实验十一 光电效应实验

光电效应实验《大学物理实验》实验十一

目01|实验导入02|实验背景03|实验目的04|实验原理05|实验仪器录06|内容与步骤07|注意事项08|实验记录09|数据分析10|思考与探究激光雷达应用现状01实验导入搭载3颗激光雷达的比亚迪仰望U8在高速领航辅助驾驶、城区导航辅助驾驶、自动泊车等典型场景中,激光雷达能够实时获取车辆周围环境的三维点云信息,实现对道路、车辆、行人及障碍物的精准识别,为智能驾驶系统提供可靠的环境感知数据,成为智能网联汽车的重要核心传感器。搭载激光雷达的高阶智能驾驶汽车进入规模化应用阶段光电探测器实现光电转换的物理基础正是光电效应高速领航辅助驾驶城区导航辅助驾驶自动泊车等为此,在工程实践和传感器标定中广泛应用基于光电效应的物理原理进行基础特性检测,通过测定光电管的伏安特性曲线以及不同频率波长下的截止电压等参数,能够有效验证并利用饱和光电流与入射光强度成正比的物理规律,进一步优化雷达接收端的纳秒级计时电路,从而评价并提升激光雷达的整体感知质量。1905年阿尔伯特·爱因斯坦(AlbertEinstein)物理学家将量子理论推广到光的传播过程,提出光量子假说,建立了光电效应方程,成功解释了光电效应实验规律,为量子理论的发展奠定了基础,并因此获得1921年诺贝尔物理学奖。光电效应方程光电效应理论背景02实验背景是光照射金属或半导体材料时引起电子逸出的物理现象,是现代量子物理学的重要基础,也是光电探测、光电转换和光电子技术的重要理论依据。光电效应1900年马克斯·卡尔·恩斯特·路德维希·普朗克(MaxKarlErnstLudwigPlanck)德国物理学家在研究黑体辐射问题时提出了革命性的能量子假说,假定能量由不连续的“能量子”构成,且能量子的能量大小与其频率成正比,这个核心的比例系数正是普朗克常量。普朗克常量反映了微观世界中能量量子化的基本特征,是连接经典物理与量子物理的重要桥梁,也是现代物理学中最基本的自然常数之一。能量子假说光电效应理论背景02实验背景核心原理入射光子能量大于材料逸出功时电子逸出形成光电子，验证了光的量子性，是光电探测器理论基础。基本规律光电子最大初动能仅由入射光频率决定，饱和光电流与入射光强成正比，可据此测定普朗克常量。应用领域已广泛应用于激光雷达、光纤通信、卫星遥感、机器视觉、医学影像、工业检测等领域。实验内容集成普朗克常量测定、截止电压测量、伏安特性分析，可验证规律，为后续相关学习奠定实验基础。实验方法采用光电管、单色光源和精密测量系统，测不同波长单色光的截止电压吉光电管伏安特性曲线及不同光强下的饱和光电流光电实验目标03实验目的理解光电效应原理与爱因斯坦光量子假说，加深对光能转电能规律及光量子性的认知。实验原理认知目标01掌握截止电压测定操作，理解零电流法对测量结果与系统误差的影响。实验操作技能要求02利用伏安特性曲线提取截止电压，结合线性拟合测算普朗克常量h并做误差评估。实验数据处理任务03探究不同频率、光强下光电管伏安特性曲线，分析饱和电流规律及光电管固有特性。光电特性探究内容04光电效应及其伏安特性规律04实验原理图11-4同一频率、不同光强时光电管的伏安特性曲线图11-5不同频率时光电管的伏安特性曲线图11-6截止电压U0与入射光频率D的关系实验原理图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。光电效应遵循的基本规律对应某一频率的光电效应I-UAK关系如图11-4所示。当UAK≤U0时电流为零，U0为截止电压。UAK≥U0时组件产生电流I，I先增后趋于饱和，饱和光电流IM与入射光强度P成正比（图11-4）。不同频率的光，光子能量不同，逸出电子动能不同，频率越高截止电压U0越高（图11-5）。U0与频率D成正比（图11-6）。入射光频率低于极限值D0（随金属而异）时，无光电流产生，D0为截止频率。光电效应是瞬时效应，频率大于D0时，光电子几乎立即逸出，耗时至多10-9s。说明：实际反向电流不为零，因极小（10-13~10-14数量级），图11-4、11-5中显示为零。爱因斯坦光量子方程与普朗克常量测定04实验原理光能并非如电磁波理论设想的分布在波阵面，而是集中于带频率（或波长）的光子上，频率为ν的光子能量E=hν（h为普朗克常量）。光子入射金属表面时，金属中的电子会一次性全部吸收其能量，无需积累；电子用部分能量克服金属表面吸引力，剩余能量成为其离开金属表面后的动能。光量子理论光电效应方程由式(11-1)可知，入射金属表面的光频率越高，逸出电子动能越大。故阳极电位低于阴极电位时仍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，此时可得阳极电位高于截止电压后，随其升高，光电流上升；阳极电压升至一定程度，光电流饱和，饱和光电流与入射光强度成正比。式(11-3)表明,截止电压U0

