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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
