光电效应实验报告

1、 三、实验原理 1 .光电效应及其基本实验规律 定频率的光照射到某些金属表面时， 会有电子从金属表面 即刻逸出，这种现象称为光电效应。从金属表面逸出的电子叫 光电子，由光子形成的电流叫光电流，使电子逸出某种金属表 面所需的功称为该金属的逸出功。 研究光电效应的实验装置示意图如图 1 所示。GD 为光电管， 是一个抽成真空的玻璃管，管内有两个金属电极， K 为光电管 阴极，A 为光电管阳极；G 为微电流计；V 为电压表；R 为滑线 变阻器。单色光通过石英窗口照射到阴极上时，有光电子从阴 极 K 逸出，阴极释放出的光电子在电场的加速作用下向阳极 A 迁移形成光电流，由微电流计 G 可以检测光电流的

2、大小。调节 电压 UAK，改变 UAK，测量出光电流 I的大小，即可测出光电管的伏安特性曲线，如图 所示。 图 2光电效应的基本实验规律 光电效应的基本实验规律如下: I-UAK关系如图 2(a)所示。从图中可见，对一定的频率，有 电压 Uo，当 UAK迄Uo时，光电流为零，这个相对于阴极的负值的阳极电压 Uo，称为截止电压。 课程名称 专业班级 指导教师 、实验目的 佛山科学技术学院 实验项目 姓名 成绩 1 .了解光电效应的规律，加深对光的量子性的理解； 2 测量光电管的伏安特性曲线； 3 学习验证爱因斯坦光电效应方程的实验方法，测量普朗克常数。 、实验仪器 光电效应(普朗克常数)实验仪(

3、详见本实验附录 A)，数据记录仪。 不同蚁宰吋光电胃的伏安卅性徒嫂 Z 1 强化 1 % / %； Q 车同光强时 托电杵的仗安特性曲堆 席就止屯人 T 人豺托麹净的关条呷 图 1光电效应实验示意图 R 可使 A、K 之间获得连续变化的 2(a)、(b) (1 )对应于某一频率，光电效应的 (2 )当 UAK A UO后，I迅速增加，然后趋于饱和，饱和光电流 g 的大小与入射光的强度 P成正比， 如图 2(b)所示。 (3) 对于不同频率的光，其截止电压的值不同，如图 2(a)所示。 (4) 截止电压 Uo与频率 v 的关系如图 2(c)所示。Uo与 成正比。当入射光频率低于某极限值 V。(随

4、 不同金属而异)时，无论光的强度如何，照射时间多长，都没有光电流产生。 (5) 光电效应是瞬时效应。即使入射光的强度非常微弱，只要频率大于 vo，在开始照射后立即有 光电子产生，所经过的时间至多为 10 9秒的数量级。 2 爱因斯坦光电效应方程 上述光电效应的实验规律无法用电磁波的经典理论解释。 为了解释光电效应现象，爱因斯坦根据普朗 克的量子假设，提出了光子假说。他认为对于频率为 的光波，每个光子的能量为 E h , h为普朗 克常数。当光子照射到金属表面上时，一次性为金属中的电子全部吸收，而无须积累能量的时间。 电子把该能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力，另一部分就变为电子离开金属表

5、面后的动 能，按照能量守恒原理，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程 1 2 h m o W (1) 2 1 式中，W为被光线照射的金属材料的逸出功， 1m 2为从金属逸出的光电子的最大初动能。 2 由式(1)可知，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能越大，所以即使阳极电位比阴极 电位低(即加反向电压)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 1 2 eUo - m o (2) 2 阳极电位高于截止电压后，随着阳极电位的升高，阳极对阴极发射的电子的收集作用越强，光电流 随之上升；当阳极电压高到一定程度，已把阴极发射的光电子几乎全收集到阳极，再增加

6、 UAK时I 再变化，光电流出现饱和，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hv W时，电子一次性吸收的能量不足以使之脱离金属， 此时光强再大也没有光电流产 生。因此产生光电效应的最低频率是 Vo W/h，该频率称为截止频率。 3 普朗克常数的测量 将式(2)代入式(1)可得 eUo hv W (3) 此式表明，对于同一种金属而言，电子的逸出功是一定的，截止电压 Uo是频率 v 的线性函数，直 线斜率 k he,如图 2(c)所示。因此，只要用实验方法得出不同的频率光照时对应的截止电压，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

