光电效应实验报告(同名18198)

北京科技大学大学物理实验报告光电效应【实验目的】了解光电效应的规律，加深对光的量子性的认识。测量普朗克常量。【实验仪器】ZKY-GD-4光电效应实验仪，其组成为：微电流放大器，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，产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UAK，测量出光电流I的大小，即可得出光电管的伏安特性曲线。光电效应的基本实验事实如下：（1）对应于某一频率,光电效应的I-UAK关系如图2所示。从图中可见，对一定的频率，有一电压U0,当UAK≦U0时，电流为零，这个相对于阴极的负值的阳极电压(2)当UAK≧U0后，I迅速增加，然后趋于饱和，饱和光电流IM的大小与入射光的强度P此时电压表显示UAK的值，单位为伏；电流表显示与UAK对应的电流值I，单位为所选择的“电流量程”。用电压调节键→、←、↑、↓可调节UAK的值，→、←键用于选择调节位，↑、=3\*GB3③从低到高调节电压（绝对值减小），观察电流值的变化，寻找电流为零时对应的UAK，以其绝对值作为该波长对应的U0的值，并将数据记于表1中。为尽快找到U0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。=4\*GB3④依次换上365.0nm，435.8nm，546.1nm，404.7nm的滤色片，重复以上测量步骤。2）自动测量=1\*GB3①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，表示系统处于自动测量扫描范围设置状态，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，灯闪烁表示系统预选的或正在存储数据的存储区。=2\*GB3②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。用电压调节键改变电压值，就可查阅到在测试过程中，扫描电压为当前显示值时相应的电流值。读取电流为零时对应的UAK，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1U0—v关系光阑孔Φ=mm波长λi(nm)365.0404.7435.8546.1577.0频率vi(×108.2147.4086.8795.4905.196截止电压U0i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，可进行下一次测量。将仪器与示波器连接，可观察到UAK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10-10A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-1～50V。手动测量时每隔0.5V记录一组数据，自动测量时步长为1V。记录所测UAK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，以后电压没变化一定值（可选为1V）记录一组数据到数据记录表中。换上546nm的滤色片，重复上述实验步骤。②在UAK为50V时，将仪器设置为手动模式，测量记录同一谱线、同一入射距离、=3\*GB3③在UAK为50V时，将仪器设置为手动模式，测量并记录同一谱线、同一光阑、不同入射距离时对应的电流值于数据记录表中。【实验数据处理】（1）求普朗克常数实验中测得的数据如下表所示：U0与v0光缆孔波长/nm365.0404.7435.8546.1577.0频率8.2147.4086.8975.4905.196截止电压U0i/V-1.838-1.460-1.326-0.812-0.668由实验数据得到的截止电压U0与光频率的关系如下图所示：截止电压与光频率的关系曲线由eU0=hv-A而由最小二乘法的得到的斜率的标准差为，则可知所求的普朗克常量的不确定度为：测得的普朗克常量与公认值的相对误差为：实验得到的普郎克常数为：。做出两种波长及光强的伏安特性曲线实验中，得到的实验数据记录表如下：对于435.8nm的滤色片，入射距离L=400mm,光阑4nm，数据记录为：关系-1012345678901.52.74.16.37.58.610.211.813.614.8101112131415161718192015.917.018.119.219.520.321.121.522.422.923.6212223242526272829303124.024.725.325.826.326.627.127.227.828.228.5323334353637383940414228.829.029.429.730.130.330.530.831.131.131.4434445464748495031.631.832.132.632.833.233.333.4对于546.1nm的滤色片，入射距离L=400mm,光阑4nm，数据记录为：关系-10123456789-0.40.41.32.23.34.14.65.25.76.67.010111213141516171819207.07.27.68.18.38.48.79.09.29.49.621222324252627282930319.810.010.110.310.410.510.610.711.011.011.0323334353637383940414211.111.211.211.311.411.411.611.611.611.611.6434445464748495011.711.811.912.112.112.212.212.3由实验得到的数据绘制出的两种波长及光强的伏安特性曲线如下：不同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=2\*GB3②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=3\*GB3③中数据验证光电流与入射光强成正比。对于实验②：在UAK射距离、光阑分别为2mm,4mm,8mm时对应的电流值，数据记录表如下：关系435.8nm光阑孔2mm4mm8mm9.333.8140.3546.1nm光阑孔2mm4mm8mm3.412.349.5由实验数据得到饱和光电流与光阑面积的关系曲线如下：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。对于实验=3\*GB3③，在UAK为50V时，将仪器设置为手动模式，测量并记录同一谱线、同一光阑、不同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：关系435.8nm入射距离L/mm20025030035040051.028.318.212.59.3546.1nm入射距离L/mm20025030035040019.010.46.84.63.4对于光阑面积S不变时，由于入射距离的变化，使同一波长光的光强发生改变。尝试将光源看做点光源，其发出的光为球状，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。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。根据关系，得到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，本底电流如何影响测量结果？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数阴极材料，则在入射光照射或入射光从阴极反射到阳极后都会造成阳极电子发射。当UAK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U而对于暗电流和本底电流是热激发产生的光电流和杂质光散射光电管产生的光电流。它们的影响是：若产生的光电子的初动能大于光照产生的光电子的最大初动能，则会使测得的UAK在该实验中可能存在的误差有：在实际的测量中，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。实验中滤色片有一定的狭缝宽度，滤色片产生的光并不完全是单一的滤色光。（3）实验中以汞灯作为光源，而汞灯在交变电压变化的情况下并不能完全稳定，产生的光也不稳定。（4）在读数时，由于产生的光电流的变化，仪器示数会有微小的跳动，产生读数误差。（5）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】1、实验测得的普朗克常量为，与公认值的相对误差为-9.4%。2、由实验得到的伏安特性曲线可知，在光电效应中，随着光电管两侧正向电压的增大，光电流增大速度越来越慢，