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1、光电效应【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) 测量普朗克常量h。【实验仪器】3址电泠百阜庫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。1汞灯电源2汞幻 3滤色片4尤阑團5 仪器蛭构密【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 M：尸，测量出光电流|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-.匚 关系如图2所示。从图中可见，对一定的频率， 有一
2、电压U0,当一时，电流为零，这个相对于阴极的负值的阳极电压U0,被称为截止电压。(2) 当J：诃后，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成正比。(3) 对于不同频率的光，其截止电压的值不同，如图3所示。(4) 截止电压U0与频率的关系如图4所示，馬口与成正比。当入射光频率低于某极限值隔严(:随不同金属而异)时，不论光的强度如何，照射时间多长，都没有光电流产 生。(5) 光电效应是瞬时效应。即使入射光的强度非常微弱，只要频率大于:，在开始照射后立即有光电子产生，所经过的时间至多为-一秒的数量级。按照爱因斯坦的光量子理论，光能并不像电磁波理论所想象的那样，分布在波阵面上
3、，而是集中在被称之为光子的微粒上，但这种微粒仍然保持着频率(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。当光子照射到金属表面上时，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分用来克服金属表面对它的吸引力，余下的就变为电子离开金属表面后的动能，按照能量守恒原理， 爱因斯坦提出了著名的光电效应方程:局=-mV + A(1)1 2式中，A为金属的逸出功，:卫匸迪为光电子获得的初始动能。由该式可见，入射到金属表面的光频率越高， 逸出的电子动能越大， 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
4、零，此时有关系：（ 2）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程度，已把阴极发射的光 电子几乎全收集到阳极，再增加他邀时I不再变化，光电流出现饱和，饱和光电流 -.的大小与入射光的强度P成正比。光子的能量b舉:；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）是呵=A/h o将式代入式可得：卞.2 止（3）此式表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，就可算出普朗克常数h 爱因斯坦的光量子理论成功地解释了光电效应
5、规律。【实验步骤】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并保持不变。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，且必须断开连线的实验仪一端。 旋转“调零”旋钮使电流指示为000.0。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。如果要动态显示采集曲线，需将实验仪的“信号输出”端口接
6、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 Q/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 :测量截止电压时，“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- A档。1）手动测量 使“手动/自动”模式键处于手动模式。 将直径4mm的光阑及365.0nm的滤色片装在光电管暗盒光输入口上，打开汞灯遮光盖。此时电压表显示期心妙的值，单位为伏；电流表显示与对应的电流值I,
7、单位为所选 择的“电流量程”。用电压调节键可调节 E興的值键用于选择调节位， 键用于调节值的大小。 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 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 , 546.1 nm , 404.7 nm 的滤色片，重复以上测量步 骤。2）自动测量 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，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
8、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。 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 叫氏聽，以其绝对值作为该波长对应的 U的值
9、，并 将数据记于表1中。表1U 0 关系光阑孔=mm波长入i( nm)365.0404.7435.8546.1577.0频率爲(X1B Hz)8.2147.4086.8795.4905.196截止电压手动g(v)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 帖丁秋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，并重新调零。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“手动/
10、自动”两种模式之一，测量的最大范围为-150V。手动测量时每隔0.5V记录一组数据，自动测量时步长为1V。记录所测匚及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。 在山剧乂为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、光阑分别为2mm,4mm,8mm时对应的电流值于数据记录表中。 在-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
11、的数据如下表所示：M与，关系数据记录表光缆孔 4mm波长 i /nm365.0404.7435.8546.1577.014频率i /( 10 )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 U 0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翻 M小卅-可知，上述直线的斜率为-，则普朗克常量为：e141914h 0.3746 101.602 10 J s 6.0 10 J s而由最小二乘法的得到的斜率的标准差为Sb 0.013945，则可知所求的普朗克常量h的不确定度为：Uh
12、eUb et0.95(3) sb 1.602 10 193.18 0.013945 10 140.7 10 34 J s测得的普朗克常量 h与公认值h。的相对误差为：lh h。6.0 10 34 J s 6.626 10 34 J s E0方0.094h06.626 10 34 J s实验得到的普郎克常数为：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，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：I Uak关系Uak/V-10123456789I /( 10 10 A)01.52.74.1
13、6.37.58.610.211.813.614.8Uak/V1011121314151617181920I /( 10 10 A)15.917.018.119.219.520.321.121.522.422.923.6Uak/V2122232425262728293031I /( 10 10 A)24.024.725.325.826.326.627.127.227.828.228.5Uak/V3233343536373839404142I /( 10 10 A)28.829.029.429.730.130.330.530.831.131.131.4Uak/V4344454647484950I /( 10 10 A)31.631.832.132.632.833.233.333.4对于546.1 nm 的滤色片，入射距离 L=400mm,光阑4nm，数据记录为:I Uak关系Uak/V-10123456789I/( 10 10 A)-0.40.41.32.23.34.14.65.25.76.67.0Uak/V1011121314151617181920I /( 10 10 A)7.07.27.68.18.38.48.79.09.29.49.6Uak/V2122232425262728293031I /( 10 10 A)9.810.01
