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1、【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】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。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。 AK光电效应的基本实验事实如下:(从图中可见,对一定的频率,有一电压uo,当uAKwuo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UAKMU0后,I迅速增加,然
2、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,Uo与成正比。当入射光频率低于某极限值0 ( o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。即有光电子产生,所经过的时间至多为10-9 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,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=2o2+1)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
3、,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,爱因斯坦提出了着名的光电效应方程:02为光电子获得的初始动能。1式中,A为金属的逸出功,2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,光电流才为零,此时有关系:e 0 = 202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U 时I不再变化
4、,光电流出现饱和,饱和光电流I 的大小与入射光 的强度p成正比。光子的能量h 0A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0=A/h。将(2)式代入(1)式可得:e o =-此式表明截止电压0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
5、输出端(后面板上)连接起来 (红红,蓝蓝)。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。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“IV/格”,“扫描时间”旋钮拨至约“20us/格”。此时示波器将用轮流扫描的方式显示5个存
6、 储区中存储的曲线,横轴代表电压uak,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10T3A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 uak的值,单位为伏;电流表显示与JAK对应的电流值I,单位为所选择的“电流量程”。用电压调节键 -、一、f、(可调节UAK的值,一、一键用于选择调节位,f、(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UAK,以其 绝对值作
7、为该波长对应的U0的值,并将数据记于表1中。为尽快找至|JUO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nm, nm, 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
8、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U ,以其绝对值作为该波长对应的u的值,并AK将数据记于表1中。表1 U0 关系光阑 孑L二mm下一次测量。将仪器与示波器连接,可观察到U为负值时各谱线在选定的扫AK 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
9、 状态。“电流量程”开关应拨至10-10 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/自动”两种模式之一,测量的最大范围为-1 50V。手动测量时每隔记录一组数据,自动测量时步长为1V。记录所测u及AKI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IV)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U为50V时,将仪器设置为手动模式,测量记录同一谱线、同一入AK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。
10、在U为50V时,将仪器设置为手动模式,测量并记录同一谱线、同一AK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 实验中测得的数据如下表所示:u0与关系数据记录表光缆孔二4mm波长九/nm频率V /(X1014)截止电压Uo/V由实验数据得到的截止电压U。与光频率的关系如下图所示:024681241 1 - - - - - - 电止截-1.6-1.8-2光的频率Vi/(10J4Hz)123456截止电压与光频率的关系曲线由e =- 可知,上述直线的斜率为h,则普朗克常量为:e而由最小二乘法的得到的斜率的标准差为s二0.013945,则可知所求的普朗克b常量h
11、的不确定度为:测得的普朗克常量h与公认值h的相对误差为:0实验得到的普郎克常数为:h二(6.0土 0.7) x 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:对于的滤色片,入射距离L=400mm,光阑4nm,数据记录为:I - U 关系AK-1012345678901011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647484950对于的滤色片,入射距离L=400mm,光阑4nm,数据记录为:1 %关系-1012345678910111213141516
12、17181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647484950由实验得到的数据绘制出的两种波长及光强的伏安特性曲线如下:+波长为435.8nm t波长为546.1nm不同波长及光强下的伏安特性曲线(3) 由于照到光电管上的光强与光阑面积成正比,用中数据验证光电管 的饱和光电流与入射光强成正比;同样用中数据验证光电流与入射光强成正比。对于实验:在uak%50V时,将仪器设置为手动模式,测量记录同一谱AK线、同一入射距离、光阑分别为 2mm,4mm,8mm 时对应的电流值,数据记录表如下:IM -卩关系光阑孔2 mm4mm8
13、mm光阑孔2 mm4mm8mm由实验数据得到饱和光电流与光阑面积的关系曲线如下:流电光和饱*波长为435.8nm 波长为546.1nmo O6 4o o o o o o O2 0 8 6 4 21X 1X4060光阑面积S/(mm 2)饱和光电流I与光阑面积S的关系曲线图由图可知,饱和光电流I与光阑面积S在入射光波长不变时成正比例关 系,而光强又与光阑面积成正比,从而验证了光电管的饱和电流与入射光强 成正比。对于实验,在UAK 50V时,将仪器设置为手动模式,测量并记录同一AK谱线、同一光阑、不同入射距离时对应的电流值,来验证光电流与入射光强 成正比。数据记录表如下:I P 关系M入射距离 L/mm200250300350400入射距离 L/mm200250300350400对于光阑面积S不变时,由于入射距离的变化,使同一波长光的光强发生改变。尝试将光源看做点光源,其发出的光为球状,则一定距离处的光强与距离的平方成反比,与距离的平方分之一成正比。若要验证光电流与入射5