光电效应实验数据处理系统的设计

李卓凡

(韩山师范学院 物理与电子工程系，广东 潮州 521041)

光电效应实验是物理学发展史上具有重要意义的实验。通过实验学生可以了解光的量子性，验证爱因斯坦方程，并由此求出普朗克常量。实验原理如图1 所示，当光照射到光电管上有光电子逸出的现象叫做光电效应。光电管是一个抽成真空，并封装了一个阴极K 和阳极A 的玻璃管，在两极间加一可变电压，用以加速或阻挡释放出来的电子。光通过小窗照到阴极K 上，在光的作用下，电子从电极K 逸出，并受电场加速而形成电流，这种电流称为光电流。

图1 光电效应实验原理图

结合韩山师范学院实际教学，光电效应实验要求学生验证光电流与入射光强的关系、光电子初动能与入射光强关系、画出5 种不同波长光波的伏安特性曲线及测算出普朗克常数。实验的数据量很多，计算量也大，如果采用手工计算，不便于老师及时发现学生在实验中出现的问题。为了解决上述问题，运用LabVIEW 编程软件，设计了一套光电效应数据处理系统，学生做完实验只要输入数据，系统就能快速地计算出结果，并画出相应曲线。方便老师及时发现学生的问题并予以纠正。

1 光电效应实验原理

当入射光的频率大于截止频率ν0时，才会发生光电效应。光电流i 随着加在光电管两端的加速电位差U 的增大而增大，当电位差增大到一定值后，光电流达到饱和值Im，如图2 的伏安特性曲线所示。而饱和的电流强度Im与入射光强度I 成正比。设光源与光电管的距离为d，光强是正比于1/d2的。因此在实验中，要求学生测量不同频率的入射光的饱和电流Im与1/d2的关系曲线，从而验证饱和光电流与入射光强的线性关系。

当光照射光电管时，电子吸收能量后，一部分用来克服金属表面对它的吸引力而做功，余下的就成为电子离开金属表面后的初动能。爱因斯坦的光电效应方程为［1］:

图2 光电管伏安特性曲线

令A = hν0，由式(1)、式(2)可得:

2 数据处理系统的设计

2.1 系统结构流程图

由于该实验的数据量很大，每个处理步骤都需要图表表示，在一个界面内无法显示如此多的内容，所以系统分为三个功能模块:(1)处理光电管电流与入射光光强的关系模块;(2)处理光电管伏安特性模块;(3)计算普朗克常量的功能模块。各个模块内又有相应的子模块辅助功能的实现。具体的结构流程图如图3 所示。

2.2 系统软件实现

2.2.1 主界面

系统的设计运用LabVIEW 编程语言实现，LabVIEW 是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。它的很多界面控件与操作都模拟了现实世界中的仪器，因此LabVIEW程序被称为虚拟仪器。数据处理系统的三大功能模块如图4 所示，点击按钮会进入相应的子模块。

图3 系统结构流程图

图4 系统主界面

系统的三大功能模块以子VI 的形式调用，通常用户调用子VI 时，都是直接将子VI 的图标放置在主VI 程序框图中。在打开主VI 的同时就会将子VI 载入内存。编译时子VI 的代码将会和主VI 的代码连接，运行时子VI 的内容是不可再改变的。这样的程序设计有很大的缺陷，不但会占用更多的内存，而且程序运行过程中子VI 是不能改变的，这将导致系统无法及时更新数据，不方便在运行过程中对系统进行升级。因此，主界面的设计采用动态程序控制技术，动态载入VI 可以减少内存的占用，提高系统性能［2］。由于子VI 与主VI 是独立的，可以方便对动态载入的VI 进行更新，而且方便实现多面板控制程序。

2.2.2 光电管电流与入射光光强关系模块

由于该实验数据量非常大，有些曲线的数据达到40 多个，这样多的数据在一个页面内显示，会显得页面臃肿，不利于页面的美观。因此系统采用数组控件作为数据输入的窗口，输入界面内的数据录入不受显示区域限制，对大数据量的输入可以通过调节输入窗口右边的滚动条来实现移动扩充，如图5 所示。输入数据通过LabVIEW 的曲线拟合功能进行线性拟合，验证两者的线性关系［3－4］。由于输入的数据量很大，如果输入错误必须重新输入数据，但是手工清零的工作量很大，因此系统设置了清零按钮对数据进行一键清零。如果数据处理完毕，按返回键将返回系统主界面，进行下一个处理模块的选择。

图5 光电管电流与入射光光强关系模块

图6 光电管伏安特性模块

2.2.3 光电管伏安特性模块

这个模块对光电管不同频率光波的伏安特性进行研究，模块内容如图6 所示。左边也是用数组控件设计数据输入窗口，改变电压并记录相应的电流值，每组电流电压对应一条伏安特性曲线。采用LabVIEW 的XY 曲线图，并将数据进行捆绑，实现一个图表显示多条曲线的功能［5］。模块同样设置了清零和返回按钮，实现数据的清零和返回主界面的功能。

2.2.4 测定普朗克常量模块

该模块通过曲线拟合功能，对输入的频率和截止电压值进行线性拟合，自动算出曲线的斜率，并由斜率计算出普朗克常量及其相对误差。这个模块的数据采用全部显示的方式，返回按钮可以实现返回主界面的功能。界面如图7 所示。

图7 测定普朗克常量模块

3 结束语

基于LabVIEW 的光电效应实验数据处理系统，人机交互性强，计算结果一目了然。该系统解决了大量数据输入和处理上的困难，数据的个数可以随意扩充，而且不受显示区域的限制。采用动态程序控制技术，减少内存的占用，有利于系统的优化和运算速度的提升。系统使数据处理结果能够实时完成，可大大节省学生数据处理的时间，同时也方便教师实时检查学生的实验数据，及时发现问题，从而显著提高了实验教学的效率与质量。

［1］邬鸿彦，朱明刚. 近代物理实验［M］. 北京:科学出版社，2004:52－62.

［2］陈锡辉，张银鸿.LabVIEW 8.20 程序设计从入门到精通［M］. 北京:清华大学出版社，2007:273－281.

［3］倪永勤，孙昭洪，师家成，等. 基于LabVIEW 的多元线性回归数据处理系统［J］. 微计算机信息，2007(23):307－309.

［4］黄升民，田野. 基于LabVIEW 软件的虚拟线性拟合仪的设计［J］. 哈尔滨师范大学学报:自然科学版，2006(6):60－62.

［5］孙秋野，柳昂，王云爽.LabVIEW 8.5 快速入门与提高［M］. 西安:西安交通大学出版社，2009:202－208.