7、。 四、实验内容与步骤 1 测试前的准备 （1） 将测试仪及汞灯电源接通（汞灯一旦开启不要随意关闭），预热 20 分钟。 （2） 把汞灯及光电管暗箱遮光盖盖上，将汞灯暗箱光输出口对准光电管暗箱光输入口，调整光电 管于汞灯距离约 30 cm 并保持不变。 （3） 用专用连接线将光电管暗箱电压输入端与测试仪电压输出端（后面板上）连接起来（红 红， 黑 黑）。 （4） 仪器在充分预热后，进行测试前调零，将“电流倍率”选择开关拨至零点挡位，旋转“调零” 旋钮，电流指示为 000.0。将“电流倍率”选择开关拨至校准挡位，旋转“校准”旋钮电流指示为 100.0，将“电流倍率”选择开关拨至 10 12挡，进

8、行测量挡调零，旋转“调零”旋钮电流指示为 0.0。 （5） 用高频匹配电缆将光电管暗箱电流输出端 K 与测试仪微电流输入端（后面板上）连接起来。 2 测量光电管的伏安特性曲线 将电压选择按键置于 2+2 V 挡；将“电流量程”选择开关置于 10 12挡。 （1 ）将滤色片旋转到 365.0 nm,调光阑到 4 mm 挡。 （2） 从低到高调节电压，记录电流从非零到零点所对应的电压值，作为数据表格 1 （请自行设计 表格）的前面部分（精细），以后电压每变化一定值（可调节电压挡到 2+20 V ），记录相应的 电流值到数据表格 1 的后面部分。 （3） 将滤色片分别旋转到 404.7 nm、435

9、.8 nm、546.1 nm、578.0 nm,从低到高调节电压，记录对 应的电流值填入表格 1 中（注意：选择合适“电压挡”和“电流量程”）。 （4） 用表格 1 中的数据在坐标纸上作对应波长及光强的伏安特性曲线（以电压值作为横坐标、电 流值作为纵坐标）。 3 .验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比 当 UAK为 20 V 时，将“电流量程”选择开关置于相应的电流挡，将滤色片分别旋转到 365.0 nm、 404.7 nm、435.8 nm、546.1 nm、578.0 nm ,记录光阑分别为 2 mm、4 mm、8 mm 时对应的电流值 于表格 2 中（请自行设计表格）。用表格 2 中的

10、数据验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比。 4 测量普朗克常数 理论上，测出各频率的光照射下阴极电流为零时对应的 UAK，其绝对值即该频率的截止电压 U0 , 然而实际上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响，实测 电流为零时对应光电管的电压并非截止电压 U0。 （1 ）测量方法 测量普朗克常数的方法通常有以下三种。 拐点法 根据表格 1 的数据画出的伏安特性曲线图中，分别找出每条谱线的“抬头电压” （随电压缓慢增加 电流有较大变化的横坐标值），记录此值。在另一张坐标纸上以刚记录的电压值的绝对值作为纵坐 标，以相应谱线的频率作为横坐标作出五个点，用此五点作一条

11、 u0-直线，在直线上找两点求出 直线斜率k，求出直线的斜率k后，可用h ek求出普朗克常数h。 零电流法 零电流法是直接将各谱线照射下测得的电流为零时对应的电压 UAK作为截止电压 U0。此法的前提 是阳极方向电流、 暗电流和杂散光产生的电流都很小， 用零电流法测得的截止电压与真实值相差很 小，且各谱线的截止电压都相差 U，对 Uo-v 曲线的斜率没有大的影响，因此对普朗克常数 h的测 量不会产生大的影响。 补偿法 补偿法是调节电压 UAK使电流为零后，保持 UAK不变，遮挡汞灯光源，此时测得的电流 Il为电压接 近截止电压时的暗电流和杂散光产生的电流。 重新让汞灯照射光电管， 调节电压 U

12、AK使电流值至 I1， 将此时对应的电压 UAK作为截止电压 Uo。此法可补偿暗电流和杂散光产生的电流对测量结果的影 响。 （2）测量 拐点法测量普朗克常数 h，这种方法难于操作且误差较大，我们通常不采用。本实验仪器的电流放 大器灵敏度高，稳定性好；采用了新型结构的光电管，光电管阳极反向电流，暗电流水平也较低， 因此可以采用零电流法测量普朗克常数 h。 零电流法测量h 将电压选择按键置于 2+2 V 挡，将“电流量程”选择开关置于 10 13A 挡，将测试仪电流输入电 缆断开，调零后重新接上；调到直径 4 mm 的光阑及 365.0 nm 的滤色片。从低到高调电压，测量 电流为零时该波长对应的

