大学物理实验：光电效应.ppt

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1、光电效应测普朗克常数光电效应测普朗克常数 光电效应实验组光电效应实验组2013-8-30魏合林魏合林特别注意：特别注意：光电管易损坏！光电管易损坏！实验前切勿打开桌面电源！实验前切勿打开桌面电源！【实验目的实验目的】1、测定光电效应的基本特性曲线，加深对光的量子、测定光电效应的基本特性曲线，加深对光的量子性的认识；性的认识；2、验证爱因斯坦方程，并测量普朗克常数以及阴极、验证爱因斯坦方程，并测量普朗克常数以及阴极材料的材料的“红限红限”频率。频率。1.测量普朗克常数测量普朗克常数h及及“红限红限”频率频率 0；2.测定光电管的伏安特性（测定光电管的伏安特性（I-U）曲线；）曲线；3.测量饱和电

2、流与光强（测量饱和电流与光强（Im-P）关系。）关系。【实验内容实验内容】普朗克常数介绍普朗克常数介绍黑体辐射黑体辐射紫外灾难引入引入h后使公后使公式完全符合实式完全符合实验曲线！验曲线！开启量子世界大门！开启量子世界大门！光电效应现象及其历史光电效应现象及其历史光电效应现象及其历史光电效应现象及其历史光电效应光电效应光电效应光电效应：光照射到金属上，引起物质的光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们统称为光电效应。人们统称为光电效应。赫兹在做电磁波实验的时候，赫兹在做电磁波实验的时候，发现了光电效应。发现了光电效应。H.R.Her

3、tz1857-1894初次试验初次试验：1887年光电效应是赫兹（）于验证年光电效应是赫兹（）于验证电磁波存在时意外发现的，然而这一现象是无电磁波存在时意外发现的，然而这一现象是无法用麦克斯韦的经典电磁理论对其做出成功解法用麦克斯韦的经典电磁理论对其做出成功解释的。释的。理论解释理论解释：1905年爱因斯坦在普朗克（年爱因斯坦在普朗克（M.Planck）量子假设的基础上提出了光量子（光子）概念，并量子假设的基础上提出了光量子（光子）概念，并由此圆满地解释了光电效应的各种实验规律。由此圆满地解释了光电效应的各种实验规律。再次试验再次试验：10年后密立根（）以精湛的实验技术验年后密立根（）以精湛的

4、实验技术验证了爱因斯坦的光电效应方程。证了爱因斯坦的光电效应方程。获得成就获得成就：爱因斯坦和密立根主要因光电效爱因斯坦和密立根主要因光电效应方面的杰出贡献分别荣获应方面的杰出贡献分别荣获1921年和年和1923年年的诺贝尔物理学奖。的诺贝尔物理学奖。光电效应现象及其历史光电效应现象及其历史光电效应现象及其历史光电效应现象及其历史光电效应光电效应的发现和解释极大推动了量子力学的发展！的发现和解释极大推动了量子力学的发展！推动了现代科学技术的快速发展！推动了现代科学技术的快速发展！使得人类生活发生极大的变化！使得人类生活发生极大的变化！光电效应的应用光电效应的应用光电效应的应用光电效应的应用利用

5、光电效应可以把光信号转变为利用光电效应可以把光信号转变为电信号，动作迅速灵敏，因此利用电信号，动作迅速灵敏，因此利用光电效应制作的光电器件在工农业光电效应制作的光电器件在工农业生产、科学技术和文化生活领域内生产、科学技术和文化生活领域内得到了广泛的应用光电管就是应得到了广泛的应用光电管就是应用最普遍的一种光电器件用最普遍的一种光电器件 电磁波（光）电磁波（光）电信号电信号光电器件（光敏管、光敏电阻、光电器件（光敏管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光光敏二极管、光敏三极管、光敏组件、色敏器件、光敏可控敏组件、色敏器件、光敏可控硅器件、光耦合器等光电器件）硅器件、光耦合器等光电器件）。太阳能电

