的作用，一个是为光电管提供电压，一个是用来测量光电管产生的微弱光电流的大小。我们来详细看看微电流测量仪的结构。

先看它的背面板，背面有电源开关，电压输出接口给光电管提供电源，电流输入接口测量光电流的大小。正面板上有两个显示屏，一个显示待测光电流的值，它的左边是电流倍率调节旋钮，一个显示光电管两端的电压，利用电压调节旋钮可以连续调节电压的大小。中间是调零校准和测量转换开关，调零校准时，扳到调零校准档，把它扳到测量档，就可以测量。

[实验步骤] 1．开机预热。将光源、光电管暗盒、微电流放大器安放在适当位置，将微电流测量放大器面板上“电流倍率调节”旋钮置《短路》档，“电压调节”旋钮逆时针调到底。

然后打开微电流测量仪电源开关和高压汞灯预热，预热大约20min-40min。

2．调零校准。首先要将“调零校准、测量”转换开关置《调零校准》档，把“电流倍率调节”旋钮置《短路》档，调节“调零”旋钮，使电流表指示为零，再将“电流倍率调节”旋钮放在《校准》档，调“校准”旋钮使电流指示“-100”。因为调零和校准电路的互相影响，“调零”和“校准”应反复调整。仪器调整好，可以开始测量。

3．测量

（1）连线。将好光电管暗盒与微电流测量仪上的电压和电流输入输出插孔对应地连接起来。

（2）预置。使光源和暗盒间距在20~40 cm之间，使高压汞灯的光出射孔对准暗盒窗口。注意在放置实验仪器时，光电管暗盒入射窗口请勿面对其他强光源(如窗户等)以减少杂散光干扰。然后将微电流测量仪上的“调零校准-测量”换向开关放置在测量档，“电流倍率调节”旋钮置10-6档。调节光源和暗盒之间的距离以及通光孔的大小，使光电流显示屏在-40~-20数值之间。

（3）测量。改变光电管两端的反向电压，记录光电流的值。

第一步粗测。就是要观察一遍各频率光波入射时光电流明显变化的电压范围，记下来，然后再在这段电压范围内进行细测。注意不同频率光波入射时，光电流明显变化的电压范围是不同的，所以每个都要记下来。

第二步细测。先测短波365nm，为了准确地在曲线上找到截止电压，一定要在电流突变处应多测几个值，如每增加0.02V或0.01V测一次IKA，列表记录。应该测多少组值不是固定的，这要根据实际情况来定。并且用同样的方法依次测出405nm、436nm、546nm、577nm入射光的一系列的电流、电压值。

[数据处理] 1．绘图。根据每一频率光波入射时实验所测得的一系列电压电流的值，做出光电管的伏安特性曲线，找出截止电压U0。

2．列表。实验中给出的是光波的波长，把它转换成频率，列出截止电压U0和对应的频率的数据表格。

3．计算。根据这个表格的数据就可以做出U0~的关系曲线，如果是一条直线，就验证爱因斯坦的光电效应方程。然后利用一元线性回归法，根据所测的U0~数据就可以求出斜率kh，从而求出普朗克常数来。另外，和

e理论值比较求出误差。

用光电效应测定普朗克常数

一、实验目的二、实验原理]

1.基本概念（1）光电效应（2）“光量子”假说：

h

（3）光电效应方程： h12m20A（4）截止频率：

0Ah

2.原理分析：

遏止电压：eU012m20

Uh0e(0)

三、实验仪器

GD-III型光电效应实验仪

四、实验步骤

1.开机预热 2.调零校准 3.测量：（1）预置；

（2）测量：①粗测；②精测

五、数据处理

1．绘制光电管的伏安特性曲线，求遏止电压；2．作U0~的关系曲线，验证爱因斯坦光电

效应方程；

3．利用一元线性回归法求k； 4．计算普朗克常数h；

5．与理论值比较，计算相对误差。

第三篇：普朗克常数本质和空间相对论

普朗克常数本质和空间相对论

胡良

深圳市宏源清防伪材料有限公司

摘要: 对某变量求导(无穷多次),如果,最终结果为零,该变量体现了维度空间的绝对静止属性,或者说,具有绝对的对称性.如果,对某变量求导(有限多次),结果不为零(但对该变量求导无穷多次,最终结果为零),该变量此时体现了维度空间的相对静止属性,或者说此时具有相对的对称性.对某变量求导,如果不能求导, 该变量体现了维度空间的绝对运动属性,或者说,具有绝对的对称性破缺.对某变量求导(无穷多次),如果,最终结果不是零,该变量体现了维度空间的相对运动属性.时间(速度)体现了空间的运动属性.宇宙常数的本质体现了空间的静止属性和运动属性的对立统一.关键词:空间,空间相对论,相对论,物质,时间,量纲,速度 作者简介:总工程师,高级工程师,深圳专家