是频率ν的线性函数,直线斜率k=h/e。只要用实验方法得出不同的频率对应的截止电压,求出直线斜率,就可算出普朗克常量h。

式中,e为电子基本电荷;U0

为截止电压。当光子的能量hv0<A时,电子不能脱离金属,因而没有光电流产生。产生光电效应的最低频率(截止频率)是ν0=A/h。将式(11-2)代入式(11-1),可得光电效应实验仪主机实验基准平台光电效应实验仪05实验仪器光电效应实验仪由主机和实验基准平台等组成（图11-7）融合传统微观物理量探测与现代微机自动测控技术，模拟光电传感器全流程链路。图11-7光电效应实验仪1—光电效应实验仪主机2—实验基准平台图11-8光电效应实验仪主机面板有手动和自动两种工作模式,具有数据自动采集、存储,实时显示数据,动态显示采集曲线及采集完成后查询数据的功能。其面板如图11-8所示。由汞灯及汞灯电源、滤色片、光阑、光电管等构成,如图11-9所示。实验准备06内容与步骤仪器充分预热后，按“清零”按键自动调零，可进入“截止电压测量—手动模式”确认归零，实验数据采集过程中不可再调零。用专用连接线将光电管暗盒电压端与实验仪主机背后的“截止电压”端连接,红黑线与机箱对应接口连接。0304将汞灯暗盒的光输出口对准光电管暗盒的光输入口,调整入射距离L(光电管与汞灯的距离)为约40cm并保持不变。将实验基准平台和汞灯电源接通,盖上汞灯暗盒遮光盖和光电管暗盒遮光盖,预热20min。0102实验准备4321选择“手动模式”,进入手动测量界面。依次换上404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm的滤色片,重复以上测量步骤。选择“Φ4”光阑和“365.0nm”滤色片安装到光电管暗盒上,打开汞灯暗盒遮光盖,开始实验。此时电压表显示UAK

的值,单位为V;电流表显示与UAK

对应的电流值I。可用“调节旋钮”或“▲”“▼”键调节UAK

的值。从低到高调电压，观察电流变化，找电流为零时的UAK，以此作为对应波长的U0，记录于表11-1；为快速找U0，可从高到低调节，先定最高位，再顺次调低位。手动测量测量截止电压(普朗克常量h)06内容与步骤在主界面选择“截止电压测量(普朗克常量)”,进入截止电压测量界面。注意:更换滤色片或光阑时,应先用遮光盖挡住汞灯,更换好滤色片或光阑后,再取下遮光盖进行下一步实验。2(将“Φ4”光阑和“365.0nm”滤色片安装到光电管暗盒上,打开汞灯暗盒遮光盖,开始实验。)使用“▲”“▼”键选择相应序号的数据行,按下“OK”键,选择并确认,进入扫描参数设置界面。1返回上一菜单,选择“自动模式”,进入自动测量界面。3用“▲”“▼”键移动光标，设置扫描范围和步长：起始值低于终止值，单次电压跨度≤1V；步长可选2mV、4mV、8mV，建议选4mV或8mV。用“365.0nm”滤色片时，扫描范围设为-1.90~-1.50V。564扫描完成后，对应曲线栏显示“已存储”，按“▲”“▼”选该栏，按“OK”弹出“查看”“删除”选项：选“查看”可查看扫描电压、电流值，按“▲”“▼”翻页，读取电流为零的电压值并记录于表11-1；选“删除”并确认可删除该曲线。设好扫描起始、终止电压后，按“OK”键进入自动测量界面，按“开始/停止”键启动自动扫描，界面实时显示电压、电流并生成U-I曲线；扫描中可按“开始/停止”键停止扫描，已扫描数据存入对应序号存储栏。更换滤色片，选择新数据行，依次完成404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm滤色片扫描，对应扫描范围设为-1.60~-1.20V、-1.35~-0.95V、-0.80~-0.40V、-0.65~-0.25V。自动测量测量截止电压(普朗克常量h)06内容与步骤测量光电管的伏安特性曲线06内容与步骤回到主菜单,选择“伏安特性”实验,将光电管暗盒的电压端与实验仪主机背后的“伏安特性”端连接。选择“Φ4”光阑和“435.8nm”/“546.1nm”滤色片安装到光电管暗盒上,打开汞灯暗盒遮光盖,开始实验。可选择“手动模式”或“自动模式”并分别测量光电管的伏安特性,观察光电管的饱和特性曲线。手动模式下的电压扫描范围为-2~50V,电压可调;自动测量时,单个曲线的电压扫描范围同样可设置为-2~50V。步长为0.2V、0.5V和1V,可根据需要选择。自动测量界面的操作方式与测量截止电压实验的自动测量界面相同。可根据需要,进行以下几组实验:观察不同谱线在同一光阑、同一入射距离下的伏安饱和特性曲线。观察某条谱线在不同距离(即不同光强)、同一光阑下的伏安饱和特性曲线。观察某条谱线在不同光阑(即不同光通量)、同一入射距离下的伏安饱和特性曲线。由此可验证光电管饱和光电流与入射光的强度成正比。建议先1V自动扫描，观察电流上限是否溢出（高于500×10-11A），溢出则拉远光电管暗盒与汞灯距离后再扫描。记录所测UAK

