光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李卓凡

(韓山師范學(xué)院 物理與電子工程系，廣東 潮州 521041)

光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)發(fā)展史上具有重要意義的實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)學(xué)生可以了解光的量子性，驗(yàn)證愛因斯坦方程，并由此求出普朗克常量。實(shí)驗(yàn)原理如圖1 所示，當(dāng)光照射到光電管上有光電子逸出的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)。光電管是一個(gè)抽成真空，并封裝了一個(gè)陰極K 和陽極A 的玻璃管，在兩極間加一可變電壓，用以加速或阻擋釋放出來的電子。光通過小窗照到陰極K 上，在光的作用下，電子從電極K 逸出，并受電場(chǎng)加速而形成電流，這種電流稱為光電流。

圖1 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理圖

結(jié)合韓山師范學(xué)院實(shí)際教學(xué)，光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生驗(yàn)證光電流與入射光強(qiáng)的關(guān)系、光電子初動(dòng)能與入射光強(qiáng)關(guān)系、畫出5 種不同波長(zhǎng)光波的伏安特性曲線及測(cè)算出普朗克常數(shù)。實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)量很多，計(jì)算量也大，如果采用手工計(jì)算，不便于老師及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題。為了解決上述問題，運(yùn)用LabVIEW 編程軟件，設(shè)計(jì)了一套光電效應(yīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)只要輸入數(shù)據(jù)，系統(tǒng)就能快速地計(jì)算出結(jié)果，并畫出相應(yīng)曲線。方便老師及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生的問題并予以糾正。

1 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)入射光的頻率大于截止頻率ν0時(shí)，才會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)。光電流i 隨著加在光電管兩端的加速電位差U 的增大而增大，當(dāng)電位差增大到一定值后，光電流達(dá)到飽和值Im，如圖2 的伏安特性曲線所示。而飽和的電流強(qiáng)度Im與入射光強(qiáng)度I 成正比。設(shè)光源與光電管的距離為d，光強(qiáng)是正比于1/d2的。因此在實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生測(cè)量不同頻率的入射光的飽和電流Im與1/d2的關(guān)系曲線，從而驗(yàn)證飽和光電流與入射光強(qiáng)的線性關(guān)系。

當(dāng)光照射光電管時(shí)，電子吸收能量后，一部分用來克服金屬表面對(duì)它的吸引力而做功，余下的就成為電子離開金屬表面后的初動(dòng)能。愛因斯坦的光電效應(yīng)方程為［1］:

圖2 光電管伏安特性曲線

令A(yù) = hν0，由式(1)、式(2)可得:

2 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖

由于該實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)量很大，每個(gè)處理步驟都需要圖表表示，在一個(gè)界面內(nèi)無法顯示如此多的內(nèi)容，所以系統(tǒng)分為三個(gè)功能模塊:(1)處理光電管電流與入射光光強(qiáng)的關(guān)系模塊;(2)處理光電管伏安特性模塊;(3)計(jì)算普朗克常量的功能模塊。各個(gè)模塊內(nèi)又有相應(yīng)的子模塊輔助功能的實(shí)現(xiàn)。具體的結(jié)構(gòu)流程圖如圖3 所示。

2.2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

2.2.1 主界面

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)用LabVIEW 編程語言實(shí)現(xiàn)，LabVIEW 是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。它的很多界面控件與操作都模擬了現(xiàn)實(shí)世界中的儀器，因此LabVIEW程序被稱為虛擬儀器。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的三大功能模塊如圖4 所示，點(diǎn)擊按鈕會(huì)進(jìn)入相應(yīng)的子模塊。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖

圖4 系統(tǒng)主界面

系統(tǒng)的三大功能模塊以子VI 的形式調(diào)用，通常用戶調(diào)用子VI 時(shí)，都是直接將子VI 的圖標(biāo)放置在主VI 程序框圖中。在打開主VI 的同時(shí)就會(huì)將子VI 載入內(nèi)存。編譯時(shí)子VI 的代碼將會(huì)和主VI 的代碼連接，運(yùn)行時(shí)子VI 的內(nèi)容是不可再改變的。這樣的程序設(shè)計(jì)有很大的缺陷，不但會(huì)占用更多的內(nèi)存，而且程序運(yùn)行過程中子VI 是不能改變的，這將導(dǎo)致系統(tǒng)無法及時(shí)更新數(shù)據(jù)，不方便在運(yùn)行過程中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)。因此，主界面的設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)程序控制技術(shù)，動(dòng)態(tài)載入VI 可以減少內(nèi)存的占用，提高系統(tǒng)性能［2］。由于子VI 與主VI 是獨(dú)立的，可以方便對(duì)動(dòng)態(tài)載入的VI 進(jìn)行更新，而且方便實(shí)現(xiàn)多面板控制程序。

2.2.2 光電管電流與入射光光強(qiáng)關(guān)系模塊

由于該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量非常大，有些曲線的數(shù)據(jù)達(dá)到40 多個(gè)，這樣多的數(shù)據(jù)在一個(gè)頁面內(nèi)顯示，會(huì)顯得頁面臃腫，不利于頁面的美觀。因此系統(tǒng)采用數(shù)組控件作為數(shù)據(jù)輸入的窗口，輸入界面內(nèi)的數(shù)據(jù)錄入不受顯示區(qū)域限制，對(duì)大數(shù)據(jù)量的輸入可以通過調(diào)節(jié)輸入窗口右邊的滾動(dòng)條來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)擴(kuò)充，如圖5 所示。輸入數(shù)據(jù)通過LabVIEW 的曲線擬合功能進(jìn)行線性擬合，驗(yàn)證兩者的線性關(guān)系［3－4］。由于輸入的數(shù)據(jù)量很大，如果輸入錯(cuò)誤必須重新輸入數(shù)據(jù)，但是手工清零的工作量很大，因此系統(tǒng)設(shè)置了清零按鈕對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一鍵清零。如果數(shù)據(jù)處理完畢，按返回鍵將返回系統(tǒng)主界面，進(jìn)行下一個(gè)處理模塊的選擇。

圖5 光電管電流與入射光光強(qiáng)關(guān)系模塊

圖6 光電管伏安特性模塊

2.2.3 光電管伏安特性模塊

這個(gè)模塊對(duì)光電管不同頻率光波的伏安特性進(jìn)行研究，模塊內(nèi)容如圖6 所示。左邊也是用數(shù)組控件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輸入窗口，改變電壓并記錄相應(yīng)的電流值，每組電流電壓對(duì)應(yīng)一條伏安特性曲線。采用LabVIEW 的XY 曲線圖，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行捆綁，實(shí)現(xiàn)一個(gè)圖表顯示多條曲線的功能［5］。模塊同樣設(shè)置了清零和返回按鈕，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的清零和返回主界面的功能。

2.2.4 測(cè)定普朗克常量模塊

該模塊通過曲線擬合功能，對(duì)輸入的頻率和截止電壓值進(jìn)行線性擬合，自動(dòng)算出曲線的斜率，并由斜率計(jì)算出普朗克常量及其相對(duì)誤差。這個(gè)模塊的數(shù)據(jù)采用全部顯示的方式，返回按鈕可以實(shí)現(xiàn)返回主界面的功能。界面如圖7 所示。

圖7 測(cè)定普朗克常量模塊

3 結(jié)束語

基于LabVIEW 的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，人機(jī)交互性強(qiáng)，計(jì)算結(jié)果一目了然。該系統(tǒng)解決了大量數(shù)據(jù)輸入和處理上的困難，數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)可以隨意擴(kuò)充，而且不受顯示區(qū)域的限制。采用動(dòng)態(tài)程序控制技術(shù)，減少內(nèi)存的占用，有利于系統(tǒng)的優(yōu)化和運(yùn)算速度的提升。系統(tǒng)使數(shù)據(jù)處理結(jié)果能夠?qū)崟r(shí)完成，可大大節(jié)省學(xué)生數(shù)據(jù)處理的時(shí)間，同時(shí)也方便教師實(shí)時(shí)檢查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，從而顯著提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率與質(zhì)量。

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