6、池。太阳能电池。成像系统（成像系统（CCD、微光夜视）。、微光夜视）。光电倍增管光电倍增管光电效应的实验原理光电效应的实验原理光电效应的实验原理光电效应的实验原理 图中的图中的Im是饱和光电流，它与是饱和光电流，它与“单位时间内发单位时间内发射出的光电子数射出的光电子数”有关，由入射光的强度决定；有关，由入射光的强度决定；图中的图中的Us是反向截止电压是反向截止电压(遏止电压遏止电压)，它与，它与“光光电子的最大初动能电子的最大初动能”有关，由入射光的频率决有关，由入射光的频率决定定“I IU U”曲线曲线曲线曲线：如图所示的是光电流强度：如图所示的是光电流强度I随光电随光电管两极间电压管两极

7、间电压U的变化曲线，相应的物理意义是：的变化曲线，相应的物理意义是：入射光照射到阴极入射光照射到阴极K时，由光电效应产生的光电时，由光电效应产生的光电子以某一初动能飞出，光电子受电场力的作用向子以某一初动能飞出，光电子受电场力的作用向阳极阳极A迁移而构成光电流。迁移而构成光电流。每一种金属都有一极限频率（或称每一种金属都有一极限频率（或称截止截止频率频率），即照射光的频率不能低于某一），即照射光的频率不能低于某一临界值。相应的波长被称做极限波长临界值。相应的波长被称做极限波长（或称（或称红限波长红限波长）。当入射光的频率低）。当入射光的频率低于极限频率时，无论多强的光都无法使于极限频率时，无论

8、多强的光都无法使电子逸出。电子逸出。光电效应中产生的光电子的光电效应中产生的光电子的速度与光的速度与光的频率有关频率有关，而，而与光强无关与光强无关。光电效应的光电效应的瞬时性瞬时性。实验发现，只要光。实验发现，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，即几乎在照到金属时立即产生光电流。即几乎在照到金属时立即产生光电流。响应时间不超过响应时间不超过10-9秒（秒（1ns）。）。入射光的强度只影响光电流的强弱，即入射光的强度只影响光电流的强弱，即只影响在单位时间单位面积内逸出的光只影响在单位时

9、间单位面积内逸出的光电子数目。在光频率不变的情况下，入电子数目。在光频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大，即一定频率射光越强，饱和电流越大，即一定频率的光，入射光越强，一定时间内发射的的光，入射光越强，一定时间内发射的电子数目越多。电子数目越多。光电效应规律光电效应规律光电效应规律光电效应规律光电效应现象的原理光电效应现象的原理光电效应现象的原理光电效应现象的原理在光电效应中，要释放光电子在光电效应中，要释放光电子显然需要有足够的能量。根据显然需要有足够的能量。根据经典电磁理论，光是电磁波，经典电磁理论，光是电磁波，电磁波的能量决定于它的强度，电磁波的能量决定于它的强度，即只与电磁波的振

10、幅有关，而即只与电磁波的振幅有关，而与电磁波的频率无关。而实验与电磁波的频率无关。而实验规律中的第一、第二两点显然规律中的第一、第二两点显然用经典理论无法解释。用经典理论无法解释。经典解释经典解释存在截止频率、光电效应与光的频率有关，而与光强无关。存在截止频率、光电效应与光的频率有关，而与光强无关。第三条也不能解释，因为根据经典理论，对很弱的光要想使第三条也不能解释，因为根据经典理论，对很弱的光要想使电子获得足够的能量逸出，必须有一个能量积累的过程而不电子获得足够的能量逸出，必须有一个能量积累的过程而不可能瞬时产生光电子。可能瞬时产生光电子。光电效应现象的原理光电效应现象的原理光电效应现象的原

11、理光电效应现象的原理量子解释（爱因斯坦）量子解释（爱因斯坦）电子逸出动能电子逸出动能电子逸出动能电子逸出动能金属表面电子逸出功金属表面电子逸出功金属表面电子逸出功金属表面电子逸出功光子能量光子能量光子能量光子能量轨道能轨道能脱出功脱出功光电效应现象的原理光电效应现象的原理光电效应现象的原理光电效应现象的原理量子解释（爱因斯坦）量子解释（爱因斯坦）光电子的最大初动能光电子的最大初动能 入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能必然也越大，所以即使阴极入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能必然也越大，所以即使阴极不加电压也会有光电子落入阳极而形成光电流，甚至阳极电位比阴极电位低不加电压也会有光