1.前言

普朗克常数是一个物理常数，用以描述量子大小.普朗克在研究物体热辐射的规律时发现，只有假定电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行的，计算的结果才能和试验结果是相符.这样的一份能量叫做能量子，每一份能量子等于hv，v为辐射电磁波的频率，h为一常量，叫为普朗克常数.为了推导出这一定律，必须假设在光波的发射和吸收过程中，物体的能量变化是不连续的，或者说，物体通过分立的跳跃非连续地改变它们的能量，能量值只能取某个最小能量元的整数倍.普朗克常数的量纲为能量乘上时间，也可视为动量乘上位移.普朗克常数用以描述量子化，微观下的粒子，例如电子及光子，在一确定的物理性质下具有一连续范围内的可能数值.普朗克常数也使用于海森堡不确定原理.普朗克常数是量子理论的基石.海森堡的矩阵力学与薛定谔的波动力学是等价的.但都是将普朗克常数引入才建立的量子力学理论.玻尔提出了原子内电子的能级条件与电子运动的轨道角动量量子化条件.微观粒子的状态须受到量子化条件的制约.描述原子,电子等微观粒子的行为须用到量子化条件.普朗克空间、普朗克时间意味着空间、时间并非无限可分，依然存在着最小单元.带电粒子做圆周运动时，只要向心力是与到圆心的距离的三次方成反比，就会产生一个常数，这个常数乘以圆周运动频率等于带电粒子动能;如果电子受到这种向心力，这个常数就是普朗克常数.物理学中有许多基本常数.光在自由空间的速度,电子电量,万有引力恒量、普朗克常数h.真正的自然常数(宇宙常数)应当是与参照系无关系的, 自然常数(宇宙常数)构成了宇宙的基石.2四种力的本质

2.1强作用力

宇宙中有四种基本作用力,相互作用分别是强相互作用, 弱相互作用, 电磁力及万有引力.质子中子间的核力属于强相互作用(是质子中子结合成原子核的作用力).是所知四种宇宙间基本作用力最强的.强相互作用克服了电磁力产生的强大排斥力，把强子紧紧粘合为原子核.强相互作用比其它三种基本作用有更大的对称性.强子是由夸克构成的，强作用是夸克之间的相互作用力;强作用最强并且是一种短程力.其理论是量子色动力学，强作用是一种色相互作用，具有色荷的夸克所具有的相互作用，色荷通过交换8种胶子而相互作用，在能量不是非常高的情况下,强相互作用的媒介粒子是介子.强作用引起的粒子衰变称为强衰变，强衰变粒子的平均寿命最短，强衰变粒子称为不稳定粒子或共振态.核子间的核力就是强相互作用，抵抗了质子之间的强大的电磁力，维持了原子核的稳定.量子色动力学是根据强子夸克模型和规范场概念提出的.2.2弱作用力

