实验20-光电管特性测定

大学物理实验教案大学物理实验教案 实验名称 光电管特性测定实验名称 光电管特性测定 1 1 实验目的实验目的 1 掌握光电管的伏安特性和光电特性的测定方法 2 进一步理解光电效应 2 2 实验仪器实验仪器 双路输出直流稳压电源 微电流测量仪 TH V 型直流数字电压表 GD 型光电效应实 验暗箱 3 3 实验原理实验原理 一 光电管的光电效应及伏安特性曲线 用一定频率的光照射在金属 或半导体 表面上时 会有电子从金属表面逸出 这种 现象叫做光电效应 从金属表面逸出的电子叫做光电子 光电子定向流动形成光电流 本 实验用的光电管是由光敏物质做阴极 金属网做阳极 封闭在玻璃管内而成 按照爱因斯坦 光量子 的理论 光电效应的实质是当光子和电子相碰撞时 光子把 全部能量传递给电子 电子所获得的能量一部分用来克服金属表面对它的束缚 其余的能 量则成为该光电子逸出金属表面后的能量 光电方程如下式 A u mhv 2 0 2 1 1 式中 h 为普朗克常数 v为光电子频率 hv为光子能量 A 为金属的逸出功 u m 2 0 2 1 为光电子初动能 由式中可知 若光子能量 Ahv 时 则不能产生光电子 刚好 能使金属发射电子的照射光的最低频率h A v 0 称为该金属的 红限 不同的金属材料 有不同的 红限 实验发现 照射光的频率在 红限 以上 如果照射光越强 发射光电子数则越多 光电流也越大 在照射光强度一定情况下 加速电压增大则光电流也随着增加 图 38 1 是光电管伏安特性曲线 图 38 2 是测试伏安特性曲线电路原理图 曲线 1 2 分别表示照射光强度不同的伏安特性曲线 曲线 1 照射光比 2 强 光电流较大 伏安特性曲线可分段解释 光电流随着加速电压增加而增加 到饱和点后 加速电压增加 但光电流不再增加 此时的光电流被称为饱和光电流 IH 当加速电压 0 V 时仍有光电流 这说明从阴极逸出的电子具有初动能 在没有加速电压作用仍有一部分光电子跑向阳极而 形成电流 要使光电流为零必须加反向电压 光电流为零时的反向电压 负值 Va称为截 止 遏止 电压 V I Va 光强较大 光强较小 数字电压表 微电流表 电 源 图 38 2 光电管伏安特性测量原理图图 38 1 光电管伏安特性曲 线 r P A 2 二 光电流和照射光强度的关系 实验发现 饱和光电流强度IH与照射光强度 P 成正比 要测定光电流和照射光强度 的关系有两种办法 一是改变照射光的强度 二是保持照射光的强度不变而改变照射光源 与光电管阴极 K 间的距离 若光源可 视为点光源 根据照射第一定律 A 是点光源 光线垂直照在物体表面上的照度 P 是光源的发光强度 r 2 是被照射面到光源的距离平方 在光源发光强度 P 不变 即灯泡工作电压不变 2 1 r IH 因而在实验中测定 r 和 IH对应值 然后以r2 1 为横坐标 IH为纵坐标 便可得出饱和光电流和照度的关系曲线 即光电特性曲线 如图 38 3 所示 4 4 教学内容教学内容 1 简要讲解实验原理 光电效应现象 光电管的伏安特性和光电特性 2 介绍有关仪器及其使用方法 微电流表 电压表 电源 暗箱 在讲解仪器时结 合提问题检查学生的预习情况 3 讲解实验操作要领及操作难点 微电流表 电压表使用之前要先调零 接线时注意分清光源电源和加速电压电源 按照图 38 2 连接电路 并演示如果调节加速电压 讲解如何测定截止电压 4 检查学生实验状况及测量结果 并给出相应的评定结果 5 根据评分标准批改实验报告并给出成绩 5 5 实验教学组织及教学要求实验教学组织及教学要求 1 1 教学组织教学组织 1 检查学生的预习实验报告 同时给学生 5 10 分钟时间熟悉仪器 对本实验有 一定的感性认识 2 讲解实验要点及注意事项 同时以提问的方式检查学生的预习情况 加深学 IH nA 0 cm 2 2 1 r 图 38 3 光电管光电特性曲线 生对实验原理的理解 3 随时注意学生的实验操作过程 及时指导并解决学生实验中出现的突发情况 4 检查每个学生的实验数据 记录实验情况 2 2 教学要求教学要求 1 初步了解光电效应现象 2 研究光电管的伏安特性 3 研究光电管的光电特性 4 掌握如何使用双路输出直流稳压电源 微电流测量仪以及 电压表 6 6 实验教学重点及难点实验教学重点及难点 1 1 重点 重点 光电管伏安特性和光电特性的测定 2 2 难点 难点 电路的连接 加速电压的调节 截止电压的测量 7 7 实验中容易出现的问题实验中容易出现的问题 1 在调节加速电压的时候没有分清光源电压和加速电压导致灯泡烧坏 2 测量截止电压的时候 没有理解截止电压的意义导致接线错误 8 8 实验参考数据实验参考数据 表一 光电管伏安特性测定数据 以 r 15cm 为例 U v I 10 8A U v I 10 8A U v I 10 8A 0 211 83 842 917 047 9 0 419 84 043 018 048 0 0 623 44 243 119 048 0 0 828 44 443 220 048 1 1 032 94 643 321 048 2 1 235 14 843 622 048 4 1 437 45 043 923 048 5 1 639 56 044 524 048 6 1 840 47 045 225 048 7 2 040 78 045 826 048 8 2 241 19 046 427 048 9 2 441 310 046 828 049 0 2 641 511 047 2 2 841 812 047 6 0 24 0 0 3 042 013 047 7 3 242 314 047 9 3 442 515 048 0 3 642 716 047 9 表二光电管光电特性测定数据 r cm 1 r2 cm 2 IH 10 8A 25 000 001628 5 23 000 001931 5 21 000 002334 7 19 000 002838 7 17 000 003543 3 15 000 004448 5 13 000 005954 4 作图法处理数据 图一 光电管伏安特性曲线 v 12345678910 1112 131415 1617 181920 2122 232425 262728 1012 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 I 10 8 A 图二 光电管光电特性曲线 1 r r 1 cm cm 0 00200 00300 0040 Linear Fit y a1 a2 x a1 20 61294 a2 6040 59766 chi 2 12 45400 20 2830323436384042444648505254 I 10 8 A 9 9 实验结果检查方法实验结果检查方法 检查数据是否大概符合伏安特性曲线 并检查表一中加速电压为 20v 与表二中 r 15cm 的数据是否相差较小 1010 课堂实验预习检查题目课堂实验预习检查题目 1 检查是否有按照预习报告纸上的要求撰写完整的预习报告 包括实验目的 实验 所需器材 实验涉及的物理量及主要计算公式 实验内容 简要步骤及注意事项 数据表格等 重点检查数据表格是否正确 是否包含要测量的所有物理量 2 光电效应现象描述以及光电方程如何理解 3 实验注意事项 如 电路接好后