物理金属电子逸出功的测量实验数据处理文档.pdf

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1、收稿日期:2007-11-07;修改日期:2008-01-09基金项目:南京信息工程大学教学建设与改革四期工程资助项目 07JY0119和 07JC0002联合资助。作者简介:陈玉林(1971-),男,副教授,硕士,主任,主要从事物理实验教学与实验室管理工作。金属电子逸出功测定实验数据处理系统摘要:大学物理实验教学中存在着繁杂的数据处理问题,结合 Excel软件的特点和优势,文章介绍了利用 Excel 2003建立金属电子逸出功测定实验数据处理系统。实践表明,用 Excel软件处理大学物理实验数据具有快捷、直观、简易的优点,掌握它能有效提高学生物理实验数据处理能力。关?键?词:Excel软件;

2、金属电子逸出功;数据处理Building Data Processing System ofM etalElectricWork Function Experi mentAbstract:Complicated data processing proble ms exist in college physics experi ment teaching.Co mbining with the characteristics andadvantages ofExce,lthe paper introduces ho w to use Excel2003 to build the data pro

3、cessing syste m ofmetal electricwork function ex?peri ment.The application shows that adopting Excel in college physics experi mentdata processing has the advantages of rapidity,visu?alization and si mplicity.W ith such skills,students can greatly i mprove their ability of data processing.K ey words

4、:Exce;l metalelectric work function;data processing1?引?言?金属电子逸出功的测定 实验是用来测量金属钨的电子逸出功,在数据处理和实验测量方法上有普遍的意义,是理工科学生实验课程中的一个重要实验。在国外,多数高等学校均开设此实验。但该实验数据采集量较大,一般对 5个不同温度值需采集 40组电压和电流值,进行 6次直线拟合,计算公式十分繁琐,数据处理起来也比较困难,因而人们经常采用计算机来建立实验数据处理系统。用计算机建立实验数据系统通常要求掌握一门以上计算机语言,如 M atlab、Mathe m atica 和 VB等,而大学物理实验大多数

5、在一年级开设,学生刚刚接触计算机,还不具备用计算机处理数据的能力,用它们来处理实验数据非常困难。通过反复实践和研究,笔者在众多的计算应用软件中发现 Ex?cel最擅长这项工作,学生无需精通计算机编程,只要学会 W indows和 Office的一些基本操作,再通过 Excel软件的帮助说明,就基本会用它来处理实验数据。2?实验原理简述 1根据固体物理学中金属电子理论,金属中的传导电子能量分布按费米-狄拉克能量分布,即f(E)=d NdE=4?h3(2 m)32E12exp(E-EFkT)+1(1)式中,EF是费米能级。将被测的金属材料制成理想二极管的灯丝,通以电流加热时就有热电子发射。根据费米

6、-狄拉克能量分布公式(1),可以导出热电子发射的里查孙-热西曼公式:I=AST2exp(-e?kT)(2)式中,I是热电子发射的电流强度,单位为 A;A是和阴极表面化学纯度有关的系数,单位为 A!m-2!K-2;S 是阴极的有效发射面积,单位为 m2;T 为发射热电子的阴极的绝对温度,单位为 K;k是玻尔兹曼常数(k=1?38 10-23J!K-1);?为电子的逸出电位。实际测量中常用里查孙直线法,设法避开 A和 S的测量。将式(2)两边除以 T2,再取对数得:lgIT2=lgAS-e?2?30kT=lg AS-5?04 103?1T(3)从式(3)可见,lgIT2与1T呈线性关系。若以 lg

7、IT2为纵坐标,1T为横坐标作图,从所得直线的斜率即可求出电子的逸出电位?,再求出电子的逸出功 e?。式(3)中 I为在一定温度下加速电场为零时纯粹的热电子发射电流,称零场电流,可以从加速电场外延法求出。3?实验数据处理系统的建立3?1?原始数据的输入原始数据的输入非常方便,只要用鼠标点击,就可以选中相应的单元格,然后直接输入数据,并进行文字处理。在输入数据时,为了不失有效数字,先用鼠标选定要输入数字的单元格,再单击鼠标右键快捷方式,选择?数字 页面,点击数值选项,在小数位数选择框中输入要设定的位数。图 1为一定温度下对应每一灯丝电流 If,在阳极上加 25,36,49,#,144 V 电压