弱相互作用力也称为弱作用力.是基本四种作用力之一.弱力属于微观力.在微观粒子世界里，粒子相互之间的作用是通过碰撞而实现的.由于作用强度的大小不同,而表现为弱、电、强作用力.对于弱相互作用力来说，表现为中子的β衰变(中子衰变成质子、电子与电子中微子).参与碰撞的粒子称为费米子，其自旋为半整数.弱相互作用会影响所有费米子(自旋为半奇数的粒子).弱相互作用有一种独一无二的特性(夸克味变).由于两粒子间碰撞是间隔有一定距离的，这种碰撞并不是超距作用，而是通过媒介粒子来传递，这个起传递作用的粒子被称为玻色子，其自旋为整数.在量子力学中，粒子从初态到末态的跃迁，涉及到粒子的湮灭与产生.可以用费米公式和量子场论的相应公式计算.电磁力与弱相互作用现已统一，它们实质上是同一种力的两个方面.宇称守恒定理是指自然定律在镜像反射后会维持不变，镜像反射等同把所有空间轴反转.经典引力、电磁及强相互作用都遵守这条定律.但弱相互作用可能会破坏这一条定律.弱相互作用只作用于左手粒子（或右手反粒子）,由于左手粒子的镜像反射是右手粒子，这可解释宇称的最大破坏.在粒子物理学的标准模型中，弱相互作用与电磁相互作用是同一种相互作用的不同方面，叫弱电相互作用.根据电弱理论，在能量非常高的时候，宇宙共有四种无质量的规范玻色子场(跟光子类似)，还有复矢量希格斯场双重态.但在能量低的时候，规范对称会出现自发破缺，变成电磁相互作用.这种对称破缺会产生三种无质量玻色子，但是它们会与三股光子类场融合，这样希格斯机制会为它们带来质量.这三股场就成为了弱相互作用，而第四股规范场则继续保持无质量，也就是电磁相互作用的光子.2.3电磁力, 电磁力，是一种相当强的作用力，在宇宙的四个基本的作用力中,它的强度仅次于强核作用力.电磁力是电荷、电流在电磁场中所受力的总称;也可以称载流导体在磁场中受的力为电磁力，而称静止电荷在静电场中受的力称为静电力.原子的尺度时,所有的物质都是由不同的原子构成，而原子则是由不同的原子核与电子构成，带负电的电子与带正电的原子核（由质子与中子构成）经由电磁作用结合在一起.但在原子的尺度时，必须用量子化的电磁场来描述，也就是把两粒子之间的作用看成是在交换光子.光就是一种电磁波，量子化的电磁作用也就是光电作用.在某些状况下，电磁力和弱核作用力会统一.2.4万有引力

万有引力定律是指任何物体之间都有相互吸引力，这个力的大小与各个物体的质量成正比例，而与它们之间的距离的平方成反比.万有引力常数（G），是一个包含在对有质量的物体间的万有引力的计算中的实验物理常数.重力是由于地面附近的物体受到地球的万有引力而产生的.需要注意的是，因为地球在自转(除了在南极北极端点)，在地球上任意一点的物体，其重力并不等于万有引力.此时可看作绕地球的向心力和重力合成万有引力.由于绕地球自转的向心力远小于重力，故一般就认为重力就略等于万有引力了.重力和万有引力的方向不同，重力是竖直向下，万有引力是指向地心.每个物体都会吸引其他物体，而这股引力的大小只跟物体的质量与物体间的距离有关.牛顿的万有引力定律说明，每一个物体都吸引着其他每一个物体，而两个物体间的引力大小，正比于这它们的质量，会随著两物体中心连线距离的平方而递减.四种基本相互作用力对立统一的，是由基本粒子的振动波来传递的，但是波的形式不同.爱因斯坦认为引力是时空扭曲的表现.万有引力从牛顿力学角度来说是力,从相对论来说是时空弯曲的表现.3.空间相对论与普朗克常数

3.1光量子及实物基本粒子的量纲

光量子量纲是{L^(3)[L^(3)T^(-1)]}[L^(2)T^(-2)], {L^(3)[L^(3)T^(-1)]}体现质量属性(没有静止质量), [L^(2)T^(-2)]体现能量属性.{L^(3)[L^(3)T^(-1)]}[L^(2)T^(-2)]体现光量子的质量能量守恒属性.实物基本粒子的量纲是{L^(4)[L^(3)T^(-1)]}[L^(2)T^(-2)], {L^(4)[L^(3)T^(-1)]}体现质量属性, [L^(2)T^(-2)]体现能量属性.{L^(4)[L^(3)T^(-1)]}[L^(2)T^(-2)]体现实物基本粒子的质量能量守恒属性.三维空间的点内空间的本质是点维空间(或一维空间,或二维空间)在三维空间以三维空间速度运动.换句话说, 点内空间的本质是三维空间在点维空间(或一维空间,或二维空间)以点维空间速度(或一维空间速度,或二维空间速度)运动.三维空间的点外空间的本质是四维空间(或四维空间以上空间)在三维空间以三维空间速度运动.换句话说, 点外空间的本质是三维空间在四维空间(或四维以上空间)以三维空间速度运动.三维空间的原空间就是三维空间在三维空间以三维空间速度运动.虚数的四次方是自然数1,这说明四维空间宇宙是稳定的.四维的倍数空间宇宙(例如:八维空间宇宙,十二维空间宇宙)也都是稳定的.3.2普朗克常数

