1、精品文檔光電效應(yīng)【實驗?zāi)康摹?） 了解光電效應(yīng)的規(guī)律，加深對光的量子性的認(rèn)識。2） 測量普朗克常量 h 。【實驗儀器】ZKY-GD-4 光電效應(yīng)實驗儀，其組成為： 微電流放大器， 光電管工作電源，光電管， 濾色片，汞燈。如下圖所示。【實驗原理】光電效應(yīng)的實驗原理如圖1所示。入射光照射到光電管陰極K上，產(chǎn)生的光電子在電場的作用下向陽極A遷移構(gòu)成光電流，改變外加電壓，測量出光電流I 的大小，即可得出光電管的伏安特性曲線。光電效應(yīng)的基本實驗事實如下：（ 1）對應(yīng)于某一頻率, 光電效應(yīng)的 I-關(guān)系如圖 2所示。從圖中可見， 對一定的頻率，有一電壓 U0, 當(dāng)時，電流為零，這個相對于陰極的負(fù)值的陽極電壓

2、U0，被稱為截止電壓。(2) 當(dāng)后， I 迅速增加，然后趨于飽和，飽和光電流IM的大小與入射光的強(qiáng)度P成正比。精品文檔(3)對于不同頻率的光，其截止電壓的值不同，如圖3所示。(4)截止電壓 U0與頻率的關(guān)系如圖 4所示，與成正比。 當(dāng)入射光頻率低于某極限值（隨不同金屬而異）時，不論光的強(qiáng)度如何，照射時間多長，都沒有光電流產(chǎn)生。(5) 光電效應(yīng)是瞬時效應(yīng)。即使入射光的強(qiáng)度非常微弱，只要頻率大于，在開始照射后立即有光電子產(chǎn)生，所經(jīng)過的時間至多為秒的數(shù)量級。按照愛因斯坦的光量子理論，光能并不像電磁波理論所想象的那樣，分布在波陣面上，而是集中在被稱之為光子的微粒上，但這種微粒仍然保持著頻率（或波長）的

3、概念，頻率為的光子具有能量E = h， h為普朗克常數(shù)。當(dāng)光子照射到金屬表面上時，一次被金屬中的電子全部吸收， 而無需積累能量的時間。電子把這能量的一部分用來克服金屬表面對它的吸引力， 余下的就變?yōu)殡娮与x開金屬表面后的動能，按照能量守恒原理，愛因斯坦提出了著名的光電效應(yīng)方程：（ 1）式中， A為金屬的逸出功，為光電子獲得的初始動能。由該式可見， 入射到金屬表面的光頻率越高，逸出的電子動能越大，所以即使陽極電位比陰極電位低時也會有電子落入陽極形成光電流， 直至陽極電位低于截止電壓， 光電流才為零，此時有關(guān)系：（2）陽極電位高于截止電壓后， 隨著陽極電位的升高， 陽極對陰極發(fā)射的電子的收集作用越強(qiáng)

4、， 光電流隨之上升； 當(dāng)陽極電壓高到一定程度， 已把陰極發(fā)射的光電子幾乎全收集到陽極，再增加時I 不再變化，光電流出現(xiàn)飽和，飽和光電精品文檔流的大小與入射光的強(qiáng)度 P成正比。光子的能量A時，電子不能脫離金屬，因而沒有光電流產(chǎn)生。產(chǎn)生光電效應(yīng)的最低頻率（截止頻率）是=A/h。將(2) 式代入 (1) 式可得：（3）此式表明截止電壓是頻率的線性函數(shù)，直線斜率k = h/e，只要用實驗方法得出不同的頻率對應(yīng)的截止電壓，求出直線斜率， 就可算出普朗克常數(shù) h。愛因斯坦的光量子理論成功地解釋了光電效應(yīng)規(guī)律。【實驗步驟】1、 測試前準(zhǔn)備1） 將實驗儀及汞燈電源接通（汞燈及光電管暗盒遮光蓋蓋上），預(yù)熱20m

