大学物理实验课教案示例.pdf

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1、实验十五实验十五用光电效应测定普朗克常数用光电效应测定普朗克常数课题（章节）课题（章节）教学目的与要求教学目的与要求1了解光电效应的规律，加深对光的量子性的理解。2测量普朗克常数 h。3.测量光电管的伏安特性曲线。教学重点、难点：教学重点、难点：本节课教学重点：光电效应。本节课教学难点：暗电流、抬头点。教学方法及师生互动设计教学方法及师生互动设计：采用教师问，学生答形式。1.什么是光电效应？一定频率的光照射在金属表面时会有电子从金属表面逸出的现象2.光电效应的实验规律有哪些？1)逸出电子的初速度与光强无关；2)金属表面电子的逸出与光强无关，只与光的频率有关；3)光电效应是瞬时效应。3.针对实验

2、规律与经典电磁场理论的矛盾，爱因斯坦对光提出了怎样的理论？光的能量在空间的分布是不连续的，从光源发出的光能是由含有同样能量的光量子组成，光量子在运动中不再分散，只能整个的被吸收或产生。这个光量子能量就是h。4.爱因斯坦怎样解释光电效应？当光子照射到金属表面上时，一次为金属中的电子全部吸收，而无需积累能量的时间。电子把这能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力，余下的就变为电子离开金属表面后的动能，按照能量守恒原理，爱因斯担提出了著名的光电12 A效应方程：hv m025.如何测定普朗克常数？12 A出发，我们可以看出，光的频率作为已知条从光电效应方程：hv m02件，如果能够测量电子的动能和金

3、属的逸出功，即可测量出普朗克常数。但是测量电子的动能和金属的逸出功谈何容易，我们的实验如何实现电子的动能的测量呢？6.如何实现电子的动能的测量?对一定的频率，有一电压U0，当UAKU0时，电流为零，这个相对于阴极的负值的阳极电压U0称为截止电压：eU01m0227.如何解决金属的逸出功的测量？对于一定的金属，逸出功是恒定的，改变入射光的频率，测量对应的截止电压U0，作图，可避免对金属的逸出功的测量。课堂练习、作业：【预习思考题】【预习思考题】1为什么存在暗电流，怎样观察暗电流？2怎样测量某一频率 的入射光所对应的截止电压U，实验测量中截止电压U是不是对应于电流I=0的点？3截止电压U和入射光频

4、率 的关系式怎样？由此式可以测定什么常数？备注（包括：教学手段、教 学 内 容（讲稿）时间分配、临时更改等）sss【实验目的】【实验目的】1测定普朗克常数.2通过光电效应实验验证爱因斯坦方程.【实验原理】【实验原理】对光电效应早期的工作所积累的基本实验事实是：（1）饱和光电流与光强成正比；（2）光电效应存在一个阈频率（截止频率），当入射光的频率低于阈频率时，不论光的强度如何，都没有光电效应产生；（3）光电子的动能与光强无关，但与入射光的频率成线性关系；（4）光电效应是“瞬时”的，当入射光的频率大于阀频率时，一经光照射，立刻产生光电子.1900年德国物理学家普朗克（Planck）在研究黑体辐射时

5、，提出辐射能量不连续的假设.1905年爱因斯坦（Einstein）在解释光电效应时，将普朗克的辐射能量不连续的假设作了重大发展，提出光并不是由麦克斯韦（Maxwell）电磁场理论提出的传统意义上的波，而是由能量为 的光量子（简称光子）构成的粒子流.光电效应的物理基础就是光子与金属（表面）中的自由电子发生完全弹性碰撞，电子要么全部吸收要么根本不吸收光子的能量.据此，爱因斯坦对光电效应作出了完美的解释.如果电子脱离金属表面耗费的能量为A，则由于光电效应，逸出金属表面的电子的初动能为12hv m0 A2式中m为电子的质量；v为光逸出金属表面的光电子的初速度；为光电子的频率（注意：在印刷体中速度v和频

