2022年实验十五-光电效应.docx

精品学习资源试验十五光电效应和普朗克常数的测定【试验目的 】1. 明白光电效应的规律，加深对光的量子性的懂得；2. 测量普朗克常数h；欢迎下载精品学习资源【试验原理 】光电效应的试验原理如图1 所示；当入射光照耀到光电管阴极 K 上时， 产生的光电子在电场的作用下向阳极A 迁移构成光电流， 转变外加电压 UAK ，测量光电流 I 的大小， 即可得出光电管的伏安特性曲线；1. 光电效应的基本特点：（1） 对应于某一频率光的光电效应，I U AK 关系如图 2 所示；可见，对肯定的频率，存在一电压U0，当 UAK U0 时，电流为零， U0 被称为截止电压，它与阴极材料的构成有关；（2） 当 U AK U 0 后，I 快速增加， 然后趋于饱和， 饱和光电图 l试验原理图欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源图 2 同一频率，不同光强时间电管的伏安特性曲线图 3 不同频率时间电管的伏安特性曲线图 4 截止电压 U 与入射光频率的关系图欢迎下载精品学习资源流 IM 的大小与入射光的强度P 成正比；（3） 对于不同频率的光，其截止电压的值不同，如图3 所示；（4） 作截止电压 U 0 与频率 的关系图如图4 所示；U0 与 成正比关系； 但当入射光频率低于某极限值 0 不同金属有不同的0 值 时，不管光的强度如何，照耀时间多长，都没 有光电流产生；（5） 光电效应是瞬时效应；即使入射光的强度特别柔弱，只要频率大于0，一旦光照耀靶上立刻就有光电子产生；从光照耀到光电子产生的间隔至多为10-9 秒的数量级；2. 光电效应的基本说明根据爱因斯坦的光量子理论，光能并不像电磁波理论所想象的那样，分布在波阵面上，而是集中在被称之为光子的微粒上，但这种微粒仍旧保持着频率或波长 的概念， 频率为 的光子具有能量 E=h， h 为普朗克常数；当光子照耀到金属外表上时，一次为金属中的某个电子全部吸取，而无需积存能量的时间；电子把吸取光子的能量的一部分用来克服金属外表对它的吸引力，余下的就变为该电子离开金属外表后的动能，根据能量守恒原理，爱因斯坦提出了闻名的光电效应方程：欢迎下载精品学习资源0h1 m2A21欢迎下载精品学习资源1 式中， A 为金属的逸出功，1 m2 为光电子获得的初始动能；02欢迎下载精品学习资源由该式可见， 入射到金属外表的光频率越高，逸出的电子动能越大，所以即使阳极电位比阴极电位低时， 也会有电子穿过两极间的势垒到达阳极形成光电流，直至阳极电位等于截止电压， 这时间电流才为零，此时有关系：欢迎下载精品学习资源12eU 0m022欢迎下载精品学习资源当阳极电位高于截止电压后，随着阳极电位的上升，阳极对阴极发射的电子的收集作用越强，光电流随之上升；当阳极电压高到肯定程度，已把阴极发射的光电子几乎全收集到阳极，再增加 UAK 时 I 不再变化，这时间电流显现饱和；饱和光电流IM 的大小与入射光的强度P 成正比；光子的能量 h<A 时，电子不能脱离金属， 因而没有光电流产生；产生光电效应的最低频率截止频率 是 0=A/h ；将2式代入 1式可得：欢迎下载精品学习资源eU0hv A3欢迎下载精品学习资源此式说明截止电压Uo 是频率 的线性函数，直线斜率k=h e，只要用试验方法得出不同的频率对应的截止电压，求出直线斜率，就可算出普朗克常数h；爱因斯坦的光量子理论胜利地说明了光电效应规律；1 汞灯电源2 汞灯3 滤色片4 光阑5 光电管6 基座7 试验仪图 5仪器结构图【试验仪器 】ZKY-GD-4智能光电效应试验仪【试验内容 】1. 测试前预备将试验仪及汞灯电源接通汞灯及光电管暗箱遮光盖盖上，预热 20 分钟；调整光电管与汞灯距离为约40cm 并保持不变；用专用连接线将光电管暗箱电压输入端与试验仪电压输出端后面板上 连接起来 红红，兰兰 ；将“电流量程” 挑选开关置于所选档位， 进行测试前调零； 试验仪在开机或转变电流量程后， 都会自动进入调零状态；调零时应将光电管暗箱电流输出端K 与试验仪微电流输入端后面板上断开，旋转“调零”旋钮使电流指示为；调剂好后，用高频匹配电缆将电流输入连接起来，按“调零确认 / 系统清零”键，系统进入测试状态；假设要动态显示采集曲线， 需将试验仪的 “信号输出” 端口接至示波器的 “ Y”输入端，“同步输出”端口接至示波器的“外触发”输入端；示波器“触发源”开关拨至“外” ，“ Y 衰减”旋钮拨至约“ 1V/ 格”，“扫描时间”旋钮拨至约“ 20 s/格”；此时示波器将用轮番扫描的方式显示5 个储备区中储备的曲线，横轴代表电压 U AK ，纵轴代表电流 I；2. 