普朗克常数的量纲是(能量乘时间).普朗克的能量子和爱因斯坦的光量子,其最小能量与频率之比总要等于自然常数普朗克常数.波粒二象性是微观粒子的基本属性.在粒子物理学中,动量公式为：P=h/λ;能量公式为：E=hν.动量P与能量E都是描述粒子行为的物理量，波长λ与频率ν描述波动行为的物理量.描述波动行为的物理量可与描述粒子行为的物理量可通过同一个公式联系起来，这体现了粒子的波粒二象性.而二者联系的核心就是普朗克常数.根据以上公式可知动量为P,能量为E的粒子的波长与频率，从而判断是粒子性呈主要特征，还是波动性呈主要特征.因为光量子的量纲是L^(3)[L^(3)T^(-1)][L^(2)T^(-2)].实物基本粒子的量纲是L^(4)[L^(3)T^(-1)][L^(2)T^(-2)].由于光子的量纲L^(3)[L^(3)T^(-1)][L^(2)T^(-2)].而能量公式为：E=hν,故普朗克常数的量纲是:L^(1)*{ L^(3)[L^(3)T^(-1)][L^(2)T^(-2)]}等效于L^(4)[L^(3)T^(-1)][L^(2)T^(-2)],实质上与实物基本粒子的量纲相同.4.空间相对论本质

导数的本质就是函数值增量与自变量增量之比的极限.对于变量为复数的函数，也可以定义导数的概念.弱微分的概念使得对更多严格意义上无法求导的函数也可以定义导函数.方向导数在无穷维矢量空间可以推广应用在量子场论中.对某变量求导(无穷多次),如果,最终结果为零,该变量体现了维度空间的绝对静止属性,或者说,具有绝对的对称性.如果,对某变量求导(有限多次),结果不为零(但对该变量求导无穷多次,最终结果为零),该变量此时体现了维度空间的相对静止属性,或者说此时具有相对的对称性.对某变量求导,如果不能求导, 该变量体现了维度空间的绝对运动属性,或者说,具有绝对的对称性破缺.对某变量求导(无穷多次),如果,最终结果不是零,该变量体现了维度空间的相对运动属性.时间(速度)体现了空间的运动属性.宇宙常数的本质体现了空间的静止属性和运动属性的对立统一.Planck's constant nature and space relativistic

HU Liang

Shenzhen Hongyuanqing Security Materials Co.Ltd., Shenzhen 518004, China

Abstract: The derivation of a variable(infinitely many times), if the end result is zero, this variable reflects the absolute rest of the space dimension attributes, or say with absolute symmetry if the derivative of a variable(and more limited times), the result is not zero(the variable derivation infinitely many times, the end result is zero), the variables at this time reflects the relatively static properties of the dimension of space, or relative symmetry of a variable derivation, if not the derivative of the variable reflects the absolute motion of the space dimension attributes, or say with absolute symmetry breaking.derivation of a variable(infinite times), if the end result is not zero, the variable embodies the properties of the relative motion of the dimension of space time(speed)embodies the attributes of the spatial movement.cosmological constant represents the essence of the unity of opposites still property of space and movement properties.Keywords: space, space theory of relativity, the theory of relativity, matter, time, dimension, speed

第四篇：《目测法测透射光栅常数》实验提要

实验15《目测法测透射光栅常数》实验提要

实验课题及任务

《目测法测透射光栅常数》实验课题任务是，给定一个光栅和光源(如汞灯、钠灯或激光器等)，根据光源的已知光谱，在没有分光计和其它测量仪器的情况下，仅利用米尺和自制实验器材，结合直接目视法，测量透射光栅的光栅常数。该实验还可以已知光栅常数测量未知谱线的波长。

学生根据自己所学知识，设计出《目测法测透射光栅常数》的整体方案，内容包括：(写出实验原理和理论计算公式；选择测量仪器；研究测量方法；写出实验内容和步骤。)然后根据自己设计的方案，进行实验操作，记录数据，做好数据处理，得出实验结果，写出完整的实验报告，也可按书写科学论文的格式书写实验报告。

设计要求

⑴ 通过在实验室用目测的方式观察光栅的衍射现象，绘制出光路图，通过对光路图的分析，找出光栅方程与光路图中的那些物理量(即待测量的物理量)有关，根据光栅方程和待测物理量的关系推导出计算公式，写出该实验的实验原理。(注：这一步是本实验的关键所在，得先到实验室观察实验现象，通过实验现象的观察，绘制出光路图，分析论证，找出规律，才能写出实验原理。)

