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摘 要

毕业设计将充氩或是充汞的弗兰克-赫兹管作为为研究对象，利用对比的手法来重点观察充有不同稀薄气体的赫兹管对实验曲线有什么影响。毕业设计借助全数字调控的弗兰克—赫兹实验仪，采用对比研究的手法结合控制变量对在灯丝电压U_F，温度T，第一栅极电压等三个参数影响下的实验曲线。整个毕业设计通过弗兰克-赫兹管各项参数的变化对实验影响的探究，在加深了对大学物理实验的认识与学习，同时也加强了动手操作能力，积累了一定的基础理论知识。

关键词：弗兰克赫兹管 稀薄气体 工作参数 曲线

Mercury and argon-filled Frank-Hertz tube

Abstract

The thesis takes argon filled and mercury filled Frank Hertz tubes as the objects of study. The contrast method is used to observe the influence of Hertz tubes with different rarefied gases on the experimental curves. Graduation design with frank - Hertz experiment instrument of full digital control, using the technique of contrast research, combining with the filament voltage control variables to U_F, temperature T, the first grid voltage under the influence of the three parameters. The graduation design through frank Hertz tube with the impact of changes of various parameters on the experiment deepened our understanding of physics experiment and strengthened our ability to operate, meanwhile, it accumulated a certain basic theoretical knowledge of us.

Key words: Frank Hertz；tube thin gas；working parameters; curve

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1弗兰克-赫兹管的制作与结构特点 1

实验原理 2

第二章 汞管与氩管实验曲线的对比研究 6

2.1实验方法 6

2.2实验结果分析与讨论 6

2.2.1对两个实验的影响 6

2.2.2温度对两个实验曲线的影响 9

2.2.3第一栅压对氩管的实验曲线的影响 11

2.2.4两个实验的优缺点比较及结论 12

2.3温度与电子平均移动距离的关系探讨 13

2.3.1理论依据：非弹性碰撞 13

2.3.2实验结果与分析 15

2.4气体击穿现象 21

2.5氖管的简单讨论 21

第三章 毕业设计特点及总结 26

3.1市场调研 26

3.2毕业设计特点及展望 26

3.3总结 27

参考文献 28

致谢 30

第一章 绪论

20世纪初期弗兰克先生和赫兹先生运用了大胆的有建设性实验思维，巧妙的想到利用电子碰撞原子气体，通过观察极板电流以及发射光，最终证实了原子存在能级。根据本文在大学期间的实验经历，目前学校实验室中的仪器通常是利用电位器来调节工作参数。了解到电位器工作原理后得知，由于实验需求需要频繁工作参量，实验中经常会出现电阻体以及接触刷损坏，接触不良等情况，导致控制不稳甚至失效等现象，导致仪器不能正常工作。F-H实验通常需要学生仔细多次测量数据以及动手绘图能力,同时也需要实验操作者调节各项参数，由于实验仪器反复使用导致实验数据失效，实验图像偏离实际，影响到实验教学的质量，为实验带来了诸多不便。

针对这些问题，我们拟采用数字控制的方式，利用触摸屏、以及单片机系统，替代原有的电位器和控制按键，解决由于电位器和控制按键的经常使用所带来的一系列问题。

毕业设计主要研究充汞与充氩的弗兰克赫兹管对实验的影响，通过反复实验得出最佳工作数据，以来配合整个团队完成实验仪器的设计。同时，毕业设计也概述了实验图像进行物理分析、发射光的光谱研究，以及温度与自由电子的平均自由程的影响等。

1.1弗兰克-赫兹管的制作与结构特点

图1.1-1充氩的弗莱克-赫兹管 图1.1-2 F-H管结构图

本毕业设计的重点旨在对充有稀薄气体的弗兰克-赫兹管的实验现象进行分析和研究，在这里我们先着重了解下实验的核心部件——赫兹管。如图所示，其中P为极板，用于接收电子，一般由铝板构成。与称之为栅极，一般用镍丝制成，其间间隔一定的距离，用于电子的加速。K是阴极，用于发射电子，一般由发射电子能力比较强的材料构成。从图中可以看到，离阴级较近，而则是离板级较近，其中保持一定的距离。上面描述过的这些材料通过清洁处理，然后进一步进行封装，在高温的条件下进行抽空。达到一定真空条件，再充一定的纯净的氩气或是纯净汞。根据我们实验对比查询后得知，氖管一般的要求是10mm汞柱气压比较好，对于氩管充以17mm汞柱的气压比较好，这就是弗兰克——赫兹实验管。

实验原理

由波尔理论得知，原子只能长久的停留在一些稳定的状态，而每一个状态都具有一定的能量，这些状态称为能级。能级之间的能量是值是彼此分立的，原子的能量发生改变时，只能从一个状态跃迁到另一个状态，即一个能级跃迁到另一个能级。而原子从一个能级跃迁到另一个能级发射或者吸收的能量是确定的。弗兰克赫兹实验基于慢点子与稀薄气体中的原子发生碰撞，通过研究电子与原子之间的相互作用，然后巧妙的改变加速电压大大小来控制电子的能量，用减速电压来确定电子经过碰撞所剩余的能量，继而得到碰撞中电子传递给原子的能量。一般的，用和表示两个状态的能量，发射和吸收的辐射光子频率由下式得到：

式中，h为普朗克常数，h=（6.62607550.0000040）

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