近代电子学实验
α粒子散射实验 实验报告
α粒子散射实验实验报告一．实验目的1.初步了解近代物理中有关粒子探测技术和相关电子学系统的结构，熟悉半导体探测器的使用方法；2.实验验证卢瑟福散射的微分散射截面公式二．实验原理1.瞄准距离与散射角的关系视α粒子和电子均为点电荷，假设两者间作用力只有静电斥力，如图1，散射角θ，瞄准距离b ，α粒子质量为m ，入射速度为0v ，则：（1）（2）2.卢瑟福微分散射截面公式设有截面为S 的α粒子束射到厚度为t 的靶上，靶的原子数密度为n ，则α粒子散射到θ方向单位立体角内每个原子的有效散射截面为：2222244001121()() 1.296()4sin (/2)sin (/2)d Ze Z d mv E σπεθθ==Ω （3） 设实验中探测器的灵敏面积对靶所张的立体角为Δ,在某段时间内射2co t2b D θ=00πε到靶上的粒子总数为T ，则观察到的粒子数为：（4）三．实验仪器粒子源 真空室 探测器与计数系统 真空泵 四．实验数据及处理1．原始数据及处理表1 探测到的粒子数count 与散射角的关系Angle/° Angle /rad count1 count2 count3 count4 count5 N=count average count median -10-0.175 668 687 634 683 719 678 683 -9 -0.157 806 790 738 824 776 787 790 -8 -0.140 875 919 924 923 904 909 919 -7 -0.122 1020 1002 960 1032 999 1003 1002 -6 -0.105 1069 1092 1100 1075 1058 1079 1075 -5 -0.087 1149 1188 1201 1115 1149 1160 1149 -4 -0.070 1173 1148 1164 1196 1171 1170 1171 -3 -0.052 1190 1225 1225 1236 1237 1223 1225 -2 -0.035 1222 1256 1288 1283 1225 1255 1256 -1 -0.017 1295 1284 1292 1296 1278 1289 1292 0 0.000 1310 1290 1281 1264 1355 1300 1290 1 0.017 1275 1264 1299 1231 1253 1264 1264 2 0.035 1283 1188 1220 1274 1250 1243 1250 3 0.052 1248 1236 1211 1201 1257 1231 1236 4 0.070 1107 1134 1083 1116 1132 1114 1116 5 0.087 1184 1103 1150 1105 1132 1135 1132 6 0.105 939 919 932 894 934 924 932 7 0.122 811 882 757 853 837 828 837 8 0.140 723 697 729 715 715 716 715 9 0.157 612 622 627 615 610 617 615 10 0.175 514 501 541 517 501 515 514 11 0.192 382 381 412 381 405 392 382 12 0.209 277 279 310 335 294 299 294 13 0.227 250 225 227 228 163 219 227 14 0.244 164 176 160 168 179 169 168 15 0.262 148 108 127 116 135 127 127 16 0.279 85 82 65 72 78 76 78 17 0.297 40 43 33 34 45 39 40 18 0.314 40 43 33 34 45 39 40 19 0.332 31 29 28 29 22 28 29 200.349 20 25 20 14 24 21 2001()()4sin (/2)Ze nt N Tmv πεθ∆Ω=25 0.436 13 10 4 8 10 9 10 30 0.524 1 3 4 2 5 3 3 35 0.611 0 1 2 1 0 1 1 40 0.698 1 1 0 1 3 1 1 45 0.785 0 1 0 0 0 0 0 50 0.873 0 0 0 0 0 0 02．曲线拟合根据表1，做出探测器探测到的粒子数N 的平均值与散射角θ的关系； 再按照修正拟合公式（6）式进行曲线拟合，如图2所示。