12、电子落入阳极而形成光电流，甚至阳极电位比阴极电位低时也会有光电子落到阳极，直至阳极电位低于某一数值时，所有光电子都不时也会有光电子落到阳极，直至阳极电位低于某一数值时，所有光电子都不能到达阳极，光电流才为零。这个相对于阴极为负值的阳极电位能到达阳极，光电流才为零。这个相对于阴极为负值的阳极电位US被称为光被称为光电效应的截止电压电效应的截止电压(遏止电压遏止电压)。截止频率截止频率爱因斯坦光爱因斯坦光电效应方程电效应方程“红限红限”频频率率要想发射光电子流，必须要想发射光电子流，必须 横轴上的截距的物理含义是光电管横轴上的截距的物理含义是光电管阴极材料的阴极材料的极限频率极限频率；纵轴上的截距

13、的物理含义是光电管纵轴上的截距的物理含义是光电管阴极材料的阴极材料的溢出功溢出功的负值；的负值；斜率的物理含义是斜率的物理含义是普朗克常数普朗克常数光电效应现象的原理光电效应现象的原理光电效应现象的原理光电效应现象的原理量子解释（爱因斯坦）量子解释（爱因斯坦）“E“Ekmkmv”v”曲线曲线曲线曲线：如图所示的是光电子最：如图所示的是光电子最大初动能大初动能Ekm随入射光频率随入射光频率v的变化曲线，的变化曲线，相应的物理意义为相应的物理意义为:1912-1915年间，密立根光电效应现象的原理光电效应现象的原理光电效应现象的原理光电效应现象的原理“I IU U”曲线曲线曲线曲线：如：如图所示的

14、是光电流图所示的是光电流强度强度I随光电管两随光电管两极间电压极间电压U的变化的变化曲线。曲线。实际实际“IU”曲线曲线：实验中影响光电效应伏安特性的实验中影响光电效应伏安特性的因素很多：因素很多：暗电流、阳极电流、不同材料的接暗电流、阳极电流、不同材料的接触电压以及照射光的非单色性。触电压以及照射光的非单色性。曲线的下部转变为直线，转变曲线的下部转变为直线，转变点点B(抬头点抬头点)对应的外加电压值对应的外加电压值才是遏止电压才是遏止电压US。影响准确测量的因素：影响准确测量的因素：光电效应现象的原理光电效应现象的原理光电效应现象的原理光电效应现象的原理暗电流或本底电流暗电流或本底电流：当光

15、电管阴极没有受到光线照射时也会产生电子流，：当光电管阴极没有受到光线照射时也会产生电子流，称为暗电流。它是由电子的热运动和光电管管壳漏电等原因造成的。室称为暗电流。它是由电子的热运动和光电管管壳漏电等原因造成的。室内各种漫反射光射入光电管造成的光电流称为本底电流。暗电流和本底内各种漫反射光射入光电管造成的光电流称为本底电流。暗电流和本底电流随着电流随着K、A之间电压大小变化而变化。之间电压大小变化而变化。阳极电流阳极电流：阳极的光电子发射：阳极的光电子发射是阳极材料在光照下发射的光是阳极材料在光照下发射的光电子，对这些光电子而言，外电子，对这些光电子而言，外加反向电场是加速电场，因此加反向电场

16、是加速电场，因此它们很容易到达阴极，形成反它们很容易到达阴极，形成反向电流（阳极电流）。由于它向电流（阳极电流）。由于它们的存在，使得们的存在，使得IU曲线较理曲线较理论曲线下移，如图所示。论曲线下移，如图所示。ZKY-GD-3型光型光电效应实验仪电效应实验仪上式表明上式表明 与入射光频率与入射光频率 成直线关系，实验中可用成直线关系，实验中可用不同频率的入射光照射，分别测量相应的截止电压不同频率的入射光照射，分别测量相应的截止电压 ，就可作出就可作出 的实验直线，此直线的斜率就是的实验直线，此直线的斜率就是 由该直线与横轴的交点，可求出由该直线与横轴的交点，可求出“红限红限”频率频率 。这就