和IM

的数据到表11-2中。在UAK

为35V时,将仪器设置为“手动模式”,测量并记录对同一谱线、同一入射距离,光阑分别为“Φ2”“Φ4”“Φ8”时对应的饱和光电流值于表11-3中,验证光电管的饱和光电流与入射光的强度成正比。123456在UAK

为35V时,将仪器设置为“手动模式”,测量并记录对同一谱线、同一光阑时,光电管与入射光在不同距离(如435.8nm、546.1nm)对应的饱和光电流值于表11-4中,同样验证光电管的饱和光电流与入射光的强度成正比。实验注意事项07注意事项02光电管在制作过程中阳极往往被污染,沾上少许阴极材料,入射光照射阳极或入射光从阴极反射到阳极之后都会造成阳极光电子发射。当UAK

为负值时,阳极发射的电子向阴极迁移构成了阳极反向电流。04极间接触电位差与入射光频率无关,只影响U0

的准确性,不影响U0-D直线的斜率,对测定h无影响。06实验过程中如需调零,需确认输出电压设置为0V后,再按下“清零”按键。在实验的过程中,若已完成部分数据采集后再按下“清零”按键,则需对前面的数据重新进行采集,否则将影响实验结果的准确性。01理论上,测出各频率的光照射下阴极电流为零时对应的UAK,其绝对值就是该频率的截止电压,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的影响,实测电流并非阴极电流,实测电流为零时对应的UAK也并非截止电压。03暗电流和本底电流是热激发产生的光电流与杂散光照射光电管产生的光电流,可以在光电管制作或测量过程中采取适当措施以减小或消除它们的影响。05测量各谱线截止电压U₀可采用零电流法，即把各谱线照射下电流为零时的电压UAK的绝对值作为U₀。该方法前提是阳极反向电流、暗电流和本底电流都很小，测得的U₀与真实值偏差小且各谱线偏差基本相同，对U₀-ν直线斜率及h的测量无大影响。08实验记录光阑孔Φ=

mm波长

λ/nm365.0404.7435.8546.1577.0频率

D/×1014Hz8.2147.4086.8795.4905.196截止电压

U0/V手动

自动

表11-1截止电压U0

与入射光频率ν的关系表11-2光电管伏安特性(Im-UAK)测量数据L=

mm435.8nmφ4UAK/V

Im/×10-13A

UAK/V

Im/×10-13A

546.1nmφ4UAK/V

Im/×10-13Am

UAK/V

Im/×10-13Am

注:表中记录的光电流Im是由实验仪主机内部的微电流放大器直接采集并实时显示的实测数据,其数量级为10-13A,后同。08实验记录UAK=

V,L=

mm435.8nm光阑孔

ΦΦ2Φ4Φ8IM/×10-11A

546.1nm光阑孔

ΦΦ2Φ4Φ8IM/×10-11A

表11-3饱和光电流IM与光阑孔径Φ的关系表11-4饱和光电流IM与入射距离L的关系UAK=

V,Φ=

mm435.8nm入射距离

L

IM/×10-11A

546.1nm入射距离

L

IM/×10-11A

光电效应实验数据分析09数据分析普朗克常量计算由表11-1的实验数据,

得出U0-ν直线的斜率k,然后用h=ek求出普朗克常量(式中e=1.602×10-19C),再与h的公认值h0

比较求出相对误差E=(h-h0)/h0(式中h0=6.626×10-34J·S)。1伏安特性曲线分析表11-2中的数据,绘制光电管的伏安特性曲线。2光强对饱和光电流的影响分析表11-3的数据,讨论饱和光电流IM

与光阑孔径Φ(即入射光的强度)之间的变化关系,总结光强对饱和光电流的影响。3光照距离对饱和光电流的影响分析表11-4的数据，探讨饱和光电流IM

与入射距离L的关系,分析光照距离的改变