光电效应试验报告

1、时间：二O二一年七月二十九日光电效应之巴公共开创作时间：二O二一年七月二十九日【实验目的】(1) 了解光电效应的规律，加深对光的量子性的认识.(2)丈量普朗克常量h.【实验仪器】ZKY-GD-4光电效应实验仪，其组成为：微电流放年夜器，光电管工 作电源，光电管，滤色片，汞灯.如下图所示.【实验原理】光电效应的实验原理如图1所示.入射光照射到光电管阴极 K上, 发生的光电子在电场的作用下向阳极 A迁移构成光电流，改变外加 电压，丈量出光电流I的年夜小，即可得出光电管的伏安特性曲线 .(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,当三时,电流为零，这

2、个相对阴极 的负值的阳极电压U0,被称为截止电压.时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日(2)当三后，1迅速增加，然后趋于饱和，饱和光电流IM的年夜小 与入射光的强度P成正比.(3)对分歧频率的光，其截止电压的值分歧，如图3所示.(4)截止电压Ug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(随分歧金属而异)时 ,不论光的强度如何，照 射时间多长，都没有光电流发生.(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 率年夜于，在开始照射后立即有光电子发生，所经过的时间至多为 秒的数量级.依照爱因斯坦的光量子理论，光能其实不像电磁波理论所想象 的那样，分布

3、在波阵面上，而是集中在被称之为光子的微粒上，但这种微粒仍然坚持着频率(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.当光子照射到金属概况上时，一次被金属中 的电子全部吸收，而无需积累能量的时间.电子把这能量的一部份 用来克服金属概况对它的吸引力，余下的就酿成电子离开金属概况后的动能，依照能量守恒原理，爱因斯坦提出了著名的光电效应方 程：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，入射到金属概况的光频率越高，逸出的电子动能越年夜，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，此时有关时间：二O二一年七月二十

4、九日时间：二O二一年七月二十九日系：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 定水平，已把阴极发射的光电子几乎全收集到阳极，再增加时I不再变动，光电流呈现饱和，饱和光电流的年夜小与入射光的强度P成正比.光子的能量A日t,电子不能脱离金属，因而没有光电流发生.发 生光电效应的最低频率(截止频率)是 =A/h.将(2)式代入 式可得：此式标明截止电压是频率的线性函数 ，直线斜率k = h/e,只要 用实验方法得出分歧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胜利地解释了光电效应规律【实验步

5、伐】1、测试前准备1)将实验仪及汞灯电源接通(汞灯及光电管暗盒遮光盖盖 上),预热20min.2)调整光电管与汞灯距离为约 40cm坚持不变.时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日3）用专用连接线将光电管暗箱电压输入端与实验仪电压输出 端（后面板上）连接起来（红一红，蓝一蓝）.4）将“电流量程”选择开关置于所选档位，进行测试前调零.调零时应将光电管暗盒电流输出端 K与实验仪微电流输入端（后面 板上）断开，且必需断开连线白实验仪一端.旋转“调零” 旋钮使 电流指示为.5）调节好后，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.如果要静态显示

6、收集曲线，需将实验仪的“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“ 20区s/格.此时示波 器将用轮流扫描的方式显示 5个存储区中存储的曲线，横轴代表电 压，纵轴代表电流I.2、测普朗克常数h:丈量截止电压时，“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 AtI.1）手动丈量使“手动/自动”模式键处于手动模式.将直径4mml光阑及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，单元为伏；电流表显示

7、与时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日对应的电流值I,单元为所选择的“电流量程”.用电压调节键一、 一、3 （可调节的值，一、一键用于选择调节位，3 （键用于 调节值的年夜小.从低到高调节电压（绝对值减小），观察电流值的变动，寻找电流为零时对应的，以其绝对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，调节时应从高位到低位，先确定高 位的值，再顺次往低位调节.依次换上 365.0 nm,435.8 nm,404.7 nm 的滤色片，重复以 上丈量步伐.2）自动丈量按“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烁，暗示系统处于自动丈量扫描范围设

8、置状态，用电压调节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）实验仪设有5个数据存储区，每个存储区可存储 500组数据，由指 示灯暗示其状态.灯亮暗示该存储区已存有数据，灯不亮为空存储区,灯闪烁暗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，仪器将先清除存储区原有数据，等候约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.用电压调节键改变电压值，就可查阅到在测试过程中，时间：二O二一年七月二十九日时间：二O

9、二一年七月二十九日扫描电压为以后显示值时相应的电流值.读取电流为零时对应的以其绝对值作为该波长对应的U的值，并将数据记于表1中.表1 U0 关系光阑孔=mm波长入i（nm）577.0频率（Hz）5.196截止电压V）手动自动按“查询”键，查询指示灯灭，系统回复到扫描范围设置状态， 可进行下一次丈量.将仪器与示波器连接，可观察到为负值时各谱 线在选定的扫描范围内的伏安特性曲线.3、测光电管的伏安特性曲线：此时,将“伏安特性测试/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，偏重新调零.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

10、“手动 /自动”两种模式之一，丈量 的最年夜范围为-150V.手动丈量时每隔 0.5V记录一组数据，自 动丈量时步长为1V.记录所测及I的数据.从低到高调节电压，记录电流从零到非零点所对应的电压值并作为第一组数据，以后电压没变动一定值（可选为1V）记录一组数据到数据记录表中换上546nm的滤色片，重复上述实验步伐.在为50V时，将仪器设置为手动模式，丈量记录同一谱线、同一入射距离、光阑分别为 2mm,4mm,8miW对应的电流值于数据时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日记录表中.在为50V时，将仪器设置为手动模式，丈量并记录同一谱线、同一光阑、分歧入射距离时对应的电流值于数

