自然光照射下光電管U－Ⅰ特性探究

2013-10-22 09:01:48陳洪葉曹學成

山東農業大學學報(自然科學版) 2013年2期

陳洪葉，曹學成

(山東農業大學信息科學與工程學院，山東泰安 271018)

光電效應法測量普朗克常量的實驗中，用微電流測量放大器、微機化X－Y 記錄儀軟件及普朗克常量測量軟件，對光電管陰極和陽極之間的電壓和電流值進行采集和處理，顯示伏安特性曲線，并能測出普朗克常量。實驗中用到的光源是高壓汞燈，如果實驗中不用高壓汞燈，而是用自然光(太陽光)作為光源來照射濾色片，也能觀察到光電管上電壓和電流的變化規律。

本文重點研究在關閉高壓汞燈，自然光作為光源的情況下，光電管上的電壓與電流的數據采集和處理方法，電壓與電流發生變化的規律曲線，并找出它們之間的規律變化式。

1 光電管上電壓電流的數據采集和變化曲線顯示

選擇通光孔徑φ=10 毫米的光闌，濾色片轉盤對應的波長為365 nm、405 nm、436 nm、546 nm、577 nm，打開電腦，連接好微電流測量放大器，待微電流測量放大器充分預熱后，“校準/調零”和“測量”檔全部按要求調整好，以濾色片波長為405 nm為例敘述，當自然光照射到光電管陰極上時，電子從陰極逸出，形成電流，陰極和陽極之間形成電壓，打開光電效應實驗記錄儀——“騰飛”記錄儀，可以同步顯示電壓和電流的數值，時時進行數據的采集并顯示變化曲線，選擇起始電壓采集范圍為“－3V～0V”，一般情況下，選用常規X－Y 記錄方式，設置參數X 量程(mv)為5000 mV，Y 量程為25 mV，記錄間隔為“同步顯示”，坐標選擇為“四象限”，當電壓接近－3V 時，點擊“記錄”選項，開始數據采集，在幾分鐘內，電壓電流變化曲線清晰地顯示在面板上，并同時采集到上百對電壓和電流實驗數據，數據采集完畢后，選擇“暫停”，再選擇“選定”，選擇好曲線所在的空間范圍，再選擇“平滑”對曲線進行平滑處理。

在光電效應實驗面板上，用鼠標去除掉左側水平變化曲線，保留變化明顯的上升曲線，保存數據以“*.XYD”的形式記錄下來，405 nm 波長對應的文件為“405.XYD”，把數據轉化為到EXCEL 表格中保存下來，在后面的統計軟件中再使用。

打開文件“405.XYD”，選擇“文件”下拉菜單中“保存當前圖片”保存下來，再打開電腦附件中的畫圖板，打開這個文件，并選“圖像”下拉菜單中的“反色”，得到圖1:在畫圖板上選點，在“騰飛”記錄儀(可處處顯示曲線上任意一點坐標)中找到這些點，把橫坐標和縱坐標記錄下來，并在圖形中標注，如圖1 所示。

圖1 光電管上的光電流與電壓變化曲線Fig.1 Variation curve between voltage and current of photoelectric tube

記錄儀中的曲線可以直接保存、拍攝，也可以直接打印、引入到畫圖板獲得圖像，記錄儀雖然能夠記錄電壓電流對應曲線中每個點的橫、縱坐標值，但是不能找到整個曲線的變化方程，本文采取把采集的數據文件轉化成一定格式后，再引入到Origin7.5 統計軟件進行數據的多項式擬合，就解決了這個問題。事實證明，是可行的。

2 光電管上電壓電流的數據選取處理

打開文件“405.XYD”對應的文檔，可以看到共采集了330 對數據，根據采集的330 對數據，發現光電流小于－0.491 范圍內，電流變化幅度很小，變化曲線基本上處于水平狀態，這樣去除掉小于－0.491 范圍的數據(為前172 對數據)，重點研究變化幅度明顯的上升曲線。可以用鼠標先選取水平變化曲線(顯示了淺綠色邊框)，右擊鼠標鍵，出現下拉菜單，選擇“剔除壞點”，把小于－0.491 以下的數據點對應的水平線刪掉了。這樣剩下的158 對數據就是我們重點研究的數據，在大于－0.491 范圍的數據對應的電流變化曲線非常明顯，成較快速的上升。在“騰飛”記錄儀中，顯示了變化曲線，再選定剩余的曲線，選擇“平滑”，再選擇“選定”，再選擇“文件”下拉菜單中“保存數據文件”，保存為“自然光405.xyd”，如果打開這個數據文件，發現這是以word 文檔存儲的兩列數據。

采集處理后的158 對數據如下:

表1 記錄儀采集到的電壓和電流數據(共158 對數據)Table 1 Voltage and current from recorder (Total 158)

3 電壓電流數據選取后轉化到origin 7.5 表格中的方法

“自然光405.xyd”文件中對應的是兩列數據，如果把這兩列數據直接復制粘貼到Excel 表格或直接導入到Origin 7.5 軟件中，兩列數據是不能顯示是分開各自獨立的兩列，而是都擠到一列中去了。數據處理的方法是:打開“自然光405.xyd”文件后，選擇“文件”下拉菜單中“另存為”，選擇“純文本”保存類型，這樣文件就被保存在記事本中，以文本類型保存下來，這時再全選所有數據，再復制粘貼到Excel 表中，就能分成兩列了，也能復制到Original 7.5 軟件中進行數據處理了。

4 用origin 7.5 統計軟件進行數據擬合，找到擬合方程

打開Origin 7.5 統計軟件，把數據引入，選擇軟件中“Tools(工具)”下拉菜單中“Policy Fit(多項式擬合)”選擇擬合系數“2”(觀察變化曲線類似拋物線的一部分，所以選擇擬合系數為2)，選擇“Fit”進行擬合，這樣兩組數據的關系及擬合曲線就能清晰地顯示在Origin 面板上了。根據擬合結果，就能把相對應的擬合參量:A(參量)、B1(參量)、B2(參量)、R2(相關系數的平方)、SD(標準偏差)、N(擬合對數)、P(顯著性)都清晰地顯示出來了。