基础物理实验光电效应法测定普朗克常数资料.docx

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1、北京航空航天大学 2023 年大二下根底物理试验争论性报告根底物理试验争论性报告试验课题:光电效应法测普朗克常数的误差分析及现象探究班级：101411 班姓名：毕雄学号：10141021 2023年月日北京航空航天大学 2023 年大二下根底物理试验争论性报告名目名目2摘要：3一、试验及应用背景介绍3二、试验目的3三、试验原理4四、试验仪器介绍6五、试验内容7（1） 测试前预备7（2） 测普朗克常数h：7（3） 测光电管的伏安特性曲线：9六、数据记录与处理11（1） 原始数据记录11（2） 图示法12（3） 线性回归法13（4） 不同频率时间电管的伏安特性曲线15（5） 同一频率、不同光强时间

2、电管的伏安特性曲线16七、误差分析16八、试验现象探究17九、试验总结、感想17十、参考文献182北京航空航天大学 2023 年大二下根底物理试验争论性报告摘要：本报告对光电效应法测普朗克常数的试验原理、步骤、仪器及一些留意事项进展了简要介绍。分别运用了图示法和线性回归法处理数据算得普朗克常量，比照得出了更加准确的处理方法，并运用office 软件对数据进展了处理，有效地掌握了直线拟合的人为误差。最终对试验的误差来源进展了探究，提出了些改进方法，并对试验结果进展了分析,提出了自己的一些浅薄的感想。一、试验及应用背景介绍光电效应是指肯定频率的光照耀在金属外表时会有电子从金属外表逸出的现象。188

3、7年物理学家赫兹用试验验证电磁波的存在时觉察了这一现象，但是这一试验现象无法用当时人们所熟知的电磁波理论加以解释。1905年，爱因斯坦大胆地把普朗克在进展黑体辐射争论过程中提出的辐射能量不连续观点应用于光辐射，提出“光量子”概念，从而成功地解释了光电效应现象。1916年密立根通过光电效应对普朗克常数的准确测量，证明白爱因斯坦方程的正确性，并准确地测出了普朗克常数。爱因斯坦与密立根都因光电效应等方面的出色奉献，分别于1921年和1923年获得了诺贝尔奖。光电效应试验对于生疏光的本质及早期量子理论的进展，具有里程碑式的意义。随着科学技术的进展，光电效应已广泛用于工农业生产、国防和很多科技领域。利用

4、光电效应制成的光电器件，如光电管、光电池、光电倍增管等，已成为生产和科研中不行缺少的器件。二、试验目的1. 定性分析光电效应规律，通过光电效应试验进一步理解光的量子性；102. 学习验证爱因斯坦光电方程的试验方法，并测定普朗克常数h；3. 进一步练习利用线性回归和作图法处理试验数据。三、试验原理光电效应的试验原理如图1所示。入射光照耀到光电管阴极K上，产生的光电子在电场的作用下向阳极A迁移构成光电流，转变外加电压的大小，即可得出光电管的伏安特性曲线。，测量出光电流I光电效应的根本试验事实如下：(1) 对应于某一频率,光电效应的I-关系如图2所示。从图中可见，对一定的频率，有一电压U0,当 极电

5、压U0，被称为截止电压。时，电流为零，这个相对于阴极的负值的阳(2) 当后，I快速增加，然后趋于饱和，饱和光电流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) 截止电压U0与频率的关系如图4所示， 与成正比。当入射光频率低于某极限值 随不同金属而异时，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。即使入射光的强度格外微弱，只要频率大于 ，在开头照耀后马上有光电子产生，所经过的时间至多为 秒的数量级。依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

6、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。当光子照射到金属外表上时，一次被金属中的电子全部吸取，而无需积存能量的时间。电子把这能量的一局部用来抑制金属外表对它的吸引力，余下的就变为电子离开金属外表后的动能，依据能量守恒原理，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程： 1式中，A为金属的逸出功，为光电子获得的初始动能。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落入阳极形成光电流，直至阳极电位低于截止电压，光电流才为零，此时有关系： 2阳极电位高于截止电压后，随着阳极电位的上升，阳极对阴极放射的电子的收集作

7、用越强，光电流随之上升；当阳极电压高到肯定程度，已把阴极放射的光电子几乎全收集到阳极，再增加 时I不再变化，光电流消灭饱和，饱和光电流的大小与入射光的强度P成正比。光子的能量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=A/h。将(2)式代入(1)式可得：3此式说明截止电压是频率的线性函数，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成功地解释了光电效应规律。四、试验仪器介绍光电效应试验仪ZKY-GD-4由光电检测装置和试验仪主机两局部组成。光电检测装置包括：光电管暗盒，高压汞灯灯箱