6、率 很相像，请读者加以区分），A为光照射的金属材料的逸出功.是没有受到空间电荷阻止，从金属中逸出的光电子的初动能.由此可见，入射到金属表面的光的频率越高，逸出电子的初动能也越大.正因为光电子具有初动能，所以即使在加速电压U等于零时，仍然有光电子落到阳极而形成光电流，甚至当阳极的电位低于阴极的电位时也会有光电子落到阳极，直到加速电压为某一负值U时，所有光电子都不能到达阳极，光电流才为零，U被称为光电效应的截止电压.这时从而可得由于金属材料的逸出功A是金属的固有属性，对于给定的金属材料，A是一个定值，它与入射光的频率无关.具有阈频率 的光子的能量恰等于逸出功A，12即eU0m02ss所以，eU0

7、hv A上式表明，截止电压U是入射光频率 的线性函数.当入射光的频率 时，截止电压U=0，没有光电子逸出，上式的斜率 是一个常数.可见，只要用实验方法作出不同频率下的截止电压U与入射光频率 的关系曲线直线，并求出此直线的斜率k，就可以通过此式 求出普朗克常数h的数值（电量 C）.sss（a a）测普朗克常数原理测普朗克常数原理图图（b b）伏安特性曲线伏安特性曲线将频率为、强度为P的光照射光电管阴极，即有光电子从阴极逸出.在阴极K和阳极A之间加有反向电压U，它使电极K、A间的电场对阴极逸出的光电子起减速作用.随着电压U的增加，到达阳极的光电子将逐渐减少，当UU时光电流降为零.图中虚线为光电管在

8、U为负值时起始部分的伏安特性曲线.然而，光电管的极间漏电、入射光照射阳极或入射光从阴极反射到阳极之后都会造成阳极光电子发射，它们虽然很小，但是构成了光电管的反向光电流，图中虚线（阳极光电流）和点画线（极间漏电流）.由于它们的存在，使光电流曲线下移，图中实线所示（实测光电流），光电流的截止电位点也从U，移到U点（图中未画出）.当反向光电流比正向光电流小得多时，U与U重合.因此，测出截止电压U即测出了截止电压U.用不同频率 的光照射光电管，可以得到与之相对应的不同频图 1 实验原理图率下的伏安特性曲线和对应的截止电压U.作 关系曲线.若是直线，就证明了爱因斯坦光电效应方程的正确性.并由该直线的斜率

9、k即可求出普朗克常数h.此外，由该直线与坐标横轴的交点可求出该光电管阴极的截止频率，该直线的延长线与坐标纵轴的交点又可求出光电极的逸出电位U，由此可得该材料的逸出功 或.ssssssss0图 2 截止电压U与入射光频率v的关系图【实验器材】【实验器材】光源，光电管及暗盒，微电流测量仪；滤色片等.【实验内容】【实验内容】1调整仪器（1）将光源、光电管暗盒，微电流测量仪（微电流测量仪如图24-2所示）安排在适当位置，光源离暗盒约3050cm，暂不接线.一般光电管的伏安特性曲线从负电压做起，因此，将微电流测量仪的有关开关和旋钮置于下列位置：“电流极性”置“-”，“工作选择”置“DC”，“电压极性”置

10、“-”，“电压量程”置“-3”，“电压调节”逆时针方向调至最小.并将“倍率”开关置“短路”档，“扫描位置”置任意位置.微电流测量仪板面图微电流测量仪板面图（2）打开微电流测量仪电源，预热2030分钟.用遮光罩盖住光电管暗盒窗口（光窗上的光栏勿动），打开光源（汞灯）预热.注意，点亮的汞灯如果熄灭，需经35分钟冷却后才能再开.（3）待微电流测量仪充分预热后，先调整仪器零点，即调节“零点”旋钮，使微安表指零.再校正仪器满度，即将“倍率”开关置“满度”档，调节“满度”旋钮，使微安表指满度.2测量光电管的暗电流（1）连接好光电管暗盒与微电流测量仪之间的电缆线、地线和阳极电源线（接线柱A）.微电流测量仪“倍率”旋钮置合适的档.（例如10 档）.（2）顺时针缓慢调节“电压调节”旋钮、并合理地改变“电压量程”和“电压极性”开关，并注意“电流极性”开关的正确选择，以保证能正确反映出电流指示值来.测量从-3+3伏特不同电压下相应的电流值（电流值倍率电表读数）.此时所读得的为光电管的暗电流.3测量光电管的伏安特性曲线（1）将光源出射孔对准光电管暗盒窗口（目测），微电流测量仪“倍率”置-7