5、in 。2） 調(diào)整光電管與汞燈距離為約40cm并保持不變。3） 用專用連接線將光電管暗箱電壓輸入端與實驗儀電壓輸出端（后面板上）連接起來（紅紅，藍(lán)藍(lán)）。4） 將“電流量程”選擇開關(guān)置于所選檔位，進(jìn)行測試前調(diào)零。調(diào)零時應(yīng)將光電管暗盒電流輸出端 K與實驗儀微電流輸入端（后面板上）斷開，且必須斷開連線的實驗儀一端。旋轉(zhuǎn)“調(diào)零”旋鈕使電流指示為000.0 。5）調(diào)節(jié)好后，用高頻匹配電纜將電流輸入連接起來，按“調(diào)零確認(rèn)/ 系統(tǒng)清零”鍵， 系統(tǒng)進(jìn)入測試狀態(tài)。如果要動態(tài)顯示采集曲線，需將實驗儀的“信號輸出”端口接至示波器的“Y”輸入端，“同步輸出”端口接至示波器的“外觸發(fā)”輸入端。示波器“觸發(fā)源”開關(guān)撥至“

6、外”，“Y衰減”旋鈕撥至約“ 1V/格”，“掃描時間”旋鈕撥至約“20s/ 格”。此時示波器將用輪流掃描的方式顯示5個存儲區(qū)中存儲的曲線，橫軸代表電壓，縱軸代表電流I 。2、測普朗克常數(shù)h：測量截止電壓時， “伏安特性測試/ 截止電壓測試”狀態(tài)鍵應(yīng)為截止電壓測試狀態(tài)，“電流量程”開關(guān)應(yīng)處于A檔。1） 手動測量使“手動 / 自動”模式鍵處于手動模式。將直徑 4mm的光闌及 365.0nm的濾色片裝在光電管暗盒光輸入口上，打開汞燈遮光蓋。精品文檔此時電壓表顯示的值，單位為伏；電流表顯示與對應(yīng)的電流值I ，單位為所選擇的“電流量程”。用電壓調(diào)節(jié)鍵、可調(diào)節(jié)的值，、鍵用于選擇調(diào)節(jié)位，、鍵用于調(diào)節(jié)值的大小

7、。從低到高調(diào)節(jié)電壓 （絕對值減小） ，觀察電流值的變化， 尋找電流為零時對應(yīng)的，以其絕對值作為該波長對應(yīng)的的值， 并將數(shù)據(jù)記于表1中。為盡快找到的值， 調(diào)節(jié)時應(yīng)從高位到低位，先確定高位的值，再順次往低位調(diào)節(jié)。依次換上 365.0 nm ， 435.8 nm ， 546.1nm， 404.7 nm 的濾色片，重復(fù)以上測量步驟。2） 自動測量按“手動 / 自動”模式鍵切換到自動模式。此時電流表左邊的指示燈閃爍，表示系統(tǒng)處于自動測量掃描范圍設(shè)置狀態(tài)，用電壓調(diào)節(jié)鍵可設(shè)置掃描起始和終止電壓。（注：顯區(qū)左邊設(shè)置起始電壓，右邊設(shè)置終止電壓）實驗儀設(shè)有5 個數(shù)據(jù)存儲區(qū)， 每個存儲區(qū)可存儲 500組數(shù)據(jù)， 由指

8、示燈表示其狀態(tài)。 燈亮表示該存儲區(qū)已存有數(shù)據(jù)，燈不亮為空存儲區(qū)， 燈閃爍表示系統(tǒng)預(yù)選的或正在存儲數(shù)據(jù)的存儲區(qū)。設(shè)置好掃描起始和終止電壓后，按動相應(yīng)的存儲區(qū)按鍵，儀器將先清除存儲區(qū)原有數(shù)據(jù)，等待約30 秒，然后按 4mV的步長自動掃描，并顯示、存儲相應(yīng)的電壓、電流值。掃描完成后， 儀器自動進(jìn)入數(shù)據(jù)查詢狀態(tài)，此時查詢指示燈亮， 顯示區(qū)顯示掃描起始電壓和相應(yīng)的電流值。 用電壓調(diào)節(jié)鍵改變電壓值，就可查閱到在測試過程中，掃描電壓為當(dāng)前顯示值時相應(yīng)的電流值。讀取電流為零時對應(yīng)的，以其絕對值作為該波長對應(yīng)的U 的值，并將數(shù)據(jù)記于表1 中。表 1U0 關(guān)系光闌孔 = mm波長 i(nm)365.0404.74

