光电效应与普朗克常数的测量

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1、物理实验报告实验名称： 光电效应与普朗克常数的测量学院：XXX 专业班级：XXX学号：XXX学生姓名：XXX实验成绩预习题(一空一分，共 10 分)1. (单选题)某单色光照射某金属时不能产生光电效应,则下述措施中可能使该 金属产生光电效应(C)A. 延长光照时间B. 增大光的强度C. 换用波长较低的光照射D. 换用频率较低的光照射2. (单选题)用绿光照射一光电管,能产生光电效应.欲使光电子从阴极逸出时的 最大初动能增大,应 (D)A. 改用红光照射B. 增大绿光的强度C. 增大光电管上的加速电压D. 改用紫光照射3. (单选题)光电效应仪的光电管暗盒的入光口处(C)A. 可以直接入射汞灯光

2、线B. 可以直接入射自然光C. 必须加盖遮光盖或者滤光片或者透光片D. 没有特殊要求4. (单选题)在实验中，滤光片波长越长，饱和电流的值越来越小,原因是(A)A. 波长越长,光子能量越小B. 波长越长,光子能量越大C. 波长越长,光强越小D. 波长越长,光强越大5. (填空题)光电子的初动能与入射光(A)呈线性关系，而与入射光的(B)无关A：频率B :强度C :加速电压值D :材料6. (填空题)光电流随加速电位差U的增加而(E)，加速电位差增加到一定量 值之后，光电流强度达到饱和值I，I与(A)成正比，而与入射光的(B)无关。A：频率B：光强C：加速电压D：材料E:增加F:减少7. (判断

3、题)在光电效应实验中，光照越强，光电子初动能越大，因而遏止电压 越高(B)。A: 正确 B: 错误波长久(nm)365.0404.7435.8546.1577.0频率 v(x1014Hz)8.2147.4086.8795.4905.196截止电压U (V)-10-1.62-1.18-0.92-0.33-0.22截止电压U (V)-20-1.62-1.19-0.93-0.33-0.23截止电压U (V)-30-1.61-1.20-0.92-0.32-0.20平均U0-1.61667-1.19-0.92333-0.32667-0.21667（内容包括名称，目的，仪器，原理，内容，数据处理，误差计算

4、及分析，注意事项）一、实验名称光电效应与普朗克常数的测量二、实验目的:1、通过实验深刻理解爱因斯坦的光电效应理论,了解光电效应的基本规律2、掌握用光电管进行光电效应研究的方法3、学习对光电管伏安特性曲线的处理方法,并用以测定普朗克常数4、了解光电效应基本规律，并用光电效应方法测量普朗克常量和测定光电管的光电特 性曲线三、实验仪器光电管,光源（汞灯）滤波片组（577.0nm,546.1nm,435.8nm,404.7nm,365nm 滤波片,50%、25%, 10%的透光 片）光电效应测试仪包括：直流电源、检流计（或微电流计）、直流电压计等。四、实验原理当光照在物体上时,光的能量仅部分地以热的形

5、式被物体吸收,而另一部分则转换为物 体中某些电子的能量,使电子逸出物体表面,这种现象称为光电效应, 逸出的电子称为光 电子。在光电效应中,光显示出它的粒子性质,所以这种现象对认识光的本性,具有极其重 要的意义。光电效应实验原理如图1所示。其中S为真空光电管，K为阴极，A为阳极。当无光照射阴极时，由于阳极与阴极是断路，所以检流计G中无电流流过，当用一波长比较短的单色光照射到阴极K上时，形成光电流，光电流随加速电位差U变化的伏安特性曲线如图2所示。光电流随加速电位差U的增加而增加，加速电位差增加到一定量值后，光电流达到饱和 值 ，饱和电流与光强成正比2.光电子的初动能与入射光频率之间的关系光电子从

6、阴极逸出时，具有初动能。当U=UA-UK为负值时，光电子逆着电场力方向由K 极向A极运动，随着U的增大，光电流迅速减小，当光电流为零，此时的电压的绝对值称 为遏止电位差Ua。在减速电压下，当U=Ua时，光电子不再能达到A极，光电流为零。所以电子的初动能 等于它克服电场力所作的功。即= eUa根据爱因斯坦关于光的本性的假设，光是一种微粒，即为光子。每一光子的能量为&=h v,其中h为普朗克常量，v为光波的频率。所以不同频率的光波对应光子的能量不同。光 电子吸收了光子的能量hv之后，一部分消耗于克服电子的逸出功A，另一部分转换为电子 初动能。由能量守恒定律可知式(2)称为爱因斯坦光电效应方程。由此

7、可见，光电子的初动能与入射光频率 成线性关系，而与入射光的强度无关。3.光电效应有光电阈存在由(2)式可知，只有光子的能量hv大于等于逸出功A时，光电子才能有初动能，才会产 生光电效应，即当光的频率vvO时，不论用多强的光照射到物质都不会产生光电效应，其 中vO=A/h,称为截止频率(又称红限)。不同的金属材料的逸出功A不同，因而截止频率 也不同。爱因斯坦，光电效应方程同时提供了测普朗克常量的一种方法：由式(1)和(2) 可得： hv=e I Ua I +A。当用不同频率(vl,v2,v3,.,vn)的单色光分别做光源时，就有h 嘗=总 11711 + Ahv2 = eU2 + Ah 吗=eU