超声波测水流的速度
实验课程名称近代电子学实验实验项目名称超声波测水流的速度学院理学院专业班级电子科学与技术10-1 学生姓名杨晓玲学号 1007010043指导老师李良荣实验时间 2012 年9月10日一、设计目的和要求1、设计测量超声波正、反向传输时间及传输时差的电子电路，也可设计成直接测量超声波传输时差的电子电路；2、设计数码显示电路，实时显示传输时差，也可实时显示可以计算出时间差的数据；3、给出相关器件的选型、参数整定依据以及它的工作环境要求；4、分析并提出提高测量精度和分辨率的方法和措施；6、完成实验仿真、模拟调试、实现主要功能要求；7、加选项：完成流速的计算。
二、实验方案设计：1、原理方框图如图1所示：2.设计思想：该设计的内容是超声波传输时差的测量。
本设计通过超声波换能器的收发信号来控制计数器测出超声波在顺逆流中所记脉冲的个数差，进而计算出时间差。
技术要点和成果是通过换能器和计数器来控制计数器实现了不间断测时差。
根据设计要求，系统中必须有计数的模块，实现脉冲个数的计数，我通过基本计数器的级联实现了大模制的计数功能，刚开始我选择了加减计数器，在超声波逆流过程中进行加计数，在顺流过程中进行减计数，最后显示的数值就是顺逆流的计数差值，虽然也间接实现了差时的测量，但是逆流加计数和顺流减计数是不同步的，所测的数值的准确性不够高，所以我又用两块计数模块来分别同时计顺逆流时间段的脉冲数，在让它们相减得到脉冲差值。
但又感觉有点复杂，所以也在一定程度上放弃了。
最后确立了另一种较为合适的方案，那就是让两个换能器同时发出超声波并给计数器一个脉冲信号，让计数器清零复位，当接收到顺流信号时换能器发出脉冲信号让计数器加计数，当换能器接收到逆流信号时发出一脉冲信号使计数器处于保持状态，这样计数器显示的数值就是顺逆流两过程的时间差中所计的个数，进而直接计算得到顺逆流过程的时间差。
既简化了电路又弥补了测量不同步的缺点，使测量的可靠性得到提高。
密立根油滴实验电子电荷的测量解读
14.8 密立根油滴实验——电子电荷的测量实验简介密立根 (Robert Andrews Millikan ，1868～1953，美国物理学家) 于1907年开始，经历7年时间，用油滴法直接证实了“电”的不连续性，并用实验的方法直接测量了电子的电荷量，这就是著名的密立根油滴实验，它是近代物理学发展史中具有重要意义的实验。
因对基本电荷和光电效应的工作，密立根荣获1932年度诺贝尔物理学奖。
实验目的1．通过对带电油滴在重力场和静电场中运动的测量，验证电荷的不连续性，并测定电子的电荷e 。
2．了解、掌握密立根油滴实验的设计思想、实验方法和实验技巧。
实验原理用油滴法测量电子的电荷，需要测量油滴的带电量q ，可以用静态（平衡）测量法或动态（非平衡）测量法测q ，也可以通过改变油滴的带电量，用静态法或动态法测量油滴带电量的改变量。
测量方法分析如下：一．静态（平衡）测量法。
用喷雾器将油喷入两块相距为d 的水平放置的平行极板之间。
油在喷射撕裂成油滴时，一般都是带电的。
设油滴的质量为m ，所带的电荷为q ，两块极板间的电压为U ，则油滴在平行极板间将同时受到重力mg 和静电力qE 的作用。
如图（4.8-2）所示。
如果调节两极板间的电压U ，可使这两个力达到平衡，这时U mg qE q d== （4.8-1） 从式（4.8-1）可见，为了测出油滴所带电量q ，除了需测定平衡电压U 和极板间距离d 外，还需要测量油滴的质量m 。
因为m 很小，需要用如下特殊方法测定：平行极板不加电压时，油滴受重力作用而加速下降，由于空气粘滞阻力的作用，下降一定距离达到某一速度v g 后，阻力与重力mg 平衡，如图4.8-3所示（空气浮力忽略不计），油滴将匀速下降 。
