采用壓力傳感器測量普朗克常量的實驗裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種基于壓力傳感器的用于測量普朗克常量的實驗設備，所述實驗設備包括：光電頭、光源、光源頻率調節裝置以及基座，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節二者的位置和取向。本實用新型采用壓力傳感器來測量被照射金屬表面所發射出的電子，而不是像現有技術中那樣，測量電子所帶來的電信號。相對于采用光電管測量電信號而言，采用壓力傳感器測壓力不需要外加電壓，且不需要陽極。因此，避免了陽極電流、暗電流和接觸電位差，提高了實驗精度。
【專利說明】采用壓力傳感器測量普朗克常量的實驗裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及量子物理領域，具體涉及一種通過測量電子恰好無法逸出金屬表面時的入射光的頻率來求得普朗克常量的物理實驗設備。
【背景技術】
[0002]目前大學物理實驗中測量普朗克常量的實驗設備均采用光電效應來對普朗克常量進行測量。金屬表面在光輻照作用下發射電子的效應稱為光電效應，根據愛因斯坦光電效應方程Ek=h V -Ws,改變入射光頻率，當入射光頻率恰好無法使電子逸出金屬表面時，即
Ek=0時，h=ws/v0即可求得普朗克常量的值。
[0003]具體而言，常規實驗裝置的原理為當有入射光照射到光電管陰極上時，光電管產生的光電子向陽極遷移構成光電流，在光電管電極上加上反向電壓，通過不斷改變電壓的大小并且測量出光電流的大小，可以得出光電管的伏安特性曲線。
[0004]根據截止電壓與入射光頻率的線性關系改變入射光頻率，測量對應
的截止電壓，在直角坐標系中作出us_v關系曲線，由該曲線的斜率即可求出普朗克常量。這種實驗裝置無法排除暗電流對于測量結果造成的誤差，導致計算結果離標準值相差甚多，且在坐標系中作圖求斜率的方法工作量大，精度低。
實用新型內容
[0005]本實用新型提供了一種采用壓力傳感器測量普朗克常量的實驗裝置。該實驗裝置簡單易操作，測量精度高。
[0006]本實用新型是基于這樣的原理:
[0007]金屬表面在光福照作用下發射電子的效應稱為光電效應，發射出來的電子叫做光電子，光波長小于某一臨界值時方能發射電子，即極限波長，對應的光的頻率叫做極限頻率。根據愛因斯坦光電效應方程Ek=h V-Ws，其中，Ws為金屬中電子的逸出功。當入射光以
,m
極限頻率Vtl入射時，光電效應恰好不能發生，此時有Ek=Iivc1-Ws=O,則A 可得出普朗
VO ,
克常量的值。
[0008]本實用新型采用壓力傳感器來測量被照射金屬表面所發射出的電子，而不是像現有技術中那樣，測量電子所帶來的電信號。相對于采用光電管測量電信號而言，采用壓力傳感器測壓力不需要外加電壓，且不需要陽極。因此，避免了陽極電流、暗電流和接觸電位差，提聞了實驗精度。
[0009]本實用新型提供一種基于壓力傳感器的用于測量普朗克常量的實驗設備，其特征在于，所述實驗設備包括:光電頭、光源、光源頻率調節裝置以及基座，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有孔洞；
[0012]所述光源用于發射具有預定頻率范圍的光；
[0013]所述光源頻率調節裝置與所述光源集成在一起，用于接收所述光源所發出的光并且對所接收到的光進行帶通濾波，從而輸出具有預定頻率的輸出光，并且所述光源頻率調節裝置能夠調節所述輸出光的頻率，此外，所述光源頻率調節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，進而使所述輸出光穿過薄膜式壓力傳感器照射在所述金屬片的內表面上；
[0014]所述金屬片接收來自所述光源的并穿過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地發射出電子；
[0015]所述薄膜式壓力傳感器接收所述金屬片發出的電子、測量由電子撞擊導致的壓力并通過所述壓力值輸出器來輸出相應測得的壓力值。
[0016]優選地，所述光源頻率調節裝置由高到低逐漸調節所述輸出光的頻率，直到所述壓力值輸出器所輸出的壓力為零。
[0017]優選地，所述光源頻率調節裝置由高到低逐漸調節所述輸出光的頻率，直到所述壓力值輸出器所輸出的壓力為低于預定閾值，然后停止對所述輸出光頻率的調節，維持預定時間。
[0018]優選地，所述實驗設備還包括光闌，所述光闌置于所述光電頭的入光口處，用于調節進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準，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]優選地，所述光源頻率調節裝置包括帶通濾波器、頻率調節按鈕、頻率值顯示窗。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1為根據本實用新型的一個實施例的物理實驗設備的示意圖；
[0021]圖2為在圖1中從右向左看去，圖1所示實驗設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中的左側看去，圖1中所示實驗設備中的金屬片2和薄膜式壓力傳感器3的示意圖。
【具體實施方式】
[0023]圖1示意性地示出了根據本實用新型的一個實施例的物理實驗設備。如圖1所示，該實驗設備包括兩個主要部分:光電頭I和光源7，二者均通過基座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節裝置。基座12支撐光電頭I和光源7，并且，通過基座12能夠調節光電頭I和光源7的位置和朝向，進而，將光源7所發射的激光對準光電頭I。所述光電頭I和所述光源7均能夠在所述基座12上滑動和/或轉動
[0024]如圖1所示，從右到左，本實用新型的實驗設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，相對于金屬片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，并且將在下文中進一步描述。
[0026]光源7用于發射具有預定頻率范圍的光。光源頻率調節裝置(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所發出的光并且對所接收到的光進行帶通濾波，從而輸出具有預定頻率的輸出光，并且所述光源頻率調節裝置能夠調節所述輸出光的頻率。實際上，在本實施例中，光源頻率調節裝置采用透過頻率可調的帶通濾波器，該帶通濾波器僅允許期望頻率的光從光源頻率調節裝置出射。換言之，也可以認為，在光源頻率調節裝置的作用下，光源僅對外輸出特定頻率的光，并且該特定頻率可調節。