8、Ua,各测出一组阳极电流 Ia的 Excel表格。其中深灰色区域为输入的原始数据。图 1?一定温度、不同电压下的热电子电流示意图3?2?数据处理1)使用 Excel2003求对数函数 lg(x)将图 1数据的阳极电流 Ia换算成图 2所示的热电子电流的对数值。具体操作如下:(1)先用鼠标选定 B12单元格,并输入公式?=LOG10(B4/1000)后回车,将自动计算出该阳极电压下的热电子电流的对数值。对数值的计算也可在选中 B12单元格时单击工具栏中插入函数,在弹出对话框中选择?数学与三 角函数 类别中的?LOG10 函 数来 实现。(2)对其余阳极电压下数值的计算利用鼠标的拖曳功能来实现,即

9、将鼠标指向 B12单元格填充句柄(当前单元格矩形框右下角实点),此时鼠标变为?+号,按住鼠标左键,向下(也可以是向上、左或右)拖动即得 2。图 2?热电子电流的对数值示意图2)利用 Excel2003插入图形的功能,根据图 2数据作出 lgIaUa图线。操作如下:(1)点击工具栏中插入?图表向导 选项,出现图表向导对话框;(2)在?图表类型 窗口中选择第 5种,即?XY散点图 ,在?子图表类型 中选择左下角的?折线散点图;(3)点击?下一步 按钮,出现图表源数据对话框,在?数据区域 空白处用鼠标选择?B11:I16,可预览图线的形状;(4)点击?下一步 按钮,出现?图表选项 对话框,有 5个选

10、项卡,在?标题 卡的?图表标题 窗口中输入?lgIasqrt(Ua)关系图,在 x 轴窗口中输入?sqrt(Ua),在 y轴窗口中输入?lgIa,选中网格线选项的全部4项,单击下一步。图表标题、坐标轴名称可通过图生成后插入文本框来添加;(5)点击?完成 按钮,至此实验数据点就在图表上描绘出来了。再通过添加趋势线,在类型中选择线性类,在选项中选中复选框?显示公式 和?显示 R 平方值 ,单击确定。一条线性回归拟合线和对应的直线方程就显示出来了,再修改坐标、图形、网格线的比例、颜色、大小等(均可用鼠标右键点击所需修改的项目来实现)就可以得到满意的效果。方程同时也显示了各温度下的零场电流截距即 lg

11、I(截距也可通过Excel中的 I NTERCEPT函数来实现)。3)使用 Excel2003中的 I NTERCEPT 函数,计算出不同灯丝温度时的零场电流值 lgI 及其换算值,如图 3所示。具体操作如下:(1)用鼠标选定 B41单元格,并输入公式?=I NTERCEPT(B12:I12,B11:I11)后回车,将自动计算出该灯丝温(上接第 7页)度时的零场电流值 lgI;(2)再用鼠标选定 B42单元格,并输入公式?=B41-2*LOG(B40*1000)后回车,将自动计算出 lgIT2的换算值;(3)其余单元格中的数据利用鼠标的拖曳功能得到。图 3?不同灯丝温度时的零场电流值及其换算值

12、示意图4)数据处理方法与第 2)步相同,利用 EX?CEL2003中插入图形功能,得到以 lgIT2为 y 轴,以1T为 x轴的 lgIT21T关系图。方程直接显示其斜率,也可使用 EXCEL2003中的求斜率函数 SLOPE函数,计算出直线斜率 m=-22 674,即可求出电子逸出功 e?。4?使用效果学生做完实验以后,使用该数据处理系统进行数据处理,只需要按要求输入原始数据,马上就可以得到最后的实验结果以及中间和最后的误差量,教师也可以得知每名学生的实验情况。当发现不合理的数据时,可以立即帮助分析,指出其错误的原因,使学生大大加强了对实验的理解与掌握。另一方面,利用计算机处理实验数据,不但

13、提高了学生计算机应用能力,也培养了学生对所学知识的综合运用素养,对培养学生学习兴趣和数据处理能力很有帮助。EXCEL集数据的编辑、整理、统计分析、图表绘制于一身,它的数据处理能力和操作的简易性已越来越为大家所接受 3。物理实验计算机数据处理系统的开发使用,对提高物理实验现代化教学手段的使用程度,提高实验教学质量有积极作用。今后,我们还准备再增加用 Excel处理数据的实验个数,使系统进一步完善。参 考 文 献 1?钱峰,潘人培?大学物理实验 M?北京:高等教育出版社,2006?2?于洪彦?Excel统计分析与决策 M?北京:高等教育出版社,2001?3?万伟?用 Excel处理物理实验数据 J?实验科学与技术,2005,12(4):73?