根据斯托克斯定律，油滴匀速下降时6g f a v mg πη== (4.8-2)式中，η是空气的粘滞系数；a 是油滴的半径（由于表面张力的原因，油滴f r mg v g2 总是呈小球状）。
电子衍射
电子衍射电子衍射实验对确立电子的波粒二象性和建立量子力学起过重要作用。
历史上在认识电子的波粒二象性之前，已经确立了光的波粒二象性．德布罗意在光的波粒二象性和一些实验现象的启示下，于1924年提出实物粒子如电子、质子等也具有波性的假设。
当时人们已经掌握了Ｘ射线的晶体衍射知识，这为从实验上证实德布罗意假设提供了有利因素．1927年戴维孙和革末发表他们用低速电子轰击镍单晶产生电子衍射的实验结果。
两个月后，英国的汤姆逊和雷德发表了用高速电子穿透物质薄片的办法直接获得电子花纹的结果。
他们从实验测得电子波的波长与德布罗意波公式计算出的波长相吻合，证明了电子具有波动性，验证了德布罗意假设，成为第一批证实德布罗意假说的实验，所以这是近代物理学发展史上一个重要实验。
利用电子衍射可以研究测定各种物质的结构类型及基本参数．本实验用电子束照射金属银的薄膜，观察研究发生的电子衍射现象。
一 实验目的1 拍摄电子衍射图样，计算电子波波长。
2 验证德布罗意公式。
二 实验原理电子衍射是以电子束直接打在晶体上面而形成的。
在本仪器中我们在示波器的电子枪和荧光屏之间固定一块直径约为2.5cm 的圆形金属膜靶，电子束聚焦在靶面上，并成为定向电子束流。
电子束由13KV 以下的电压加速，通过偏转板时，被引向靶面上任意部位。
玻壳上有足够大的透明部分，可以观察内部结构，电子束采用静电聚焦及偏转。
若一电子束以速度ν通过极薄的晶体膜，这些电子束的德布罗意波的波长为：p h='λ （1）式中普朗克常数，p 为动量。
设电子初速度为零，在电位差为U 的电场中作加速运动。
在电位差不太大时，即非相对论情况下，电子速度c <<ν（光在真空中的速度），故02201/m c m m ≈-=ν，其中0m 为电子的静止质量。
它所达到的速度ν可由电场力所作的功来决定：m p m eU 22122==ν （2）将式（2）代入（1）中，得：U em h 12='λ （3） 式中e 为电子的电荷，m 为电子质量，h 为普朗克常量，然后将0m 、h 、e 代入（3）得U 225.1='λ （4）其中加速电压U 的单位为V ，λ的单位为1010-米。
近代塞曼效应实验报告
一、实验目的1. 观察并记录塞曼效应现象，理解其产生原理。
2. 学习并掌握利用塞曼效应测量电子荷质比的方法。
3. 理解塞曼效应在原子结构、分子结构等方面的应用。
二、实验原理塞曼效应是指在外加磁场作用下，原子光谱线发生分裂的现象。
根据半经典模型，电子在原子中具有轨道角动量和自旋角动量，两者合成总角动量。
当原子处于外磁场中时，总角动量与磁矩相互作用，导致能级分裂。
根据量子力学理论，电子在原子中具有轨道角动量量子数l、自旋角动量量子数s 和总角动量量子数j。
在外磁场作用下，总角动量与磁矩相互作用，导致能级分裂成(2j+1)个能级。
能级分裂的能量差ΔE与磁感应强度B、玻尔磁子μB和朗德因子g有关，即ΔE = gjμBB。
实验中，通过观察光谱线的分裂情况，可以测量磁感应强度B、电子荷质比等物理量。
三、实验仪器与设备1. 光谱仪：用于观察原子光谱。
2. 磁场发生器：用于产生外磁场。
3. 电源：为磁场发生器提供电源。
4. 计算器：用于计算数据。
四、实验步骤1. 将原子气体充入光谱仪，调整光谱仪使其对准原子气体。
2. 打开磁场发生器，调节磁场强度，观察光谱线的分裂情况。
3. 记录不同磁场强度下的光谱线分裂数据。
4. 根据实验数据，计算磁感应强度B、电子荷质比等物理量。
五、实验结果与分析1. 观察到在外磁场作用下，原子光谱线发生分裂，分裂成若干条偏振谱线。
2. 根据实验数据，计算得到磁感应强度B和电子荷质比。
（此处省略具体计算过程和结果）六、实验结论1. 通过实验验证了塞曼效应现象，理解了其产生原理。
2. 学会了利用塞曼效应测量电子荷质比的方法。
3. 理解了塞曼效应在原子结构、分子结构等方面的应用。
七、实验注意事项1. 实验过程中，注意安全，避免磁场对人体的危害。