8、，高压汞灯电源和试验基准平台。试验主机为GD-4型光电效应普朗克常数试验仪，该试验仪是由微电流放大器和扫描电压源发生器两局部组成的整体仪器。仪器构造如图5所示。试验仪有手动和自动两种工作模式，具有数据自动采集，存储，实时显示采集数据，动态显示采集曲线连接一般示波器，可同时显示5个存储区中存储的曲线，及采集完成后查询数据的功能。五、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盒遮光盖盖上，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，蓝蓝。务必反复检查, 切勿连错！本试验已连接好，请不要更改将

9、“电流量程”选择开关置于所选档位，进展测试前调零。调零时应将光电管暗盒电流输出端K与试验仪微电流输入端后面板上断开，且必需断开连线的试验仪一端。旋转“调零” 旋钮使电流指示为000.0。调整好后，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“20s/格”。此时示波器将用轮番扫描的方式显示5个存储区中存储的曲线，横轴代表电压，纵轴代表电流I。留意：试验

10、过程中，仪器暂不使用时，均须将汞灯和光电暗箱用遮光盖盖上， 使光电暗箱处于完全闭光状态。切忌汞灯直接照耀光电管。（2） 测普朗克常数 h：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A档。 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365.0nm的滤色片装在光电管暗盒光输入口上，翻开汞灯遮光盖。此时电压表显示的值，单位为伏；电流表显示与对应的电流值I，单位为所选择的“电流量程”。用电压调整键、可调整键用于调整值的大小。的值，、键用于选择调整位，、从低到高调整电压确定值减小，观看电流值的变化，查找电流为零时对应的 ，以其确

11、定值作为该波长对应的的值，并将数据记于表1中。为尽快找到 的值，调整时应从高位到低位，先确定高位的值，再顺次往低位调整。依次换上365.0 nm，435.8 nm，546.1nm，404.7 nm的滤色片，重复以上测量步骤。留意： 1、先安装光阑及滤光片后打汞灯遮光盖； 2、更换滤光片时需盖上汞灯遮光盖。 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围设置状态，用电压调整键可设置扫描起始和终止电压。注：显区左边设置起始电压，右边设置终止电压波长电压范围365nm-1.90-1.50V405nm-1.60-1.20V436nm-1.35-

12、0.95V546nm-0.80-0.40V577nm-0.65-0.25V对各条谱线，建议扫描范围大致设置为：试验仪设有 5 个数据存储区，每个存储区可存储 500 组数据，由指示灯表示其状态。灯亮表示该存储区已存有数据，灯不亮为空存储区，灯闪耀表示系统预选的或正在存储数据的存储区。设置好扫描起始和终止电压后，按动相应的存储区按键，仪器将先去除存储区原有数据，等待约 30 秒，然后按 4mV 的步长自动扫描，并显示、存储相应的电压、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。用电压调整键转变电压值，就可查阅到在测试过程中，扫描电压为当

13、前显示值时相应的电流值。读取电流为零时对应的 ，以其确定值作为该波长对应的 U 的值，并将数据记于表 1 中。波长 i(nm)频率(Hz)截止电压手动V)自动表 1 U0 关系光阑孔 = mm365.0404.7435.8546.1577.08.2147.4086.8795.4905.196按“查询”键，查询指示灯灭，系统回复到扫描范围设置状态，可进展下一次测量。将仪器与示波器连接，可观看到为负值时各谱线在选定的扫描范围内的伏安特性曲线。留意：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，模式转换前工作的存储区内的数据将被去除。（3） 测光电管的伏安特性曲线：将“伏

14、安特性测试/截止电压测试” 状态键切换至伏安特性测试状态。“电流量程”开关应拨至 A 档，并重调零。将直径4mm 的光阑及所选谱线的滤色片装在光电管暗盒光输入口上。测伏安特性曲线可选用“手动/自动”两种模式之一，测量的最大范围为-150V。手动测量时每隔 5V 记录一组数据，自动测量时步长为 1V。记录所测及 I 的数据到表 2 中。将仪器与示波器连接，此时 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。 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。 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

15、射光成正比。表 2I 关系VIAVIA在为 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，光阑分别为2mm、4mm、8mm 时对应的电流值于表 3 中，验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比。六、数据记录与处理（1） 原始数据记录波长 i(nm)频率(Hz)截止电压手动1.8161.4701.2580.6860.568(V)自动1.8161.4701.2600.6840.566表 1 U0 关系365.0404.7435.8546.1577.08.2147.4086.8795.4905.196V05101520253035404550IA2.814.426.636.04

16、3.449.553.656.859.762.164.1V05101520253035404550IA0.53.56.89.311.312.914.014.815.515.916.4V05101520253035404550IA0.64.48.411.513.916.017.318.218.919.519.9V05101520253035404550表 2I 关系光阑孔 = 4 mmIA0.22.43.84.95.86.46.87.07.27.37.4光阑孔= 2 mmV05101520253035404550IA0.10.71.11.41.61.81.92.02.02.12.1（2） 图示法用

