李卓凡

(韓山師范學院 物理與電子工程系，廣東 潮州 521041)

光電效應實驗是物理學發(fā)展史上具有重要意義的實驗。通過實驗學生可以了解光的量子性，驗證愛因斯坦方程，并由此求出普朗克常量。實驗原理如圖1 所示，當光照射到光電管上有光電子逸出的現(xiàn)象叫做光電效應。光電管是一個抽成真空，并封裝了一個陰極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，并受電場加速而形成電流，這種電流稱為光電流。

圖1 光電效應實驗原理圖

結(jié)合韓山師范學院實際教學，光電效應實驗要求學生驗證光電流與入射光強的關(guān)系、光電子初動能與入射光強關(guān)系、畫出5 種不同波長光波的伏安特性曲線及測算出普朗克常數(shù)。實驗的數(shù)據(jù)量很多，計算量也大，如果采用手工計算，不便于老師及時發(fā)現(xiàn)學生在實驗中出現(xiàn)的問題。為了解決上述問題，運用LabVIEW 編程軟件，設(shè)計了一套光電效應數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，學生做完實驗只要輸入數(shù)據(jù)，系統(tǒng)就能快速地計算出結(jié)果，并畫出相應曲線。方便老師及時發(fā)現(xiàn)學生的問題并予以糾正。

1 光電效應實驗原理

當入射光的頻率大于截止頻率ν0時，才會發(fā)生光電效應。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，當電位差增大到一定值后，光電流達到飽和值Im，如圖2 的伏安特性曲線所示。而飽和的電流強度Im與入射光強度I 成正比。設(shè)光源與光電管的距離為d，光強是正比于1/d2的。因此在實驗中，要求學生測量不同頻率的入射光的飽和電流Im與1/d2的關(guān)系曲線，從而驗證飽和光電流與入射光強的線性關(guān)系。

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

圖2 光電管伏安特性曲線

令A = hν0，由式(1)、式(2)可得:

2 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖

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

2.2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

2.2.1 主界面

系統(tǒng)的設(shè)計運用LabVIEW 編程語言實現(xiàn)，LabVIEW 是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應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，點擊按鈕會進入相應的子模塊。

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，都是直接將子VI 的圖標放置在主VI 程序框圖中。在打開主VI 的同時就會將子VI 載入內(nèi)存。編譯時子VI 的代碼將會和主VI 的代碼連接，運行時子VI 的內(nèi)容是不可再改變的。這樣的程序設(shè)計有很大的缺陷，不但會占用更多的內(nèi)存，而且程序運行過程中子VI 是不能改變的，這將導致系統(tǒng)無法及時更新數(shù)據(jù)，不方便在運行過程中對系統(tǒng)進行升級。因此，主界面的設(shè)計采用動態(tài)程序控制技術(shù)，動態(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 是獨立的，可以方便對動態(tài)載入的VI 進行更新，而且方便實現(xiàn)多面板控制程序。

2.2.2 光電管電流與入射光光強關(guān)系模塊

由于該實驗數(shù)據(jù)量非常大，有些曲線的數(shù)據(jù)達到40 多個，這樣多的數(shù)據(jù)在一個頁面內(nèi)顯示，會顯得頁面臃腫，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條來實現(xiàn)移動擴充，如圖5 所示。輸入數(shù)據(jù)通過LabVIEW 的曲線擬合功能進行線性擬合，驗證兩者的線性關(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)置了清零按鈕對數(shù)據(jù)進行一鍵清零。如果數(shù)據(jù)處理完畢，按返回鍵將返回系統(tǒng)主界面，進行下一個處理模塊的選擇。

圖5 光電管電流與入射光光強關(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

這個模塊對光電管不同頻率光波的伏安特性進行研究，模塊內(nèi)容如圖6 所示。左邊也是用數(shù)組控件設(shè)計數(shù)據(jù)輸入窗口，改變電壓并記錄相應的電流值，每組電流電壓對應一條伏安特性曲線。采用LabVIEW 的XY 曲線圖，并將數(shù)據(jù)進行捆綁，實現(xiàn)一個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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的清零和返回主界面的功能。

2.2.4 測定普朗克常量模塊

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

圖7 測定普朗克常量模塊

3 結(jié)束語

基于LabVIEW 的光電效應實驗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，人機交互性強，計算結(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)的個數(shù)可以隨意擴充，而且不受顯示區(qū)域的限制。采用動態(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)化和運算速度的提升。系統(tǒng)使數(shù)據(jù)處理結(jié)果能夠?qū)崟r完成，可大大節(jié)省學生數(shù)據(jù)處理的時間，同時也方便教師實時檢查學生的實驗數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)問題，從而顯著提高了實驗教學的效率與質(zhì)量。

［1］鄔鴻彥，朱明剛. 近代物理實驗［M］. 北京:科學出版社，2004:52－62.

［2］陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20 程序設(shè)計從入門到精通［M］. 北京:清華大學出版社，2007:273－281.

［3］倪永勤，孫昭洪，師家成，等. 基于LabVIEW 的多元線性回歸數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)［J］. 微計算機信息，2007(23):307－309.

［4］黃升民，田野. 基于LabVIEW 軟件的虛擬線性擬合儀的設(shè)計［J］. 哈爾濱師范大學學報:自然科學版，2006(6):60－62.

［5］孫秋野，柳昂，王云爽.LabVIEW 8.5 快速入門與提高［M］. 西安:西安交通大學出版社，2009:202－208.