2. 调节磁场强度时，要缓慢进行，避免磁场突变对实验结果的影响。
3. 记录实验数据时，要准确无误。
八、实验总结本实验通过观察塞曼效应现象，掌握了利用塞曼效应测量电子荷质比的方法。
密立根油滴实验电子电荷的测量
密立根油滴实验电子电荷的测量密立根（Robert Andrews Millikan , 1868〜1953，美国物理学家）于1907 年开始，经历7 年时间，用油滴法直接证实了“电”的不连续性，并用实验的方法直接测量了电子的电荷量，这就是著名的密立根油滴实验，它是近代物理学发展史中具有重要意义的实验。
因对基本电荷和光电效应的工作，密立根荣获1932 年度诺贝尔物理学奖。
1 ．通过对带电油滴在重力场和静电场中运动的测量，验证电荷的不连续性，并测定电子的电荷e。
2．了解、掌握密立根油滴实验的设计思想、实验方法和实验技巧。
用油滴法测量电子的电荷，需要测量油滴的带电量q,可以用静态（平衡）测量法或动态（非平衡）测量法测q，也可以通过改变油滴的带电量，用静态法或动态法测量油滴带电量的改变量。
测量方法分析如下：一．静态（平衡）测量法。
用喷雾器将油喷入两块相距为d的水平放置的平行极qE板之间。
油在喷射撕裂成油滴时，一般都是带电的。
设油滴Vd的质量为m所带的电荷为q,两块极板间的电压为U,则mg油滴在平行极板间将同时受到重力mg和静电力qE的作用。
图4.8-2如图（4.8-2 ）所示。
如果调节两极板间的电压U,可使这两个力达到平衡，这时UmgqEq,, （4.8-1 ）d从式（4.8-1 ）可见，为了测出油滴所带电量q,除了需测定平衡电压U和极板间距离d外，还需要测量油滴的质量m因为m很小，需要用如下特殊方法测定：平行极板不加电压时，油滴受重力作用而加速下降，由于空气粘滞阻力的作用，下降一定距离达到某一速度v后，阻力与重力mg平衡，如图4.8-3所示（空气浮力忽略不计），fgr 油滴将匀速下降。
根据斯托克斯定律，油滴匀速下降时favmg,,6,, （4.8-2） vgg 式中，a是空气的粘滞系数；是油滴的半径（由于表面张力的原因，油滴,mg总是呈小球状）。
设油的密度为，油滴的质量可以用下式表示，143 （4.8-3） ma 图4.8-3 ,,,3由式（ 4.8-2 ）和式（ 4.8-3 ）得到油滴的半径9,vga, （4.8-4 ）2,g,6对于半径小到m的小球，空气的粘滞系数应作如下修正10,,,,b ，1pa式中，为修正常数，为大气压强，单位用Pa。
晶体管特性曲线测试电路
近代电子学实验之晶体管特性曲线测试电路实验设计项目名称：晶体管特性曲线测试电路实验设计摘要：该电路可以实现NPN型晶体管输出特性曲线（Ic—Vce）的测试。
在晶体管的基极通入恒定的电流，在集电极加载一定的电压，集电极就会产生放大后的电流输出。
此时，便得到了晶体管的一条Ic—Vce曲线，即是晶体管的特性曲线的一条。
若往基极通阶梯波，集电极加载锯齿波，那么输出特性曲线就是一簇曲线。
该曲线可以得到晶体管的工作状态，对于研究晶体管特性静态特性有很大的用处。
搭好电路后，最终的波形将在数字示波器上显示。
实验设计目的：1、应用运算放大器产生一些基本脉冲波：矩形波、锯齿波、阶梯波。
2、熟悉掌握运算放大器运用与设计。
3、应用这些脉冲波形构成简单的晶体三极管特性曲线测试电路。
实验设计内容及要求：1、矩形波：频率为500Hz，幅度-10V—+10V。
2、锯齿波：幅度0—10V连线可调，输出极性可变。
3、阶梯波：3—10阶连线可调。
4、电压—电流变换器：0.001<=I1<=0.2(mA)，输出电流方向可变（每阶0.001<=Ib<=0.02(mA)）。
实验设计的基本原理：三极管特性曲线测量电路的基本原理：晶体三极管为电流控制器件，他们特性曲线的每一根表示当Ib一定时Vc与Ic的关系曲线，一簇表示不同Ib时Vc与Ic的关系曲线的不同关系曲线，就称为单晶体三极管的输出特性曲线，所以在晶体三极管的基级加上阶梯电流源表示不同 Ib。
在每级阶梯内测量集射极电压 Vc和集电极定值负载电阻上的电压 Vr,通过电压变换电路将 Vr换算成集电极电流 Ic, 以 Ic作为纵轴, Vc 为横轴, 在数字示波器上即可显示一条晶体管输出特性曲线。