17、是。这就是密立根验证爱因斯坦光电效应方程的主要实验思想。密立根验证爱因斯坦光电效应方程的主要实验思想。则普朗克常数则普朗克常数普朗克常数的测量原理普朗克常数的测量原理实验仪器实验仪器实验仪器实验仪器ZKY-GD-3型光电效应实验仪型光电效应实验仪 普朗克常数的测量普朗克常数的测量高压汞灯高压汞灯高压汞灯高压汞灯 光电管光电管光电管光电管 滤光片及光阑滤光片及光阑 遮光盖遮光盖遮光盖遮光盖 测试仪测试仪测试仪测试仪40cm40cm实验仪器实验仪器实验仪器实验仪器普朗克常数的测量普朗克常数的测量测试仪测试仪光电管暗盒光电管暗盒光电管光电管光阑光阑滤光片滤光片高压汞灯高压汞灯汞灯电源汞灯电源ZKY-

18、GD-3光电效应实验仪结构示意图光电效应实验仪结构示意图五种带通型滤光片安装在接收暗盒的进光窗口上，以获得所需要的单色光。五种带通型滤光片安装在接收暗盒的进光窗口上，以获得所需要的单色光。滤光片型号滤光片型号滤光片型号滤光片型号NG365NG365NG405NG405NG436NG436NG546NG546NG577NG577透射波长透射波长透射波长透射波长（nmnm）365.0365.0404.7404.7435.8435.8546.1546.1577.0577.0实验仪器实验仪器实验仪器实验仪器普朗克常数的测量普朗克常数的测量光阑光阑滤光片滤光片实验仪器实验仪器实验仪器实验仪器普朗克常数的

19、测量普朗克常数的测量ZKY-GD-3光电效应实验仪结构示意图光电效应实验仪结构示意图实验（实验（1）用）用实验（实验（23）用）用调零和测调零和测量切换量切换调零调零量程量程实验仪器实验仪器实验仪器实验仪器ZKY-GD-3型光电效应实验仪特点型光电效应实验仪特点 由于其特殊结构使光不能直接照射由于其特殊结构使光不能直接照射到阳极；到阳极；由阴极反射照到阳极的光也很少；由阴极反射照到阳极的光也很少；加上采用新型的阴、阳极材料及制加上采用新型的阴、阳极材料及制造工艺，使得阳极反向电流、光电造工艺，使得阳极反向电流、光电管暗电流大大降低；管暗电流大大降低；由此测定的光电管的伏安特性曲线由此测定的光电

20、管的伏安特性曲线 点与点与 点基本重合。点基本重合。因而可以把实测电流为零时对应的光电管电压值作为截止因而可以把实测电流为零时对应的光电管电压值作为截止电压，此种方法称为电压，此种方法称为零电流法零电流法。普朗克常数的测量普朗克常数的测量ZKY-GD-3型光电效应实验仪采用了新型结构的光电管。型光电效应实验仪采用了新型结构的光电管。普朗克常数的测量普朗克常数的测量实验内容实验内容实验内容实验内容（1）把汞灯及光电管暗盒）把汞灯及光电管暗盒遮光盖盖上遮光盖盖上，将汞灯暗盒光输出口对，将汞灯暗盒光输出口对准光电管暗盒光输入口，调整光电管与汞灯距离为约准光电管暗盒光输入口，调整光电管与汞灯距离为约4

21、0cm并保持不变。将测试仪及汞灯电源接通，预热并保持不变。将测试仪及汞灯电源接通，预热20分分钟。（钟。（汞灯一旦开启，不要随意关闭！汞灯一旦开启，不要随意关闭！汞灯一旦开启，不要随意关闭！汞灯一旦开启，不要随意关闭！）（2）测试仪调零测试仪调零：将：将“电流量程电流量程”选择开关置于选择开关置于10-13A档位，档位，仪器在充分预热后，进行测试前调零。调零时，将仪器在充分预热后，进行测试前调零。调零时，将“调零调零/测量测量”切换开关切换到切换开关切换到“调零调零”档位，旋转档位，旋转“电流调零电流调零”旋钮使电流指示为旋钮使电流指示为“000”。调节好后，将。调节好后，将“调零调零/测量测

