光电效应及普朗克常量的测定

实验30光电效应及普朗克常

量的测定授课老师：张薇薇内容索引NEIRONGSUOYIN02.实验目的03.实验仪器01.实验背景04.实验原理05.实验内容06.注意事项电脑桌(对学号入座,到实验台签到，打开学习通签到，实验报告封皮填全！）上课时间：2025年10月12日

第

周

周一1、2节;指导教师：张薇薇15161314111219201718门学号—109室座位表不要动仪器！不要动仪器！不要动仪器！12345678910实验题目：光电效应及普朗克常量的测定实验背景01初次试验：1887年德国物理学家H.R.赫兹发现电火花间隙受到紫外线照射时会产生更强的电火花，然而这一现象无法用麦克斯韦的经典电磁理论来进行合理解释。

理论解释：1905年爱因斯坦受普朗克量子假设的启发，提出了光量子（光子）概念，成功解释了光电效应的各种实验规律。H.R.赫兹

光电效应：在一定频率的光照射下，电子从金属或金属化合物表

面逸出的现象称为光电效应，逸出的电子称为光电子。实验背景H.康普顿R.密立根

进一步验证：1923年，康普顿发现了“康普顿效应”，进一步证实了爱因斯坦的光子理论。

再次试验：

1916年，密立根以精湛的实验技术证实了爱因斯坦方程的正确性，并直接运用光电方法对普朗克常量

h

作了首次测量。

密立根和康普顿的精密实验研究终于确立了光量子论的地位。

获得成就：诺贝尔物理学奖——爱因斯坦（1921年）、密立根（1923年）、康普顿（1927年）。光电效应的应用外光电效应——物质吸收光子并激发出自由电子的

行为，激发出的自由电子叫做光电子。应用：光电管、光电池、光电倍增管（电影、电视、光控

路灯、数码相机）内光电效应——由于光量子作用，引发物质电化学性质变化。应用：光敏电阻、光电二极管和光电三极管、场效应光电管、雪崩光电二极管、电荷耦合器件等半导体光敏元件。被广泛的应用到纺织、造纸、印刷、医疗、环境保护等领域，在红外探测、辐射测量、光纤通信、自动控制等传统应用领域的研究也有新发展。实验目的02实验目的1.了解光电效应的基本规律，加深对光量子

性的理解。2.验证爱因斯坦方程，测定普朗克常量。3.测定光电管的伏安特性曲线。实验仪器03实验仪器普朗克常量测试仪实验基准平台（高压汞灯光源、遮光盖子、高压汞灯镇流器、滤光片、光电管暗盒）1）滤光片2）高压汞灯光源3）普朗克常数测试仪实验原理04图1光电效应实验原理图

单色光通过石英窗照射光电管阴极金属板K，阴极上有光电子产生。

如将A

接负极、K

接正极（电压表示值为负），则光电子离开K

后，将受到电场的阻碍作用。当K、A

之间的反向电压等于U0时，从K

逸出的动能最大的电子刚好不能到达A，电路中没有电流，U0叫截止电压。

如将A接正极、K接负极，电压

表显示的电压为正值，有光电流产生；（一）光电效应实验原理图实验原理阳极阴极石英窗（1）仅当

（截止频率）时才发生光电效应，截止频率与材料有关，但与入射光强无关。（2）截止电压U0与入射光频率具有线性关系。（3）在同一频率下，饱和光电流强度Im正比于入射光强P。（4）光电效应是瞬时效应。当光照射到金属表面时，几乎立即就有光电子逸出。（二）光电效应的实验规律

截止频率：只有当

才会有光电子发射，截止频率满足：

反向截止电压U0

：在光电管两端加反向电压，当反向电压大到使具有最大初动能的光电子也到达不了A极，则光电流为零。显然，反向截止电压满足：图1光电效应实验原理图UGKA（三）爱因斯坦光量子理论解释光电效应现象图2截止电压与频率曲线其中直线斜率为红限频率（四）测量普朗克常数的原理

