应用Excel处理夫兰克赫兹实验数据

吴小娟

（中国民用航空飞行学院，四川广汉 618307）

应用Excel处理夫兰克赫兹实验数据

吴小娟

（中国民用航空飞行学院，四川广汉 618307）

应用excel软件快速准确处理了夫兰克赫兹实验数据，避免了大量繁杂的作图工作，得到清晰直观的结果。表明excel软件对辅助处理物理实验数据非常有效。

excel；夫兰克-赫兹实验；数据处理

在物理实验中常常需要测量大量的实验数据，如果完全依靠手工处理，则工作量大、效率低，是一项非常枯燥繁琐且费时的工作。但大学物理实验的学习有助于理工科学生物理理论的学习和动手能力的培养，是一门必修课程。为了提高学习效率，利用广泛使用的数据分析软件辅助物理实验数据的处理。

为了提高学习效率，利用计算机软件来辅助处理实验数据。Excel软件［1］作为安装率和使用率极高的数据处理分析软件，成为辅助软件的首选。

夫兰克赫兹实验是一个非常经典的物理实验，在研究原子内部能量状态时，将电子原子碰撞以及能量交换这种难以观察的微观过程用宏观量反应出来［2，3］，巧妙的证明原子内部量子化能级的存在，并且可以测量原子的第一激发电位。虽然该实验意义重大，但其数据量很大，处理起来比较费时。下面就以夫兰克-赫兹实验（简称F-H实验）为例，应用excel软件处理其实验数据。

1　实验原理

实验室使用充满氩气的FH管，示意图如图1，其中K是发射电子的热阴极，G1、G2分别是第一和第二栅极，A是接收电子的板极。阴极发射出的电子进入G1G2区域后，将与管中的氩原子发生碰撞。当加速电压VG2k较小时，电子获得的能量小于氩原子的第一激发能量，其与原子的碰撞是弹性碰撞，所以这部分电子穿越G2到达板极A，形成电流；当VG2k增大到电子获得的能量等于或超过氩原子的第一激发能量时，其与原子发生非弹性碰撞，碰撞后电子将动能部分或全部传递给氩原子，使其跃迁到第一激发态，而电子本身所剩能量很小，以致不能克服拒斥电压到达板极A，因而板极电流显著下降。由于原子内部能量是量子化的，因此板极的电流IA会随加速电压VG2k增加而呈现周期性的变化［4，5］。两相邻峰点（或谷尖）间的加速电压差值，即为氩原子的第一激发电位值。

图1　夫兰克-赫兹管原理图

2　数据处理

2.1原始数据记录

按照仪器的最佳出厂参数分别设定灯丝电压Vf=3.1 v；第一栅极电压:VG1k=1.5 v；拒斥电压: VG2A=10 V；电流量程1 μA，VG2k从0 v开始增加至80 V，步长为1 V，分别对应记录IA的变化，数据如表1。

表1　夫兰克赫兹实验数据表

由表1可以看出只有作出IA-VG2K曲线才能直观的看出电流变化的周期性，但数据量很大，手工作图既耗时误差也较大。

2.2数据输入

要应用excel软件作图，首先需要新建一个excel文档，将表1所有的数据输入sheet1中，VG2k值输入sheet1的A栏中，对应的IA值输入B栏里。这不仅是利用软件画图的第一步，而且同时将我们的实验数据电子化，便于保存和调阅。

2.3绘制夫兰克-赫兹管的IA-VG2K曲线

选中A栏和B栏的数据，点击工具栏中的插入按钮——图表，将弹出一个对话框，包含多种图表类型，而夫兰克-赫兹管的数据只包含2各变量，因此选中X-Y轴的散点图；接着会出现不同的子图表类型，选择平滑线散点图，点击下一步出现图表源数据，再点击下一步出现图表选项，在标题选项下的图表标题填上图1。夫兰克-赫兹管的IA-VG2K曲线，数值轴（X）填上VG2K，数值轴（Y）填上IA，下一步之后点击完成，得到图2。

图2　夫兰克-赫兹管的IA-VG2K曲线

图2清楚的反映板极电流IA随加速电压VG2K增加而周期性变化，并且将鼠标移动至峰值点或谷值点，会直接显示该数据点的横纵坐标，因此可以方便的得到表2。

表2　夫兰克-赫兹管峰值电压和谷值电压表

2.4计算氩原子第一激发电位

用逐差法计算表2的数据，得到氩原子第一激发电位U0=11.56 V，十分接近与公认的氩原子第一激发电位11.61 V。

3　结 论

利用大家熟知的excel软件简单、快捷的处理了夫兰克-赫兹实验中的大量数据，结果清晰明了。不但将学生从枯燥费时的数据处理里解脱出来，同时激发了学生学习物理的热情，值得在更多的物理实验中推广。

［1］ 田红梅.Excel在物理实验数据处理中的应用研究［J］.深圳信息职业技术学院学报，2008，6（2）: 33-37.

［2］ 王丽香，李宝胜.夫兰克-赫兹实验最佳工作参量的确定［J］.物理实验，2006，26（10）:38-40.

［3］ 孙晶华主编.操纵物理仪器获取实验方法——物理实验教程［M］.北京:国防工业出版社，2009.

［4］ 朱筱玮，陈永丽.充氩弗兰克-赫兹实验研究［J］.大学物理，2007，26（7）:46-48.

［5］ 张健民，才让卓玛.夫兰克-赫兹实验中影响板极电流因素浅析［J］.大学物理实验，2014（4）:58-61.

The Application of Excel in Data Processing of Franck-Hertz Experiment

WU Xiao-juan
（Civil Aviation Flight University of China，Sichuan Guanghan 618307）

The Franck-Hertz experimental data could be processed accurately and quickly by using Excel software.The result shows that Excel software is very efficient in experimental data processing.

Excel；Franck-Hertz experiment；data processing

O4-39

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.02.029

1007-2934（2015）02-0103-03

2014-11-04