17、图示法并用 office 软件拟合的直线如上图示。计算机显示拟合直线的斜率是 0.4124。故：=0.41241.602 =6.606 JS与公认值的相对误差：组别12345平均值频率(Hz)8.2147.4086.8795.495.1966.6374截止电压(V)（3） 线性回归法1.8161.471.2590.6850.5671.159667.46979654.87846447.32064130.140126.99821645.361483414.91662410.889768.6606613.760652.9461288.2347751由线性回归法的斜率：=所以，1.602 与公认值的相

18、对误差： 与图示法的结果比较知:线性回归法处理的结果与理论值更加的接近。不确定度计算：线性回归相关系数说明线性回归良好。由此得：所以，而由测量读数仪器产生的 b 类不确定度可无视不计。故最终表述为：（4） 不同频率时间电管的伏安特性曲线（5） 同一频率、不同光强时间电管的伏安特性曲线七、误差分析对于普朗克常量确实定，是通过测不同频率下的截止电压的大小来得到的。而其主要误差也就是在这一测量过程中产生的。查阅有关资料知为了能准确测定普朗克常数, 试验中所用的光电管必需具备以下条件:(1) 对可见光区域内全部谱线都较灵敏；(2) 阳极包围阴极, 这样当阴极有负电位时, 大局部光电子都能到达阳极；(3

19、) 阳极没有光电效应, 不会产生反向电流；(4) 光电管的暗电流很小；(5) 减小或避开杂散光的影响。综合其它的影响可知，在试验中的主要误差有：1. 光电管中暗电流的影响；2. 滤色片产生的滤色光并不完全单一；3. 试验汞灯受交变电压影响而不能完全稳定；4. 仪器读数微小跳动的读数误差；5. 暗箱封闭不严而受杂质光的影响。6. 测量过程中产生的反向电流的影响；对于以上各种误差，分析可知，由于试验中产生的暗电流很小低于试验测量的精度故1暗电流的影响可无视不计；而对于2、5的影响可通过仪器选购途径实现；而对于3个人认为可以通过在装置前加稳压器来实现微小电压扰动对试验的影响；对4完全可通过操作者本人

20、的良好的试验习惯来实现。最终，对于6中反向电压的影响，查阅有关资料知：光电管在制造的过程中， 很难保证阳极不被阴极材料所污染(即阴极外表的低逸出功材料溅射到阳极上。而且查知这种污染会在光电管的反复使用过程中日趋加重，造成被污染后的阳极逸出功降低。当从阴极反射过来的散射光照到它时便会放射出光电子而形成阳极光电流反向电流。使得试验结果产生肯定的偏差。而对此我们可通过切断阴极反射过来的散射光与阳极间的联系从而避开反向电流的影响。八、试验现象探究在第一组试验中，通过对各不同频率下的截止电压的大小的测量，可充分的验证截止电压与入射光频率间的线性关系。而针对试验中在测不同频率下光电管的伏安特性曲线时消灭的

21、四曲线的饱和光电流的大小并未随着光频率的增加而 呈现递增关系，说明饱和光电流的大小与入射光的频率大小无关。而同时可由曲线的线性变化趋势看到，各频率下的曲线与 X 轴的交点位置是不同的即截止电压大小不同，并呈现出频率越大，截止电压越大，反映了光电效应方程中的截止电压与频率大小间的某种关系。而通过在不同的光通量即光强下，对于同一频率的光的两曲线的比较可知：频率一样时，光通量越大，饱和光电流越大， 验证了饱和光电流的大小与光强有关。同时，通过观看两曲线截止电压的大小根本一样，可进一步验证截止电压的大小与光强无关。九、试验总结、感想本次试验，操作起来并不简单，但是要想真正的弄懂其原理的本质还是有肯定的难度的。通过试验中的各组现象，在某些方面有效地验证了爱因斯坦的光电效应方程的准确性。另外，在本次试验中，对于操作的严密性要求比较高，有助于培育了我们得严谨务实的态度，而这正是我们日后在争论中必备的一项素养。而这种在试验后对试验的来龙去脉进展争论性的分析，在使我们具备操作动手力量的同时也培育了我们的自主动脑力量，对于我们更好地试验有很好的帮助，使得在以后的试验中能够乐观地去思考问题，而不仅仅是把这个试验做完了就完毕了，还得更深入的去了解。十、参考文献1 、光电效应测普朗克常数试验争论 马书炳 丁永清赵学民 戴玮撰写2 、根底物理试验 北京航空航天大学出版社 李朝荣 徐平 唐芳 王慕冰编著