9、35.8546.1577.0頻率(Hz)8.2147.4086.8795.4905.196截止電壓手動自動按 “查詢 ”鍵，查詢指示燈滅，系統(tǒng)回復(fù)到掃描范圍設(shè)置狀態(tài)，可進(jìn)行下一次測量。將儀器與示波器連接，可觀察到為負(fù)值時各譜線在選定的掃描范圍內(nèi)的伏安特性曲線。3、測光電管的伏安特性曲線：此時，將“伏安特性測試/ 截止電壓測試”狀態(tài)鍵切換至伏安特性測試狀態(tài)。“電流量程”開關(guān)應(yīng)撥至A 檔，并重新調(diào)零。將直徑4mm的光闌及所選譜線的濾色片裝在光電管暗盒光輸入口上。測伏安特性曲線可精品文檔選用“手動 / 自動”兩種模式之一，測量的最大范圍為-1 50V。手動測量時每隔0.5V 記錄一組數(shù)據(jù)，自動測量時

10、步長為1V。記錄所測及 I 的數(shù)據(jù)。從低到高調(diào)節(jié)電壓，記錄電流從零到非零點(diǎn)所對應(yīng)的電壓值并作為第一組數(shù)據(jù)，以后電壓沒變化一定值（可選為1V）記錄一組數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)記錄表中。換上 546nm的濾色片，重復(fù)上述實驗步驟。 在為 50V 時，將儀器設(shè)置為手動模式，測量記錄同一譜線、同一入射距離、光闌分別為 2mm,4mm,8mm時對應(yīng)的電流值于數(shù)據(jù)記錄表中。在為 50V 時，將儀器設(shè)置為手動模式，測量并記錄同一譜線、同一光闌、不同入射距離時對應(yīng)的電流值于數(shù)據(jù)記錄表中。【實驗數(shù)據(jù)處理】1）求普朗克常數(shù)實驗中測得的數(shù)據(jù)如下表所示：與關(guān)系數(shù)據(jù)記錄表光纜孔4mm波長i /nm365.0404.7435.8546

11、.1577.0頻率 i /(1014 )8.2147.4086.8975.4905.196截止電壓 U0i /V-1.838-1.460-1.326-0.812-0.668由實驗數(shù)據(jù)得到的截止電壓U0 與光頻率的關(guān)系如下圖所示：0-0.20123456789V-0.4/-0.6io-0.8U壓-1電y = -0.3746x + 1.2673-1.2止2= 0.9959截-1.4R-1.6-1.8-2光的頻率 Vi/(1014Hz)截止電壓與光頻率的關(guān)系曲線精品文檔由h可知，上述直線的斜率為e ，則普朗克常量為：h0.3746 10 14 1.602 1019 J s6.0 10 14 Js而由

12、最小二乘法的得到的斜率的標(biāo)準(zhǔn)差為sb0.013945，則可知所求的普朗克常量h 的不確定度為：U h eU bet0.95 (3) sb 1.60210 193.18 0.013945 10 140.7 10 34 J s測得的普朗克常量h 與公認(rèn)值 h0 的相對誤差為：h h06.010 34Js6.6261034 J sE6.62610 34Js0.094h0實驗得到的普郎克常數(shù)為：h(6.00.7) 10 34 Js 。（2） 做出兩種波長及光強(qiáng)的伏安特性曲線實驗中，得到的實驗數(shù)據(jù)記錄表如下：對于 435.8nm 的濾色片，入射距離L=400mm,光闌 4nm，數(shù)據(jù)記錄為：UAK關(guān)系UA

13、K /V-10123456789I /(1010A)01.52.74.16.37.58.610.211.813.614.8UAK /V1011121314151617181920I /(1010A)15.917.018.119.219.520.321.121.522.422.923.6UAK /V2122232425262728293031I /(1010A)24.024.725.325.826.326.627.127.227.828.228.5UAK /V3233343536373839404142I /(1010A)28.829.029.429.730.130.330.530.831.13

14、1.131.4UAK /V4344454647484950I /(1010A)31.631.832.132.632.833.233.333.4精品文檔對于 546.1nm 的濾色片，入射距離L=400mm,光闌 4nm，數(shù)據(jù)記錄為：UAK關(guān)系UAK /V-10123456789I /(1010A)-0.40.41.32.23.34.14.65.25.76.67.0UAK /V1011121314151617181920I /(1010A)7.07.27.68.18.38.48.79.09.29.49.6UAK /V2122232425262728293031I /(1010A)9.810.01