[0027]優選地，本實用新型中的光源采用汞燈。汞燈6經過濾波器后可輸出的光波，其頻率單一，且可通過頻率調節按鍵8、9使其連續變化。
[0028]在本實施例中，如圖1所示，光源頻率調節裝置還包括頻率調節按鈕8、9和頻率顯示窗10。兩個頻率調節按鈕8和9分別用于向更高頻率和更低頻率調節光源7的輸出光的頻率，頻率調節按鈕8增大頻率,頻率調節按鈕9減小頻率。頻率顯示窗10能夠顯示經頻率調節后的輸出光的頻率。
[0029]光源7發出的光經頻率調節裝置調節后射向光電頭1，更具體而言，射向薄膜式壓力傳感器3的中心的孔洞4。光束穿過孔洞4之后，繼續行進照射到金屬片2的內表面上。
[0030]在本實施例中,所述實驗設備還包括光闌6,所述光闌6置于所述光電頭I的入光口處，用于調節進入所述光電頭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，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中心對準。
[0031 ] 金屬片2接收來自光源7的并穿過薄膜式壓力傳感器3的孔洞4的光，并且如果光子的頻率大于金屬發射電子的臨界頻率，則金屬片2在光子的激發下相應地發射出電子。
[0032]由于金屬片2的開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的開口。薄膜式壓力傳感器3能夠接收所述金屬片2發出的基本上全部電子，從而測量出由電子撞擊導致的壓力。薄膜式壓力傳感器3將所測得壓力傳送給壓力值輸出器5，并通過所述壓力值輸出器5來輸出測得的壓力值。
[0033]此外，如圖1所示，本實施例中的物理實驗設備還包括光源電源11。本領域技術人員應該理解，即使沒有單獨描述光源電源11，顯然光源7也應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。薄膜式壓力傳感器3的孔洞4使光束能夠通過，進而照射到弧形的金屬片2的內表面。將薄膜式壓力傳感器3放置在弧形金屬片2前端，來檢測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到的壓力值。
[0035]圖2是圖1的實驗設備的金屬片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由四個支架13固定在金屬片2上。
[0036]圖3是從圖2中左側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，并沒有畫出支架13和薄膜式壓力傳感器3的中心孔洞。
[0037]在本實用新型的實驗設備工作時，調芐基座12，確保光源正對光闌6的孔徑，并且進而對準光電頭1中的薄膜式壓力傳感器3的中心的孔洞4。根據需要通過光闌6調整入射進入光電頭1的光的強度。然后，自動地或手動地控制光源頻率調節裝置，由高到低逐漸調節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，直到所述壓力值輸出器5所輸出的壓力值為零為止。記下此時的輸出光頻率。
[0038]更具體而言，通過采用光源頻率調節裝置不斷地調節進入光電頭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生光電效應，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輸出一個非零的值。通過頻率調節按鍵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，記錄此時頻率顯示窗10中示數，即為使光電子恰好無法逸出金屬表面時的入射光的臨界頻
率值。此時有Ek=h V 0-Ws=0，則
【權利要求】
1.一種采用壓力傳感器測量普朗克常量的實驗裝置，其特征在于，所述實驗設備包括:光電頭(I)、光源(7)、光源頻率調節裝置以及基座(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 )上滑動和/或轉動； 所述金屬片(2)呈弧形，弧形的開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)的中心處開有孔洞(4)； 所述光源(7)用于發射具有預定頻率范圍的光； 所述光源頻率調節裝置與所述光源(7 )集成在一起，用于接收所述光源(7 )所發出的光并且對所接收到的光進行帶通濾波，從而輸出具有預定頻率的輸出光，并且所述光源頻率調節裝置能夠調節所述輸出光的頻率，此外，所述光源頻率調節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)，進而使所述輸出光穿過薄膜式壓力傳感器(3)照射在所述金屬片(2)的內表面上； 所述金屬片(2)接收來自所述光源(7)的并穿過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地發射出電子； 所述薄膜式壓力傳感器(3)接收所述金屬片(2)發出的電子、測量由電子撞擊導致的壓力并通過所述壓力值輸出器(5)來輸出相應測得的壓力值； 所述光源頻率調節裝置包括帶通濾波器、頻率調節按鈕、頻率值顯示窗。
2.如權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，所述光源頻率調節裝置由高到低逐漸調節所述輸出光的頻率，直到所述壓力值輸出器(5)所輸出的壓力為零，所述實驗裝置基于所述壓力值輸出器(5)所輸出的壓力為零時所述輸出光的頻率確定普朗克常量。
3.如權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，所述光源頻率調節裝置由高到低逐漸調節所述輸出光的頻率，直到所述壓力值輸出器(5)所輸出的壓力為低于預定閾值，然后停止對所述輸出光頻率的調節，維持預定時間，所述實驗裝置基于所述壓力值輸出器(5)所輸出的壓力低于預定閾值時所述輸出光的頻率確定普朗克常量。
4.如權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，所述實驗裝置還包括光闌(6)，所述光闌(6)置于所述光電頭(I)的入光口處，用于調節進入所述光電頭(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)對準，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】G09B23/06GK203490869SQ201320657435
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年10月23日 優先權日:2013年10月23日
【發明者】潘夢莎, 王啟銀, 楊永剛, 楊保東, 羅昕, 張金曄, 張友玲 申請人:國家電網公司, 山西省電力公司大同供電分公司