⑵ 选择实验测量仪器，仅限于光栅、米尺(10m/0.005m或3m/0.001m)、光源(汞灯、钠灯或激光器)的选择，可以自制辅助器件。

⑶ 设计出实验方法和实验步骤，要具有可操作性。

⑷ 测量时那些物理量可以测量一次，那些物理量必须得多次测量，说明原理。⑸ 实验结果用标准形式表达，即用不确定度来表征测量结果的可信赖程度。实验仪器的选择及提示

⑴ 光栅：实验室给定，光栅参数为：300/mm

⑵ 米尺：3m/0.001m或10m/0.005m任选，⑶ 光源：钠灯、激光器.⑷ 可以自制实验器材，如带刻度的条型光屏，也可以借助现有实验室的条件。实验所用公式及物理量符号提示

⑴ 光栅方程:dsink(k=0、

1、

2、

3、……)

式中dab(其中a为光栅缝宽，b为相邻缝间不透明部分的宽度)为相邻狹缝之间的距离，称为光栅常数，为光波波长，k为衍射光谱线的级次。

⑵ 用x表示谱线到0级谱线的距离，用y表示光栅到0级谱线的垂直距离。提交整体设计方案时间

学生自选题后2~3周内完成实验整体设计方案并提交。提交整体设计方案，要求用纸质版供教师修改。

思考题

⑴ 光栅与光源之间的距离多远比较合适？

⑵ 眼睛与光栅的距离对测量有没有影响？

⑶ 光屏和光源是否一定要在一个平面内？

⑷ 光栅与光屏的距离测量，该实验应采用单次测量还是多次测量？单次测量能否满足测量精度的要求？

参考文献

参阅各实验书籍中的夫琅和菲衍射原理及光栅衍射原理。几何光学，人眼睛的光学原理。

第五篇：测螺线管磁场实验报告

测螺线管磁场———实验原理

图1 图1是一个长为2l，匝数为N的单层密绕的直螺线管产生的磁场。当导线中流过电流I时，由毕奥—萨伐尔定律可以计算出在轴线上某一点P的磁感应强度为

式中，为单位长度上的线圈匝数，R为螺线管半径，x为P点到螺线管中心处的距离。在SI单位制中，B的单位为特斯拉（T）。图1同时给出B随x的分布曲线。

磁场测量的方法很多。其中最简单也是最常用的方法是基于电磁感应原理的探测线圈法。本实验采用此方法测量直螺线管中产生的交变磁场。下图是实验装置的实验装置的示意图。

图2 当螺线管A中通过一个低频的交流电流i(t)= I0sinωt时，在螺线管内产生一个与电流成正比的交变磁场B(t)= Cpi(t)= B0sinωt其中Cp是比例常数，把探测线圈A1放到螺线管内部或附近，在A1中将产生感生电动势，其大小取决于线圈所在处磁场的大小、线圈结构和线圈相对于磁场的取向。探测线圈的尺寸比较小，匝数比较多。若其截面积为S1，匝数为N1，线圈平面的法向平面与磁场方向的夹角为θ，则穿过线圈的磁通链数为:

Ψ = N1S1B(t)cosθ

根据法拉第定律，线圈中的感生电动势为：

通常测量的是电压的有效值，设E(t)的有效值为V，B(t)的有效值为B，则有，由此得出磁感应强度：

其中r1是探测线圈的半径，f是交变电源的频率。在测量过程中如始终保持A和A1在同一轴线上，此时，则螺线管中的磁感应强度为

在实验装置中，在待测螺线管回路中串接毫安计用于测量螺线管导线中交变电流的有效值。在探测线圈A1两端连接数字毫伏计用于测量A1中感应电动势的有效值。

使用探测线圈法测量直流磁场时，可以使用冲击电流计作为探测仪器，同学们可以参考冲击电流计原理设计出测量方法。

测螺线管磁场———实验内容

1．研究螺线管中磁感应强度B与电流I和感生电动势V之间的关系，测量螺线管中的磁感应强度。2．测量螺线管轴线上的磁场分布。

测螺线管磁场———实验仪器

图 1 : 测量螺线管内磁场实验装置全貌

测量螺线管内磁场实验仪器包括：铜导线螺线管、霍尔元件（轴向磁场探针）、（毫）

特斯拉计、电流源。

图 2 : 铜导线螺线管

图 3 : 霍尔元件（轴向磁场探针）

上图为轴向磁场探针，伸入螺线管中用于测量磁场强度，探针的另一端接在特斯拉计之

上，由特斯拉计给出磁场强度的读数。

图 4 :（毫）特斯拉计

给出磁场强度的读数。与测量直流导体外磁场中使用的特斯拉计相似。

图 5 : 电流源 为铜导线螺线管供电，产生磁场。

实验重点

1．掌握探测线圈法测量交变磁场的方法。2．测量螺线管轴线上的磁场分布。3．加深理解电磁感应定律及磁场的特征。实验难点

1．探测线圈法测量磁场的线路设计与连接，包括单刀双掷开关及交流毫伏计的使用。

2．低频信号发生器的使用。3．互感现象的观察及线路设计。操作指导

一、主窗口

在系统主界面上选择“螺线管磁场及其测量实验”并单击，即可进入本仿真实验平台，显示平台主窗口——实验室场景，看到实验台和实验仪器。

二、主菜单

在主窗口上单击鼠标右键，弹出主菜单。主菜单下还有子菜单。鼠标左键单击相应的主菜单项或子菜单项，则进入相应的实验部分（图1）。

图1 实验应按照主菜单的条目顺序进行。1．实验简介

选择主菜单的“简介”并单击可打开实验简介文档（图2）。

图2 鼠标移到上面蓝条处将显示操作提示，双击即可返回实验平台。2．实验仪器

选择主菜单的“实验仪器”并单击可打开实验仪器文档，操作与查看实验简介完全类似。3．实验原理

包括子菜单项“实验原理一”和“实验原理二”。

选中“实验原理”的“实验原理一”子菜单项并单击，将显示实验原理一，如图3。

图3 用鼠标操作滚动条，可使画面上下滚动。

鼠标移到上面蓝条处将显示操作提示，双击可返回实验平台。

选择“实验原理”的“实验原理二”子菜单项并单击，将显示实验原理二，与“实验原理一”操作相同。4．实验接线

选择“接线”并单击进入接线界面。本实验中晶体管毫伏表读数会随时间产生漂移，所以做本实验的关键是要对晶体管毫伏表经常短路调零以消除误差。为方便计，宜加一单刀双掷开关。正确接线图（不止一种）可参见图4。

图4 接线时选定一个接线柱，按住鼠标左键不放拖动，一根直导线即从接线柱引出。将导线末端拖至另一个接线柱释放鼠标，即可连接这两个接线柱。删除两个接线柱的连线，可将这两个接线柱重新连接一次。

接线完毕单击鼠标右键弹出菜单，选择“接线完毕”来判断接线是否正确，接线正确后才能开始实验。选择“重新接线”可删除所有导线。5．实验内容

接线正确后此菜单项才会有效。此菜单包括子菜单项“内容一”、“内容二”和“内容三”。单击子菜单项“内容一”即可进入实验内容一进行实验，如图5。

图5 仪器的基本操作方法

(1)旋钮的操作方法：所有的旋钮，其操作方法是一致的，即：用鼠标右键单击，则旋钮顺时针旋转；用鼠标左键单击，则旋钮逆时针旋转。包括旋钮“输出调节”，“调零旋钮”，以及频率调节。

(2)按钮的操作方法：用鼠标左键单击即可按下或弹起按钮。包括“衰减”和“频率倍乘”按钮。

(3)拨动开关的操作方法：操作非常简单，用鼠标左键单击开关即可改变开关的状态。

(4)探测线圈的粗调和细调，单刀双掷开关的操作和旋钮的调节一样。(5)毫伏表“量程”的调节和开关的操作一样。(6)单刀双掷开关的刀打到左边是调零位置，可调节“调零旋钮”调零；打到中间是断路位置；打到右边是测量位置，可以测量电路的电压。

在此界面的上部单击鼠标右键将弹出主菜单，做完实验内容一后选择实验内容

二、实验内容三继续实验。

实验时点击“实验参数”可打开实验参数文档，双击其上的蓝条关闭此文档；点击“实验内容”打开实验内容文档，双击其上的蓝条关闭此文档；实验时按实验内容文档的步骤进行实验，点击“数据记录及处理”打开数据处理窗口，将测量数据记录到相应的位置，数据处理窗口如图6。

图6 输入数据时在所要输入的空格处单击鼠标左键，再用键盘输入数据即可。画线时先在坐标图上单击鼠标左键描点，描点完毕点击“画线”可画线，如描点错误可在错点处再单击鼠标左键即可删除该点，点击“清画布”可删除所有点，点击“返回”返回实验操作界面。6．实验报告

选择“实验报告”菜单项并单击，可调用实验报告系统，将前面所得数据记录到实验报告中以备教师检查，具体操作见实验报告说明。7．退出：退出实验平台。