22、量”切换开关切换到切换开关切换到“测试测试”档位，就可以进行实验了。档位，就可以进行实验了。测试前准备测试前准备测试前准备测试前准备普朗克常数的测量普朗克常数的测量1.测量普朗克常数测量普朗克常数、“红限红限”频率频率本实验采用本实验采用ZKY-GD-3型光电效应实验仪。由于其特殊结构使型光电效应实验仪。由于其特殊结构使暗电流大大降低，由此测定的光电管的伏安特性曲线与基本重暗电流大大降低，由此测定的光电管的伏安特性曲线与基本重合。因而可以把实测电流为零时对应的光电管电压值作为截止合。因而可以把实测电流为零时对应的光电管电压值作为截止电压，此种方法称为电压，此种方法称为零电流法零电流法。（1）用

23、零电流法测定）用零电流法测定h和和 由于光电管的阳极反向电流、暗电流、由于光电管的阳极反向电流、暗电流、本底电流及极间接触电位差等因素的影本底电流及极间接触电位差等因素的影响，实测电流为零时对应的光电管的电响，实测电流为零时对应的光电管的电压并非截止电压，而对应于压并非截止电压，而对应于UI实验曲实验曲线反向电流开始趋于常量的点（拐点），线反向电流开始趋于常量的点（拐点），因此，通过实验测量光电管的伏安特性，因此，通过实验测量光电管的伏安特性，根据根据UI实验曲线分析其实验曲线分析其“拐点拐点”，由，由此得出截止电压。此方法称为此得出截止电压。此方法称为“拐点法拐点法”。普朗克常数的测量普朗克

24、常数的测量1.测量普朗克常数测量普朗克常数、“红限红限”频率频率将电压选择按键置于将电压选择按键置于-2V0V档，电流量程选择在档，电流量程选择在10-13A挡，重新调节测试挡，重新调节测试仪零点。将直径为仪零点。将直径为4mm的光阑及的光阑及365.0nm的滤色片装在光电管暗盒光输入的滤色片装在光电管暗盒光输入口上。调节电压口上。调节电压UAK，使光电流指示为零，此时测试仪所显示的电压值即，使光电流指示为零，此时测试仪所显示的电压值即为与入射光频率对应的截止电压。更换其余四个滤光片（为与入射光频率对应的截止电压。更换其余四个滤光片（注意注意：更换滤光：更换滤光片时先将汞灯用遮光盖盖上！片时先

25、将汞灯用遮光盖盖上！），测出各频率的光所对应的截止电压。重），测出各频率的光所对应的截止电压。重复上述测量步骤，测量复上述测量步骤，测量4组数据。组数据。平均值4321 截止电压5.1965.4906.8797.4088.214频率 （1014Hz）577.0546.1435.8404.7365.0波长 （nm）数据记录表格一数据记录表格一(每种情况测量四次每种情况测量四次)普朗克常数的测量普朗克常数的测量将电压选择按键置于将电压选择按键置于-2V+30V档；将档；将“电流量程电流量程”选择开关置于选择开关置于10-12A档档,重新调节测试仪零点重新调节测试仪零点。将直径。将直径2mm的光阑及

26、的光阑及577nm的滤色的滤色片装在光电管暗盒光输入口上。片装在光电管暗盒光输入口上。从低到高调节电压，记录电流从低到高调节电压，记录电流从零到非零从零到非零点点所对应的电压值作为第所对应的电压值作为第一组数据，之后电压间隔取一组数据，之后电压间隔取1.5V，一直测到，一直测到UAK=30.0V左右为止。左右为止。换上直径换上直径4mm及及8mm的光阑的光阑,重复上述测量步骤。重复上述测量步骤。2.测量光电管的伏安特性曲线测量光电管的伏安特性曲线（IU曲线）曲线）577nm光阑光阑2mmUAK（V）I（10-12）577nm光阑光阑4mmUAK（V）I（10-12）数据记录表格二数据记录表格二

