实验 普朗克常数测量

1、实验 普朗克常数测量实验目的：1.       通过对实验现象的观测与分析，了解光电效应的规律；2.       了解光的量子理论与波动理论，测定普朗克常数；3.       熟练掌握实验仪器的安装和调试。实验原理爱因斯坦应用普朗克的量子理论与光电效应现象认为，光是由一群能量分立即量子化且以光速运动的光粒子组成，每一个频率为的光粒子能量为h，这样的光粒子叫做光子。当频率为的单色光即能力为的光子照射在金属上时，金属内的

2、一个束缚电子将吸收一个光子的能量，其中一部分能量作为克服金属内部的势场作功，而另一部分能量则成为电子逸出金属表面后的初始动能。因此，光电子的初动能与照射光的频率有关而与照射光的强度无关；于是，当照射光的频率小于某一值而使电子所吸收的能量不足以克服内势场作功时，电子就不能逸出金属表面，光电效应不能发生；再则电子吸收光子不需要积累的时间，因而电子逸出将是瞬间的，这样光的电子假设就非常完满地解释了光电效应。设光子的能量为E=h ，束缚电子逸出金属表面克服内场所需的最小功为W0 ，则电子逸出金属表面时的最大初动能为 hv=KEmax+W0 (1) 这就是著名的爱因斯坦光电方程。其中KEmax是出射光电

3、子的最大初动能，W0又称为材料的逸出功，不同的材料其逸出功W0 不同。图1是光电效应的原理图，当一定频率的光照射在真空管的阴极K上 图1 光电效应的原理图时，电子立即从阴极K的表面逸出，在阳极A和阴极K之间的电压作用下从K向A运动，从而在电路中形成电流（亦称光电流），电压UAK和光电流I可以通过电压表和电流表测出来。为了测量光子的最大初动能，可以在K与A之间加上K高A低的可变电压来使光电子减速，设当电压加到US时恰好有KEmax=eUs (2) 此时将不会再有光电子到达阳极。此时光电流为零，U称为反向截止电压。由（1）、（2）式可得 eUs=hv-W0 (3)上式说明Us与照射光的频

4、率成线性关系，实验中可用不同频率的光照射，分别找到相应的截止电压，作Us关系直线，此直线的斜率是k=h/e,则Planck常数h=ke。该直线在Us轴的截距是b=W0/e,则逸出功W0=be。实验设备 数字伏特计（SE-9590）（万用表）、h/e测量仪（AP-9368）、h/e 测量仪附件（AP-9369）、汞灯（OS-9268）等 设备安装 h/e测量仪的安装如图2所示，详细步骤如下： 1)       设计上允许2台h/e测量仪器同时使用光源。如果你仅使用一台h/e测量仪，可将附件中的遮光板插在光源后面的凹槽里。（见图3） 2)

5、       将光学组件装到光源前面的凹槽里，并用螺丝固定。 3)       将透镜光栅组件装到光学组件的横杆上，松开上边的螺丝，可使其前后沿着滑杆滑动。（见图3） 4)       打开光源，检查光路的准直情况，如有必要，可上下调节光学组件，或滑动透镜光栅组件以达到准直目的。注意事项 光栅仅在半边产生较明亮的光谱，可以转动透镜光栅组件，使最亮的光谱位于你方便做实验的一边。3)   &

6、#160;   将h/e测量仪放在汞灯的前面，来回滑动透镜光栅组件使透过的光正好照在h/e测量仪的白色面板的狭缝上。4)       同7，来回滑动透镜光栅组件，直到获得最亮的光谱线照在h/e测量仪内部的光电二极管上，这时固定好透镜光栅组件。注意事项 h/e测量仪上的白色反射模式用特殊荧光材料做成的，因此光谱中的紫外线呈现蓝色，而紫外光谱线略显蓝色。当然，也可选用白色的非吸收材料做，可观察到实际的条纹颜色。测量时只让一种颜色的光谱线落在光电二极管上非常重要，而且没有相邻最大亮度的条纹交错。5)  

7、;     打开h/e测量仪的开关，移动h/e测量仪，直到第一级条纹中的某种颜色的最亮条纹照在狭缝上，也就时垂直照射到h./e测量仪内部的光电二极管上.6)       按下h/e测量仪的侧面板上的ZERO开关，使h/e测量仪内部的电容放电，这保证了所测的截止电压是实验所要求的电压。7)       在数字伏特计上读出截止电压，这也就是光电流为零时的截止电压。电池电压检测尽管h/e测量仪仅需要很小的电流，电池通常可使用很长时间，但在使用