测普朗克常数 h欢迎下载精品学习资源测量截止电压时， “伏安特性测试截止电压测试”状态键应为截止电压测试状态，“电流量程”开关应处于10-13A 档；1手动测量使“手动自动”模式键处于手动模式；将直径 4mm 的光阑及的滤色片装在光电管暗箱光输入口上，打开汞灯遮光盖；此时电压表显示 U Ak 的值，单位为伏； 电流表显示与U Ak 对应的电流值I，单位为所挑选的“电流量程” ；用电压调剂键、可调剂U AK 的值，、键用于挑选调剂位数、键用于调剂值的大小；从低到高调剂电压肯定值减小 ，观看电流值的变化， 查找电流刚好为零时对应的U AK ，以其肯定值作为该波长对应的U0 的值，并将数据记于表一中；为尽快找到U 0 的值，调剂时应从高位到低位，先确定高位的值，再顺次往低位调剂；依次换上 404.7 nm ， 435.8 nm ， 577.0 nm 的滤色片，重复以上测量步骤；2 自动测量按“手动自动”模式键切换到自动模式；此时电流表左边的指示灯闪耀，表示系统处于自动测量扫描范畴设置状态，用电压调剂键可设置扫描起始和终止电压；对各条谱线， 我们建议扫描范畴大致设置为： 365nm ，；405nm，；436nm，；546nm，； 577nm，；试验仪设有 5 个数据储备区，每个储备区可储备500 组数据，并有指示灯表示其状态；灯亮表示该储备区已存有数据，灯不亮为空储备区，灯闪耀表示系统预选的或正在储备数据的储备区；、设置好扫描起始和终止电压后，按动相应的储备区按键，仪器将先清除储备区原有数据，等待约 30 秒，然后按 4mV 的步长自动扫描，得到I 随 UAK 变化，并显示、储备相应的电压、电流值；扫描完成后，仪器自动进入数据查询状态，此时查询指示灯亮，显示区显示扫描起始电压和相应的电流值；用电压调剂键转变电压值，就可查阅到在测试过程中，扫描电压为当前显示值时相应的电流值；读取电流为零时对应的U AK ，以其肯定值作为该波长对应的U 0 的值，并将数据记于表一中；按“查询”键，查询指示灯灭，系统回复到扫描范畴设置状态，可进行下一次测量；在自动测量过程中或测量完成后，按“手动/自动”键，系统回复到手动测量模式，模式转换前工作的储备区内的数据将被清除；假设仪器与示波器连接，就可观看到UAK 为负值时各谱线在选定的扫描范畴内的伏安特性曲线；V 直线的斜率 k，即可用 h=e k 求出普朗克常数， 并与 h 的公认值 h0 比较求出相对误差E=h- h0/h 0· 100% ，式中× 10-19C， h0× 10-34J·S；3. 测光电管的伏安特性曲线测量时，“伏安特性测试截止电压测试”状态键应为伏安特性测试状态；“电流量程”开关应拨至 10-10A 档，并重新调零；将直径 4mm 的光阑及所选谱线的滤色片装在光电管暗箱光输入口上；测伏安特性曲线可选用 “手动自动” 两种模式之一， 测量的最大范畴为 -1 50V ，自 动测量时步长为 1V ，仪器功能及使用方法如前所述；1可同时观看5 条谱线在同一光阑、同一距离下伏安饱和特性曲线；记录所测 UAK 及 I 的数据到表二中， 在座标纸上作对应于以上波长及光强的伏安特性曲线；2可同时观看某条谱线在不同光阑即不同光通量 、同一距离下的伏安饱和特性曲线；由此可验证光电管饱和光电流与入射光强成正比选做；在 UAK 为 50V 时，将仪器设置为手动模式，测量并记录对同一谱线、同一入射距离，欢迎下载精品学习资源光阑分别为 2mm 、4mm、8mm 时对应的电流值于表三中， 验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比；3可同时观看某条谱线在不同距离 即不同光强 、同一光阑下的伏安饱和特性曲线；也可在 UAK 为 50V 时，将仪器设置为手动模式， 测量并记录对同一谱线， 同一光阑时， 光电管与入射光在不同距离， 如 300mm 、400mm 等对应的电流值于表四中， 同样验证光电管的饱和电流与入射光强成正比；【试验数据 】（1） 普朗克常数测量电流测量范畴： 10-13A ， L=400mm ，光阑孔径=4mm ；波长 nm频率 *10 14Hz 截止电压 U0V 欢迎下载精品学习资源0-0.2-0.4V） -0.60（ -0.8U压-1电 -1.2止截 -1.4-1.6-1.8-2Uv的关系曲线55.566.577.588.5y = -0.4083x + 1.5888 R2= 0.9998频率 v（ *1014Hz ）欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源kh /hkee6.533*10 34欢迎下载精品学习资源6.626*10346.533*10 34欢迎下载精品学习资源误差：6.626*1034=1.4%欢迎下载精品学习资源（2） 伏安特性测量饱和曲线测量电流测量范畴： 10-10A ， L=400mm ，光阑孔径=4mm ；波长 nm电流 I*10- 10A 电压 U V 02423.06810欢迎下载精品学习资源1214161820222426283032343638404219.144464850不同频率时伏安特性曲线测量100）A80-0601*（I流电402000102030电压 U（ V405060365404.7435.8546.1577（3） 在波长=365nm， L=400mm ， U=20V ，不通光阑直径下的电流光阑直径 mm 电流 I*10 -10A 248224欢迎下载精品学习资源电流I与光阑直径的曲线250） 200A-*（I流电1501005002345光阑直径6（ mm ）789在波长=365nm， =4mm ，U=20V ，不通距离下的电流电流I与距离 L的曲线140120）A100-0180*（I流电6040200300320340360距离 L（ mm ）380400420（4）距离Lmm300350400电流I*10 -10A 欢迎下载