11、据记录表中.【实验数据处置】(1)求普朗克常数实验中测得的数据如下表所示：与关系数据记录表光缆孔4mm波长，/nm_ 14频率i4 10 )截止电压U0i/V由实验数据获得的截止电压U0与光频率的关系如下图所示：C2468-12468-2。-1-1-1-10压电止截123456789光的频率Vi/(10A14Hz)截止电压与光频率的关系曲线h由可知，上述直线的斜率为e ,则普朗克常量为：而由最小二乘法的获得的斜率的标准差为sb 0.013945,则可知所求时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日的普朗克常量h的不确定度为:测得的普朗克常量h与公认值几的相对误差为:实验获得的普郎

12、克常数为:h (6.0 0.7) 10 34 J s(2)做出两种波长及光强的伏安特性曲线实验中，获得的实验数据记录表如下: 对435.8nm的滤色片，入射距离L=400mm光阑4nm,数据记录为:I u ak关系-1Uak/V10I /( 10 10 A)Uak/V10I /( 10 10 A)1011121314151617181920Uak/VI /( 10 10 A)2122232425262728293031Uak/VI /( 10 10 A)3233343536373839404142Uak/VI /( 10 10 A)4344454647484950对546.1nm的滤色片，入射

13、距离L=400mm光阑4nm,数据记录为:U ak关系Uak/VI /( 10 10 A)-1Uak/V10I /( 10 10 A)1011121314151617181920Uak/V10I /( 10 10 A)2122232425262728293031Uak/V3233343536373839404142时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日I /( 10 10 A)U AK /V 4344454647484950I /( 10 10 A)由实验获得的数据绘制出的两种波长及光强的伏安特性曲线如-10-510203040阴极电流为零时对应电压V/v5060一 波长为4

14、35.8nm 波长为546.1nmAMWI-A9rx1 流电光下:分歧波长及光强下的伏安特性曲线(3)由于照到光电管上的光强与光阑面积成正比，用中数据验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比；同样用中数据验证光电流与入射光强成正比对实验：在为50V时，将仪器设置为手动模式，丈量记录同一谱线、同一入射距离、光阑分别为 2mm,4mm,8mmf对应的电流值，数据记录表如下：1M P关系光阑孔2mm4mm8mm时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日10I /( 10 10 A)光阑孔2mm4mm8mmI /( 10 10 A)由实验数据获得饱和光电流与光阑面积的关系曲线如下：1HUI

15、 -Ao?f 流电光和饱波长为435.8nm 波长为546.1nm642086421 1 1 1304050光阑面积S/(mmA2)饱和光电流I与光阑面积S的关系曲线图由图可知，饱和光电流I与光阑面积S在入射光波长不变时成 正比例关系，而光强又与光阑面积成正比 ，从而验证了光电管的饱 和电流与入射光强成正比.对实验，在为50V时,将仪器设置为手动模式，丈量并记录同 一谱线、同一光阑、分歧入射距离时对应的电流值 ，来验证光电流 与入射光强成正比.数据记录表如下：I MP关系入射距离200L/mm250300350400/( 10 10 A)入射距离200L/mm250300350400时间：二O

16、二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日I /( 10 10 A)对光阑面积S不变时,由于入射距离的变动，使同一波长光的光强发生改变.检验考试将光源看做点光源，具发出的光为球状，则一定距离处的光强与距离的平方成反比，与距离的平方分之一成正比波长为435.8nm 波长为546.1nm若要验证光电流与入射光强成正比，可通过验证光电流与距离的平方分之一成线性关系而间接征得 .根据1M P关系，获得光电流与距 离的平方分之一的关系曲线如图所示：光电流强度与入射距离平方分之一的关系曲线由图可知，其间关系在实验误差允许的范围内 ，较好的符合了 某种线性关系，证明了这种假设具有成立的可能性 .从而也证

17、明了 光电流与入射光强成正比.【实验分析与误差讨论】1、阳极反向电流，暗电流，本底电流如何影响丈量结果？答：阳极反向电流是由于光电管制造时由于光电管阳极沾上少时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日数阴极资料，则在入射光照射或入射光从阴极反射到阳极后城市造 成阳极电子发射.当值为为负值时，阳极发射的电子向阴极迁移形 成阳极反向电流，从而当实验中测得电流为零时 ,对应的其实不是 截止电压，对实验造成误差.而对暗电流和本底电流是热激发发生的光电流和杂质光散射 光电管发生的光电流.它们的影响是：若发生的光电子的初动能年 夜于光照发生的光电子的最年夜初动能，则会使测得的的绝对值增年夜.

18、2、在该实验中可能存在的误差有：(1)在实际的丈量中，由于光电管的阳极电流、暗电流、 本底电流及电极间接触电压的影响，给实验结果带来误差.(2)实验中滤色片有一定的狭缝宽度，滤色片发生的光具实不完全是单一的滤色光.实验中以汞灯作为光源，而汞灯在交变电压变动的情况下其实不能完全稳定，发生的光也不稳定.在读数时，由于发生的光电流的变动，仪器示数会有微小的跳动，发生读数误差.装有阴极管的暗箱封闭不严 ，可能会受到杂光的影响.【实验结论】时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日1、实验测得的普朗克常量为h0 0.7)1034j s ,与公认值 h0 6.626 10 34 J s的相对误差为-9.4%.2、由实验获得的伏安特性曲线可知