27、577.0nm光阑光阑8mmUAK（V）I（10-12）普朗克常数的测量普朗克常数的测量3.验证光电管的饱和光电流与验证光电管的饱和光电流与入射光强的正比关系入射光强的正比关系 将将“电流量程电流量程”选择开关置于选择开关置于10-11A档，档，重新调节测试仪零重新调节测试仪零点点。将电压调到。将电压调到25V，在同一谱线，在同一谱线,在同一入射距离下在同一入射距离下,记录记录光阑分别为光阑分别为2mm，4mm，8mm时对应的电流值。时对应的电流值。由于照到光电管上的光强与由于照到光电管上的光强与光阑面积光阑面积成正比，用表三数据验成正比，用表三数据验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比。证光

28、电管的饱和光电流与入射光强成正比。435.8nm光阑光阑 2mm 4mm 8mmI（10-11A）546.1nm光阑光阑 2mm 4mm 8mmI（10-11A）数据记录表格三数据记录表格三由于照到光电管上的光强与光阑由于照到光电管上的光强与光阑面积面积成正比，用表三成正比，用表三数据验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比。数据验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比。【数据处理数据处理】普朗克常数的测量普朗克常数的测量（一）根据表格一测量数据（一）根据表格一测量数据11作图法作图法 作出作出U US Sv v的实验直线，由此直线的斜的实验直线，由此直线的斜率率k k计算普朗克常数计算普朗克常数

29、h hekek，与公认值，与公认值进行比较计算相对不确定度。进行比较计算相对不确定度。由该直线与横轴的交点得出由该直线与横轴的交点得出“红限红限”频率频率v v0 0。22最小二乘法最小二乘法 根据最小二乘法求出直线方程根据最小二乘法求出直线方程 普朗克常数普朗克常数“红限红限”频率频率【数据处理数据处理】普朗克常数的测量普朗克常数的测量（二）根据表格二测量（二）根据表格二测量数据，作对应于以上数据，作对应于以上两种波长及光强的伏两种波长及光强的伏安特性曲线。安特性曲线。（三）根据表格三测量数（三）根据表格三测量数据，作对应于以上两种波据，作对应于以上两种波长的长的ImImP P关系曲线，并关

30、系曲线，并给出结论给出结论 普朗克常数的测量普朗克常数的测量思考题思考题思考题思考题光电效应的实验规律是什么？光电效应的实验规律是什么？经典的波动理论是如何解释光电效应的各条实验规经典的波动理论是如何解释光电效应的各条实验规律律?爱因斯坦光量子假说的内容是什么？它是如何解释爱因斯坦光量子假说的内容是什么？它是如何解释光电效应的各条实验规律光电效应的各条实验规律?密立根验证爱因斯坦光电效应方程的主要实验思想密立根验证爱因斯坦光电效应方程的主要实验思想是什么？是什么？注意事项注意事项汞灯一旦开启，汞灯一旦开启，切勿关闭切勿关闭！切勿触摸！切勿触摸！在进行在进行每一组每一组实验前，必须对测试仪进行实

31、验前，必须对测试仪进行调零调零，否则会影响实验精度。否则会影响实验精度。电压旋钮调节一定要电压旋钮调节一定要缓慢缓慢，以免损坏仪器。，以免损坏仪器。更换滤光片和光阑时一定要先将汞灯更换滤光片和光阑时一定要先将汞灯遮光盖盖上。遮光盖盖上。实验过程中注意实验过程中注意随时盖上汞灯的遮光盖随时盖上汞灯的遮光盖，严禁让，严禁让汞灯不经过滤光片直接入射光电管窗口。汞灯不经过滤光片直接入射光电管窗口。实验结束时应实验结束时应盖上光电管暗合遮光盖和汞灯遮光盖上光电管暗合遮光盖和汞灯遮光盖盖！光电管易损坏！光电管易损坏！汞灯预热过程中：画表格，熟悉实验过程汞灯预热过程中：画表格，熟悉实验过程10-12A10-13A10-11A