示波器的地线与测量电路地不可相通。
即测量电路的稳压电源不能接大地。
（因为示波器外壳已接大地）晶体三极管特性曲线测量电路原理框图如下:框图在本测量电路中，两种波形的准确性直接影响到了输出曲线的好坏。
实验二 夫兰克赫兹实验
实验二夫兰克-赫兹实验预备知识今天的物理学的重要特征是描述物理现象的许多量是量子化的，也就是说，这些量不能取任意的连续值，而仅限于一些分立的值。
最普通的例子是电磁辐射的强度、原子系统的能量和电荷。
从下面四个实验中可得出这种量子化的有力证明：1.夫兰克-赫兹实验。
利用加速的电子与原子的非弹性碰撞将原子由低能态激发到高能态，直接证明了原子内部能量的不连续性，证实了原子分立能级的存在，并提供一种测量激发电位的方法。
2.光电效应实验，证实了光量子概念的正确性。
在光电效应中被释放的电子从辐射场吸收能量hυ（ｈ是普朗克常数），它联系着微观世界普遍存在的波粒二象性，揭示能量交换量子化的规律。
3.密立根油滴实验。
通过对微小油滴所带电荷的测量，证实油滴电荷是最小单位电荷(电子电荷)的整数倍，由此直观而准确地测量了电子电荷ｅ。
以上这些实验在物理学史上是很著名的，对近代物理学的发展起过重要作用。
安排这些实验的目的，除加深对原子物理和量子论基本概念的理解外，还为了掌握实验中使用的方法，以及测量微电流的仪器与技术。
4.氢原子光谱。
光谱线系的规律与原子结构有内在的联系。
原子光谱的研究对原子物理和量子力学的发展起过很大作用，特别是氢原子光谱，它是最简单、最典型的一种光谱，研究得最早、最透彻。
对原子光谱的分析有力地证实了原子中分立能级的存在。
给玻尔原子结构的理论有力的支持。
人们正是通过原子在不同能级之间跃迁产生的发射和吸收光谱来研究原子能级结构，进而认识原子内部的各种相互作用和运动。
在夫兰克-赫兹实验和光电效应实验中都涉及到微电流的测量。
我们用微电流测试仪(又称微电流测量放大器)来测量微电流。
微电流测试仪的基本原理如图2.0-1所示。
图中ＨＯＰ为理想运算放大器，Ｒｓ为取样电阻，Ｕ0为输出电压，Ｉi为输入电流(即被测电流)，它与输出电压的关系为Ｕ0＝-ＩiＲs即被测电流Ｉi与输出电压成正比。
根据此式即可通过测Ｕ0而测出电流。
测量不同量级的微电流对于选择运算放大器、取样电阻以及安装技术有不同的要求。
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近代电子学实验3
题目：音乐发生器
专业：电技101
姓名: 陈会
学号： 1007010044
指导教师：李良荣
基于555定时器的音乐发生器
1.1题目的背景
随着微电子技术和计算机技术的不断发展，在涉及通信、国防、航天、工业自动化、仪器仪表等领域的电子系统设计工作中，音乐发生器的应用越来越广的应用到各个领域。
随着我国的经济发展，人们不在只是追求温饱，而是上升了很大的层次，家长对孩子的教育也是不断的提升，每个家长都希望自己的孩子能全面的发展，于是音乐成为广大家长的首选。
广大父母也在寻求最早、最快、操作极为简单的培养音乐兴趣的工具。
1.2应用及发展趋势
就在此背景下，一个操作简单的，不需要一点音乐基础，操作无危险的音乐工具出现，此音乐发生器走进了父母的眼中，走进了千家万户，成为家长培养孩子音乐感的首选。
这将给父母对孩子的早教提供很大的方便。
第二章总体设计概述
2.1设计思路
不同的音调是不同的频率所影响，所以通过改变响应的频率就可以发出不同的音调，从而实现此播放器的功能。
2.2设计芯片选择
通过对数字电路的学习，了解555定时器能够通过改变不同的电阻值，而改变所发出的频率，从而发出不同的音调。
2.3 设计芯片介绍
NE555介绍
NE555 (Timer IC)大约在1971年由Signetics Corporation发布，在当时是唯一非常快速且商业化的Timer IC，在往后的30年來非常普遍被使用，且延伸出许多的应用电路，尽管近年來CMOS技术版本的Timer IC 如MOTOROLA的MC1455已被大量的使用，但原规格的NE555依然正常的在市场上供应，尽管新版IC在功能上有部份的改善，但其脚位劲能并没变化，所以到目前都可直接的代用。
NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省
电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号。
a. NE555的特点有：
1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。
其延时范
围极广，可由几微秒至几小时之久。
2.它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑闸配合，也就是它的输
出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。
3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。
4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。
b. NE555引脚位配置说明下：
图1-2 NE555接脚图
Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。
Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。
触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。
Pin 3 (输出) -当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少
1.7伏的高电位。
周期的结束输出回到O伏左右的低电位。
于高电位时的
最大输出电流大约200 mA 。
Pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回
到一个低电位。
它通常被接到正电源或忽略不用。
Pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。
当计时器
经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。
Pin 6 (重置锁定) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。
当这个接脚的电压
从1/3 VCC 电压以下移至2/3 VCC 以上时启动这个动作。
Pin 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输
出为ON 时为LOW ，对地为低阻抗，当输出为OFF 时为HIGH ，对地为高阻抗。
Pin 8 (V +) -这是555个计时器IC 的正电源电压端。
供应电压的范围是
+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。
参数功能特性：
•供应电压4.5-18V
•供应电流3-6 mA
•输出电流225mA (max)
•上升/下降时间100 ns
2.4设计过程
2.4.1公式计算
通过555定时器中的公式
C
R R f )21(44.1+= 改变其中R1、R2的组织可以改变频率
2.4.2音调调节
接在555控制端（5脚）的B 组开关J4和J5是用来调音调的，按下AN1时发音音调比基本音符组（A 组）升高音调一致；而按下AN2时，则比AN1的音调又升高一级。
R10R11的电阻值分别在500Ω和1000Ω左右。
2.4.3功率放大
此播放器采用小功率集成放大器OPAM_3T_BASIC、用以双音频信号放大，起其音量可通过RP1来调节。
下图为通过multisim仿真软件制作的电路图
电路设计（部分）实物图：
能够加强此播放器的功能，如播放发光灯，随着音乐按钮的按下，响起音乐
的同时，亮起不同强弱的灯光。
通过改变电压的大小实现。
实验总结：通过本次实验，我对数电的知识有了更加深刻的认识，同时对了NE555芯片业有了一定的了解。
当然在实验仿真和连接实物图中也遇到了不少困难，比如在实验过程中因为疏忽把电路连错等等。
在这次实验中，我知道了做事要一步一步的进行，不能急于求成。