15、0.110.310.410.510.610.711.011.011.0UAK /V3233343536373839404142I /(1010A)11.111.211.211.311.411.411.611.611.611.611.6UAK /V4344454647484950I /(1010A)11.711.811.912.112.112.212.212.3由實驗得到的數(shù)據(jù)繪制出的兩種波長及光強(qiáng)的伏安特性曲線如下：波長為 435.8nm波長為 546.1nm40)35A0301-250120(/15I流10電5光0-10-5 0102030405060陰極電流為零時對應(yīng)電壓V/v不同波長及光

16、強(qiáng)下的伏安特性曲線精品文檔3）由于照到光電管上的光強(qiáng)與光闌面積成正比，用中數(shù)據(jù)驗證光電管的飽和光電流與入射光強(qiáng)成正比；同樣用中數(shù)據(jù)驗證光電流與入射光強(qiáng)成正比。對于實驗：在為 50V 時，將儀器設(shè)置為手動模式，測量記錄同一譜線、同一入射距離、光闌分別為2mm,4mm,8mm時對應(yīng)的電流值，數(shù)據(jù)記錄表如下：I MP 關(guān)系U AK 50VL 400nm光闌孔2mm4mm8mm435.8nmI/( 1010A)9.333.8140.3光闌孔2mm4mm8mm546.1nmI/( 1010A)3.412.349.5由實驗數(shù)據(jù)得到飽和光電流與光闌面積的關(guān)系曲線如下：波長為 435.8nm波長為 546.1

17、nm)160A01401y = 2.7923x - 0.2695-12020R = 0.99981100(y = 0.9805x + 0.1715/80流R2=1電60光 40和飽 2000102030405060光闌面積 S/(mm2)飽和光電流I 與光闌面積S 的關(guān)系曲線圖由圖可知， 飽和光電流 I 與光闌面積 S 在入射光波長不變時成正比例關(guān)系，光闌面積成正比，從而驗證了光電管的飽和電流與入射光強(qiáng)成正比。而光強(qiáng)又與對于實驗，在為 50V 時，將儀器設(shè)置為手動模式，測量并記錄同一譜線、同一光闌、不同入射距離時對應(yīng)的電流值，來驗證光電流與入射光強(qiáng)成正比。數(shù)據(jù)記錄表如下：精品文檔IM P關(guān)系U

18、 AK 50VL 400nm入射距離200250300350400L/mm435.8nmI /(10 10 A)51.028.318.212.59.3入射距離200250300350400L/mm546.1nmI /(10 10 A)19.010.46.84.63.4對于光闌面積S 不變時， 由于入射距離的變化，使同一波長光的光強(qiáng)發(fā)生改變。嘗試將光源看做點(diǎn)光源， 其發(fā)出的光為球狀，則一定距離處的光強(qiáng)與距離的平方成反比，與距離的平方分之一成正比。 若要驗證光電流與入射光強(qiáng)成正比，可通過驗證光電流與距離的平方分之一成線性關(guān)系而間接征得。根據(jù)I MP 關(guān)系，得到光電流與距離的平方分之一的關(guān)系曲線如圖

19、所示 :波長為 435.8nm波長為 546.1nm)60A0501-y = 2.2344x - 5.866540021y = 0.8338x - 2.2535(30R = 0.9951/R2 = 0.9944I20流電10光0051015202530入射距離平方分之一 L-2/(M-2)光電流強(qiáng)度與入射距離平方分之一的關(guān)系曲線由圖可知， 其間關(guān)系在實驗誤差允許的范圍內(nèi)， 較好的符合了某種線性關(guān)系， 證明了這種假設(shè)具有成立的可能性。從而也證明了光電流與入射光強(qiáng)成正比。【實驗分析與誤差討論】1、陽極反向電流，暗電流，本底電流如何影響測量結(jié)果？答：陽極反向電流是由于光電管制造時由于光電管陽極沾上少數(shù)陰極材料，則在入射光照射或入射光從陰極反射到陽極后都會造成陽極電子發(fā)射。當(dāng)值為為負(fù)值時， 陽極發(fā)射精品文檔的電子向陰極遷移形成陽極反向電流，從而當(dāng)實驗中測得電流為零時，對應(yīng)的并非截止電壓，對實驗造成誤差。而對