由该直线与横轴的交点，也可求出“红限”频率v0。则普朗克常数

阳极的光电子发射是阳极材料在光照下发射的光电子，对这些光电子而言，外加反向电场是加速电场，因此它们很容易到达阴极，形成反向电流。暗电流则是在无光照射时，外加反向电压下光电管流过的微弱电流。由于这两个因素的影响，实验中实测的I—U特性曲线往往如图3所示。图3I－U实验曲线暗电流实验曲线0B注：实际测量的光电管伏安特性曲线如图3所示。曲线的下部转变为直线，拐点B(抬头点)对应的外加电压值才是截止电压。这是由于在实验进行时，光电管中还伴有两个现象：阳极的光电子发射和暗电流。实验内容051.测试前准备：（1）接通测试仪及汞灯电源，预热约20min。盖上光电管暗箱和汞灯的遮光盖，将光电管与汞灯距离调整并保持在400mm不变。（注意：汞灯一旦开启，不要随意关闭！）（2）测试仪调零：盖上光电管暗箱和汞灯的遮光盖，“电压”选择在“－2V～+30V”档，“电流量程”选择在“10-10A”档，旋转“电流调零”旋钮使“电流表”指示为“000.0”。（注意：每次调换“电流量程”，都应重新调零!）实验内容2.测光电管的伏安特性曲线（I-U曲线）（1）将“电压”选择按键置于“－2V~+30V”档，将“电流量程”选择开关置于“10-10A”或“10-11A”挡并重新调零，将直径为2mm的光阑及波长435.8nm的滤光片插在光电管入射窗孔前。

30.0

0

435.8nm光阑2mm546.1nm光阑4mm546.1nm光阑4mmL=400mm表1I-U关系435.8nm光阑2mm（2）从截止电压开始由低到高调节电压，直至30V（不高于30V）。

从截止电压到0V区间，电压取值间隔为0.25V；从0V到8V区间，电压取值间隔为1.5V；

从8V到30V区间，电压取值间隔为3V。每取一电压值，记录数据填入表1中。

注意：为了使每个电流值都有三位有效数字，测量过程中须变换“电流量程”。

（3）换上直径为的光阑，重复上述步骤。（4）换上波长的滤光片，重复上述步骤。3．验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比关系

435.8nm546.1nm光阑孔Φ/mm光阑孔Φ/mm

在U为30V时，选择“电流量程”使得电流值有三位有效数字，并重新调零。在同一入射频率、同一入射距离下，记录光阑直径分别为2mm、4mm、8mm时对应的电流值于表2中。U=30VL=400mm表2Im-P关系4．零电流法测量普朗克常量

h:365.0404.7435.8546.1577.08.2167.4106.8825.4925.196截止电压1

2

3

4

平均值

波长频率光阑孔Φ

=4

mmL=400mm表3U0-v关系（1）将“电压”选择按键置于“－2V~+2V”档，“电流量程”选择在“10-12A”档并重新调零。将直径为4mm的光阑及波长为的滤光片插在光电管入射窗孔前。（2）调节电压U，使得光电流I为零，此时测试仪中显示的电压值即可认为是该入射光频率对应的截止电压。重复测量四次，填入表中。（3）依次更换其余四个滤光片，测出各自对应的截止电压。注意：一定要先盖上汞灯的遮光盖再更换滤光片1）根据表1的数据在坐标纸上作I-U关系曲线。2）根据表3的数据在坐标纸上作U0-v直线，得出直线的斜率后求普朗克常数h，

与公认值

比较求相对误差。同时求红限频率。5．数据处理关系曲线直线3）验证光电管的饱和光电流Im与入射光强P成正比关系。（大约1：4：16）五、数据处理（举例）（2）求普朗克常数

已知：（表3）由可得：（3）验证光电管的饱和光电流

Im与入射光强P成正比关系。【写出比值计算过程】（表2）；