13、截止电压 Uo ,并将数据记于自行设计的表格 3 中。 依次换上 404.7 nm、435.8 nm、546.1 nm、578.0 nm 的滤色片，重复以上测量步骤。用逐差法或作 图法求出普朗克常数h ,并与公认值比较，求出相对误差普朗克常数的公认值是 h （6.626176 0.000036） 10 34 J s 。 补偿法测量h 将电压选择按键置于 2+2 V 挡；将“电流量程”选择开关置于 10 13A 挡，将测试仪电流输入电 缆断开，调零后重新接上；调到直径 4 mm 的光阑及 365.0 nm 的滤色片。从低到高调节电压，测量 该波长对应的 U。，并将数据记于表格 4 中。 依次换上

14、 404.7 nm、435.8 nm、546.1 nm、578.0 nm 的滤色片，重复以上测量步骤。用逐差法或作 图法求出普朗克常数 h，并与公认值比较，求出相对误差。 实验报告内容：一.实验目的 二.实验仪器（仪器名称、型号、参数、编号） 三 实验原理（原理文字叙述和公式、原理图） 四.实验步骤 五、实验数据和数据处 理 六.实验结果 七.分析讨论（实验结果的误差来源和减小误差的方法、实验现 象的分析、问题的讨论等） 八.思考题 对应波长的伏安特性曲线 “L 小UAX (v) -2. 57 -L76 -1. 44 -1.19 -1 -0.E7 -0.35 0 0.27 0,54 0.65

15、-2 0 8 20 33 47 59 85 114 146 168 UAK (v) -2. 81 -2. 32 -1.01 -0.77 -0.5 -0. 24 0.06 0. 48 0.84 1.18 1.47 冬 rum /(K101：X -1 0 r 2 7 14 22 34 胸 S3 W9 123 43 S. 8nm UAK (v) -2. -2.31 -0, 94 -0.54 -0.17 0. 14 0.49 0,8S L13 1,51 1.86 J(X10-B4) -1 0 1 9 21 32 50 75 91 113 142 54R lrw UAK (v) -1. 34 -0.旺

16、-0. 37 -0.12 0.07 1 0.35 0.57 0* 87 1.09 1.46 1.7 2(x10 _1： 0 1 3 22 36 57 77 105 116 153 185 578. Onm UAK (v) -L53 -0.4 -0. 2 0 0.37 63 0.83 1*31 L63 2.04 2. 44 /(xlOX) 3 1 4 9 20 30 39 60 77 35 111 光阑=4mm L 距离=30cm 光阑孔径 2nm 4nm 8nm 11 I( 365.0nm) 10 A 138 561 2350 11 I( 404.7nm) 10 A 32 128 604 11

17、 I( 435.8nm) 10 A 29 118 532 I( 546.1 nm) 10 11 A 26 113 597 I( 578.0nm) 10 11 A 7 32 167 表二：IM-P 关系 UAK=20V 五、实验数据及数据处理 表一：I-UAK T 200 2 3 - 150 V）旨 Eii Ok ITIL 7rHL 4 3&, EhfiL 54S, Im *578, OUTL 入射波长(nm) 365.0nm 404.7nm 435.8nm 546.1 nm 578.0nm 频率 v 8214 7.408 6.879 5.490 5.196 截止电压 Uc -1.83 -1.4

18、6 -1.23 -0.73 -0.74 普朗克常数 h 所以普朗克常数为： h |k e 4.00329 10 15 1.6 1019 6.405264 10 34J S 相对误差： 34 34 6.626176 10 6.405264 10 血 3.33% 6.626176 10 五、数据处理 1、测坪曲线 G-M 计数管坪曲线数据测量 t=3s/次 U/v 303 315 339. 351 363 375 387 399 411 423 435 N/个 0 1949 1982 2021 2152 2260 2406 2802 3194 3603 4102 N/ （个 /s） 0 650 661 674 717 753 802 908 1065 1201 1301 U/v 447 459 471 483 495 N/个 4902 5