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1、南昌大学物理实验报告,课程名称： 普通物理实验（2）,1,实验名称： 光电效应测普朗克常量,学院： 专业班级：,学生姓名： 学号：,实验地点： 座位号：,实验时间：,一、实验目的： 1、研究光电管的伏安特性及光电特性。 2、比较不同频率光强的伏安特性曲线与遏制电压。 3、了解光电效应的规律，加深对光的量子性的理解。 4、验证爱因斯坦光电效应方程，并测定普朗克常量 h。 二、 实验仪器： YGD-1 普朗克常量测定仪（内有 75W 卤钨灯、小型光栅单色仪、光电管 和微电流测量放大器、A/D 转换器、物镜一套）,图（1） 1电流量程调节旋钮及其量程指示； 2光电管输出微电流指示表；,3光电管工作电
2、压指示表； 5光电管工作电压调节（粗调）；,7光电管工作电压转换按钮;,9滤色片，光阑（可调节）总成；,11汞灯电源箱；,4微电流指示表调零旋钮； 6光电管工作电压调节（细调）； 8光电管暗箱； 10档光罩； 12汞灯灯箱。,三、 实验原理： 光电效应的实验示意图如图 1 所示，图中GD 是光电管，K 是光电管阴极，A 为光电管阳极，G 为微电流计，V 为电压表，E 为电源，R 为滑线变阻器，调节R 可以得到实验所需要的加速电位差U AK 。光电管的A 、K 之间可获得从 U 到0 再到 U 连续变化的电压。实验时用的单色光是从低压汞灯光谱中用干涉滤色 片过滤得到，其波长分别为： 365nm
3、, 405nm , 436nm , 546nm , 577nm 。无光 照阴极时，由于阳极和阴极是断路的，所以G 中无电流通过。用光照射阴极时， 由于阴极释放出电子而形成阴极光电流（简称阴极电流）。加速电位差U AK 越大， 阴极电流越大，当U AK 增加到一定数值后，阴极电流不 再增大而达到某一饱和 值IH ，IH 的大小和照射光的强度成正比（如图 2 所示）。加速电位差U AK 变为负 值时，阴极电流会迅速减少，当加速电位差U AK 负到一定数值时，阴极电流变为 “ 0 ”，与此对应的电位差称为遏止电位差。这一电位差用Ua 来表示。Ua 的大 小与光的强度无关，而是随着照射光的频率的增大而
4、增大（如图 3 所示）。 1、饱和电流的大小与光的强度成正比。,2,2、光电子从阴极逸出时具有初动能，其最大值等于它反抗电场力所做的功，,即：,a,2,1 mv 2 e U,因为U a ，所示初动能大小与光的强度无关，只是随着频率的增大而增 大。U a 的关系可用爱因斯坦方程表示如下：,ee,U,a, h, W（2）,1234,实验时用不同频率的单色光 , , , ,.照射阴极，测出相对应,a1a2a3a4,的遏止电位差U, U, U, U,.,a,，然后画出U 图，由此图的斜,率即可以求出h 。 如果光子的能量h W 时，无论用多强的光照射，都不可能逸出光电子。与 此相对应的光的频率则称为阴
5、极的红限，且用 0( 0 W / h)来表示。实验时可 以从U a 图的截距求得阴极的红限和逸出功。本实验的关键是正确确定遏止 电位差，画出U a 图。至于在实际测量中如何正确地确定遏止电位差，还必 需根据所使用的光电管来决定。下面就专门对如何确定遏止电位差的问题作简要 的分析与讨论。 遏止电位差的确定：如果使用的光电管对可见光都比较灵敏，而暗电流也很 小。由于阳极包围着阴极，即使加速电位差为负值时，阴极发射的光电子仍能大 部分射到阳极。而阳极材料的逸出功又很高，可见光照射时是不会发射光电子的， 其电流特性曲线如图 4 所示。图中电流为零时的电位就是遏止电位差U a 。然而， 由于光电管在制造
6、过程中，工艺上很难保证阳极不被阴极材料所污染（这里污染 的含义是：阴极表面的低逸出功材料溅射到阳极上），而且这种污染还会在光电 管的使用过程中日趋加重。被污染后的阳极逸出功降低，当从阴极反射过来的散 射光照到它时，便会发射出光电子而形成阳极光电流。实验中测得的电流特性曲 线，是阳极光电流和阴极光电流迭加的结果，如图 5 的实线所示。由图 5 可见，,3,由于阳极的污染，实验时出现了反向电流。特性曲线与横轴交点的电流虽然等于 “ 0 ”，但阴极光电流并不等于“ 0 ”，交点的电位差U a 也不等于遏止电位差U a 。 两者之差由阴极电流上升的快慢和阳极电流的大小所决定。如果阴极电流上升越 快，阳
7、极电流越小，U a 与U a 之差也越小。从实际测量的电流曲线上看，正向电 流上升越快，反向电流越小，则U a 与U a 之差也越小。 由图5 我们可以看到，由于电极结构等种种原因，实际上阳极电流往往饱和 缓慢，在加速电位差负到U a 时，阳极电流仍未达到饱和，所以反向电流刚开始,饱和的拐点电位差U a 也不等于遏止电位差U a 。两者之差视阳极电流的饱和快慢 而异。阳极电流饱和得越快，两者之差越小。若在负电压增至U a 之前阳极电流 已经饱和，则拐点电位差就是遏止电位差U a 。总而言之，对于不同的光电管应 该根据其电流特性曲线的不同采用不同的方法来确定其遏止电位差。假如光电流 特性的正向电