8、前仍需对电池电压进行检查，电压的检测点在开关附近。h/e测量仪工作 的最小电压不能低于6伏，否则会导致错误的实验结果。用万用表检查电池的电压，一端接在输出的接地端，一端接在电池的试验点（-6v MIN和6v MIN）上，如果任何一节电池在允许的最小值之下时，应该在实验前更换。滤波片的使用AP-9368包括3个滤波片，一片绿色滤波片，一片黄色滤波片，一片透射率可变的减波片，波片上有磁铁，可以相互吸附。当你使用光谱条纹中的黄条纹和绿条纹时，可使用相应的滤波片得到。这些滤波片限制了更高频率的光进入h/e测量仪，否则会掩盖低能量的黄条纹和绿条纹，导致实验失败，同样也防止了有时与低级次的黄条纹和绿条纹交

9、错的高级次的紫外线的影响，透射率可变的减波片其透射率有100%，80%，。60%，40%，和20%等几种选择。汞光源的光谱颜色黄绿蓝紫紫外频率（Hz）5.18762E+145.48996E+146.87858E+147.40858E+148.20264E+14波长（nm）578.300546.074435.835404.656365.483图4：汞光源三级光谱图如下：实验内容1：光的波动模型和量子模型的比较 根据光的量子理论，光电子的最大动能KEmax仅与光的频率有关，与光墙无关，因此，光的频率越高，能量越高，然而，光的波动理论预言：广电子的最大动能与光强有关，换句话说，光强越强，光电子的能量

10、越大，这个实验将进一步验证这些结论的正确性，PART A 从光谱中选择相同颜色的条纹，验证光强与光电子能量的关系。PART B 从光谱中选择不同颜色相同级次的两条纹，验证光子能量与光频率之间的关系。实验步骤：Part A1、          调整h/e测量仪使只有一种颜色的光谱线照在光电二极管上，使用相应的滤波片，选取光谱条纹中的黄条纹和绿条纹。2、          安装透射率可变的减波片，并且用100%窄条对准

11、狭缝，使光照射到光电二极管上。记下万用表的读数，填入表1。按下ZERO，观测万用表读数回到原来读数所需时间，3、          移动透射率可变得减波片，依次选用80%，60%，40%，20%，的窄条，并记录数据 。颜色#-1(颜色#-2)透射率%截止电压充电时间 100   80   60   40   20  透光颜色截止电压黄 绿 

12、;蓝 紫 紫外 1      重复步骤3，直到做完5个选项。2、  重复上述步骤，测量第二级次的光谱条纹。Part B1.       在汞光谱中看到5种颜色的光谱条纹，调整h/e测量仪，使得只有黄色条纹垂直照射到狭缝上，并装上黄色滤波片2.       记下万用表的稳定读数于表2中。3.       在检测绿色条纹时使用绿色滤

13、波片，重复上述步骤。数据分析1、          分析相同颜色的条纹经投射率可变的减波片衰减后对截止电压的影响，也就是对光电子最大动能的影响，同时分析归零后到万用表读数稳定所需时间的不同。2、          分析不同颜色的光谱线对截止频率的影响，也就是对光电子最大动能的影响。3、          确定光的量子理论还是光的

14、波动理论正确。根据光的量子理论，光子的能量直接与频率成正比，因此，频率越高，他拥有的能量越高，经过试验，可准确测定普朗克常数。在这个实验里，你将从水银灯的光谱中选择不同的光谱线，得出光电子的最大能量作为光的波长或频率函数的关系式。实验步骤1、          在二级汞光谱中存在5种颜色 的条纹，调节h/e测量仪，仅使一种颜色的光谱线照射到光电二极管上，2、          对于第一衍射级的5种条纹，分别用万用表测

15、量截止电压，并记录在下面的表格中。3、          调节h/eApparatus ，将第二级的光谱线移到狭缝上，重复上述步骤。第二级光谱颜色波 长（nm）频率(×1014Hz)截止电压(V)黄   绿   蓝   紫   紫外   第一级光谱颜色波 长（nm）频率(×1014Hz)截止电压(V)黄   

16、绿   蓝   紫   紫外   第二级光谱颜色波 长（nm）频率(×1014Hz)截止电压(V)黄   绿   蓝   紫   紫外   数据分析1、        确定不同颜色光的波长与频率，绘出截止电压与频率的关系图。2、        确定所绘出直线的斜率和截距（h/e和W0/e），计算h和W03、        将实验测出的普朗克常数h与标准值比较，计算其相对不确定度，并分析产生误差的主要来源，注意事项1、          选择万用表直流电压20v或2v档2、