8、n +A用线性拟合由Ua-v直线的斜率求出ho因此，用光电效应方法测量普朗克常量的关键在于获得单色光、测得光电管的伏安特性 曲线和确定遏止电位差值。实验中，单色光可由水银灯光源经过单色仪选择谱线产生。水银灯是一种气体放电光源， 点燃稳定后，在可见光区域内有几条波长相差较远的强谱线，如表1所示。单色仪的鼓轮读 数与出射光的波长存在一一对应关系，由单色仪的定标曲线，即可查出出射单色光的波长(有 关单色仪的结构和使用方法请参阅有关说明书)，也可用水银灯(或白炽灯)与滤光片联合 作用产生单色光。为了获得准确的遏止电位差值，本实验用的光电管应该具备下列条件：表1可见光区汞灯强谱线波 LSnni频率时耘颜

9、色579.05. 179黄577.05. 198黄54fi. 15. 492绿535.86. 382蓝404. 77.410紫365. 08. 216近紫外(1) 对所有可见光谱都比较灵敏。(2) 阳极包围阴极，这样当阳极为负电位时，大部分光电子仍能射到阳极。(3) 阳极没有光电效应，不会产生反向电流。(4) 暗电流很小。但是实际使用的真空型光电管并不完全满足以上条件。由于存在阳极光电效应所引起的 反向电流和暗电流(即无光照射时的电流)，所以测得的电流值，实际上包括上述两种电流 和由阴极光电效应所产生的正向电流三个部分，所以伏安曲线并不与U轴相切。由于暗电流 是由阴极的热电子发射及光电管管壳漏

10、电等原因产生，与阴极正向光电流相比，其值很小 且基本上随电位差U呈线性变化，因此可忽略其对遏止电位差的影响。阳极反向光电流虽 然在实验中较显著，但它服从一定规律。据此，确定遏止电位差值，可采用以下两种方法(1)交点法： 光电管阳极用逸出功较大的材料制作，制作过程中尽量防止阴极材料蒸发， 实验前对 光电管阳极通电，减少其上溅射的阴极材料，实验中避免入射光直接照射到阳极上，这样可使它的反向电流大大减少，其伏安特性曲线与图2十分接近， 因 此曲线与U轴交点的电位差近似等于遏止电位差，此即交点法。(2)拐点法光电管阳极反向光电流虽然较大，但在结构设计上，若是反向光电流能较快地饱和，则伏安特性曲线在反向

11、电流进入饱和段后有着明显的拐点，如图3所示， 此拐点的电位差即为遏止电位差。匸脚h :五i山一沖伏左打卄曲理五、实验内容通过实验了解光电效应的基本规律，并用光电效应法测量普朗克常量。在 577.0nm、546.1nm、435.8nm、404.7nm 四种单色光下分别测出光电管的伏安特性曲 线，并根据此曲线确定遏止电位差值，计算普朗克常量。本实验所用仪器有：光电管、单色仪(或滤波片)、水银灯、检流计(或微电流计)、 直流电源、直流电压计等，接线电路图如图4 所示。实验中提供的光电效应测试仪，除光电 管S外，线路已连接好。实验中光电流比较微弱，其值与光电管类型，单色光强弱等因素有关，因此应根据实际

12、情况选用合适的测量仪器。例如，选用GD-4、GD-5、或1977型光电管，选用的检流计的 分度值应在10(-8 )1O(-9)A/分度左右。如果要测量更微弱的电流可用微电流计，可测 量 10(-8)1O(-9)A 的电流。由于光电管的内阻很高，光电流如此之微弱，因此测量中要注意抗外界电磁干扰。并避 免光直接照射阳极和防止杂散光干扰。作Ua-v的关系曲线，用一元线性回归法计算光电管阴极材料的红限频率、逸出功及h 值，并与公认值比较。测定光电管的光电特性曲线，即饱和光电流与照射光强度的关系，实验室提供有透光率 50%, 25%，10%的滤光片，请用577.0nm波长为光源，在光电管、光源位置固定时

13、，测光电 管的正向伏安特性曲线，验证饱和电流与光强关系。本实验所用仪器有：光电管、滤波片、滤光片、水银灯、检流计(或微电流计)、直流 电源、直流电压计等六、实验数据波长久(nm)365.0404.7435.8546.1577.0频率 v(x1014Hz)8.2147.4086.8795.4905.196截止电压U (V)-10-1.62-1.18-0.92-0.33-0.22截止电压U (V)-20-1.62-1.19-0.93-0.33-0.23截止电压U (V)-30-1.61-1.20-0.92-0.32-0.20平均U0-1.61667-1.19-0.92333-0.32667-0.2

14、1667七、实验数据处理及误差计算截止电压与光频率的关系曲线光的频率x wA14Hz 1I3i45.0：-QA-0.5-0.B-1.2-1A-1.&-1.86789由eU0=hv+A得上述直线的斜率的h/e,则普朗克常量为:h=0.4596X(10(14)X1.602X(10 (-19) J s=7.3X(10(34) )Js由11y 4 N 2不确定度Sb=0.01456U(Y),Sb=kxa得最小二乘法求得的斜率的则可知所求的普朗克常量h的不确定度为【打-机几叫那 . 1.602X (10(19) )J sX3.18X0.01456=0.74X (1O(34)J s 测得的普朗克常量h与公认值h0的相对误差为：E=(h-h0)/h0=0.102实验得到的普郎克常数为:h=(7.30.74)X(10(-34) Js八、思考题1. 测定普朗克常数的关键是什么？怎样根据光电管的特性曲线选择合适的测定遏止电压的 方法。关键在于获得单色光、测得光电管的伏安特性曲线和确定遏止电位差值。2. 本实验存在哪些误差来源？实验中如何解决这些问题？