8、流上升得很快，反向电流很小，则可以用光电流特性曲线与暗电流 特性曲线交点的电位差U a 近似地当作遏止电位差U a （交点法）。若反向特性曲线 的反向电流虽然较大，但其饱和速度很快，则可用反向电流开始饱和时的拐点电 位差U a 当作遏止电位差U a （拐点法）。 四、 实验内容： 1、测试前准备： 仪器连接：将FB807 测试仪及汞灯电源接通（光电管暗箱调节到遮光位置）， 预热20 分钟。调整光电管与汞灯距离约为40cm 并保持不变，用专用连接线将光 电管暗箱电压输入端与FB807 测试仪后面板上电压输出连接起来（红对红，黑对 黑）。将“电流量程”选择开关置于合适档位:测量截止电位时调到101
9、3 A ,做伏 安特性则调到1010 A (或1011 A )。测定仪在开机或改变电流量程后，都需要进行 调零。调零时应将装滤色片置于 “0”，旋转调零旋钮使电流指示为000.0 。,4,5,2、用FB807 实验仪测定截止电压、伏安特性： 由于本实验仪器的电流放大器灵敏度高，稳定性好，光电管阳极反向电流、 暗电流水平也较低，在测量各谱线的截止电压时，可采用零电流法（即交点 法），即直接将各谱线照射下测得的电流为零时对应的电压U AK 的绝对值作为截 止电压。此法的前提是阳极反向电流、暗电流和本底电流都很小，用零电流 法测得的截止电压与真实值相差较小；且各谱线的截止电压都相差对 曲 线的斜率无
10、大的影响，即对h 的测量不会产生大的影响。 测量截止电压： 工作电压转换按钮于释放状态，电压调节范围是： 2V 2V ，“电流量程” 开关应置于 1013 A 档。在不接输入信号的状态下对微电流测量装置调零。操 作方法是: 将暗盒前面的转盘用手轻轻拉出约3mm 左右，即脱离定位销,把4mm 的光阑标志对准上面的白点，使定位销复位。再把装滤色片的转盘放在挡光位， 即指示“ 0 ”对准上面的白点，在此状态下测量光电管的暗电流。然后把365nm 的滤色片转到窗口（通光口）,此时把电压表显示的U AK 值调节为 1.999V ；打 开汞灯遮光盖，电流表显示对应的电流值I 应为负值。用电压粗调和细调旋钮
11、， 逐步升高工作电压（即使负电压绝对值减小），当电压到达某一数值，光电管输 出电流为零时，记录对应的工作电压U AK ，该电压即为365nm 单色光的遏止电位。 然后按顺序依次换上 405nm , 436nm , 546nm , 577nm 的滤色片，重复以上测量 步骤。一一记录U AK 值。 测光电管的伏安特性曲线： 此时，将工作电压转换按钮按下，电压调节范围转变为： 2V 30V ，“电 流量程”开关应转换至 1010 A 档，并重新调零。其余操作步骤与“测量截止 电压”类同，不过此时要把每一个工作电压和对应的电流值加以记录，以便画出 饱和伏安特性曲线，并对该特性进行研究分析。 观察在同一
12、光阑、同一距离条件下 5 条伏安特性曲线。 记录所测U AK 及 I 的数据到表 2 中，在坐标纸上作对应波长及光强的伏安特性曲 线。 观察同一距离、不同光阑（不同光通量）、某条谱线在的饱和伏安特性曲 线。 测量并记录对同一谱线、同一入射距离，而光阑分别为2mm , 4mm , 8mm 时对应 的电流值于表3 中，验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比。 观察同一光阑下、不同距离（不同光强）、某条谱线在的饱和伏安特性曲 线。 在U AK 为30V 时，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 300mm , 350mm , 400mm 等对应的电流值于表4 中，同样可以
13、验证 光电管的饱和电流与入射光强成正比。 五、 实验数据及数据分析处理： 由表 1 的实验数据，画出 图，求出直线的斜率，即可用 = ,求,0,出普朗克常数，把它与公认值 比较，求出实验结果的相对误差E =,0,( ),0,，,式中常数 = 1.602 1019，0 = 6.626 1034 。 表 1： ,拟合后的 图, = 0.3905 1014/ = = 6.2558 1034 ,0,相对误差 = |0| = 5.59%,6,表 2：伏安特性曲线（2、577nm）,拟合后的 图,六、 思考题： 1、测定普朗克常量的关键是什么？怎样根据光电管的特性曲线选择适宜的 测定遏止电动势的方法。 答
14、： 2、从遏止电动势与入射光的频率的关系曲线中，你能确定阳极材料的逸 出功吗？ 答： 3、本实验存在哪些误差来源？实验中如何解决这些问题？ 答：在用光电效应测定普朗克常量的实验中的误差来源主要来自单色光 不够严格以及阴极光电流的遏止电势差的确定，而影响阴极光电流遏止 电势差确定的主要因素有光电管的阳极光电流和光电流的暗电流。在实,7,8,验中主要通过分析阳极光电流和暗电流的特点(阳极光电流在反向区域 几乎呈饱和状态,而暗电流很小,且电流随电压线性变化，它们均对阴极 光电流在 Uc 显著拐弯的性质无影响)，在实验中通过对实际光电流测定, 找到曲线拐点的方法来精确地求得 Uc 的。 单色光的获得尽可能用精度较高的单色仪获得,而不用滤色(片)的方法获得；此 外应尽量减小反射到阳极的散射光，适当提高光电管的真空度以及二电极之间的距 离，以减小暗电流的大小 七、 原始数据：,
