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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ho【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壬移构成光电流，改变外加电压 LAk,测量出光电流I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：(图1实验原理图强时光电萤的伏安的伏安特性的理尤领奉的美至阳1 )对 应于 某一 频率， 光电 效应的I- LAk 关系 如图2 所示。从图中可见，对一定白频率，
2、有一电压U0,当LAk三5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UAK U0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。 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U火频率 ？的关系如图4所示,10与？成正比。当入射光频率低于某极限值?0 ,在开始照射后立?0 (?0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，只要频率大于一.、 一 -9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
3、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，爱因斯坦提出了着名的光电效应方程：?= 2?02+?（1）式中，A为金属的逸出功，1?02为光电子获得的初始动能。 20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
4、极电位低于截止电压，光电流才为零，此时有关系：e?o= ；?02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，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 ?oA寸，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？?o=A/h。将（2）式代入（1）式可得：e?o = ?- ?（3）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，
5、求出直线斜率，就可算出普朗克常数ho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 40cmn呆持不变。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
6、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“丫”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”，“丫衰减”旋钮拨至约“1V/格”，“扫描时间”旋钮拨至约 20 d s/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“K，纵轴代表电流。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1013A当。1） 手动测量使“手动/自动”模式键处于手动模式。将直径4mmi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
7、压表显示ua群值，单位为伏；电流表显示与 以应的电流值I,单位为所选择的“电流量程”。 用电压调节键 -、一、T、J可调节 Ux曲值，-、一键用于选择调节位，3 J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 ,以其绝对值作为该波长对应的 U0的值，并将数据记于表1中。为尽快找到U0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
8、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“K ,以其
9、绝对值作为该波长对应的 U的值，并将数据记于表1中。表1 Uo ?关系光阑孔二mm波长入i(nm)频率? ( x1014 Hz)截止电压U0i(V)手动自动按“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UaM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10-10 A档，并重新调零。将直径4mm勺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 -
10、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UakR 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Uak* 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对应的电流值于数据记录表中。在“西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的数据如下表所示：U0与？?0关系数据
11、记录表光缆孔 4mm波长 i /nm频率i /( 1014)截止电压U0i/V由实验数据得到的截止电压 U0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e?0= ?. ?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Sb 0.013945 ,则可知所求的普朗克常量h的不确定度为：测得的普朗克常量h与公认值h0的相对误差为：实验得到的普郎克常数为：h (6.0 0.7) 10 34J so(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=400mmt阑4nnr)数据记录为：I Uak关系-101234
12、5678901011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647484950对于的滤色片，入射距离 L=400mmt阑4nnr）数据记录为:I U AK关系-101234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647484950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:一 波长为435.8nm -波长为546.1nm-10-5 0102030405060阴极电流为零
13、时对应电压V/v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,8mW对应的电流值，数据记录表如下：Im p关系光阑孔2mm4mm8mm光阑孔2mm4mm8mm由实验数据得到饱和光电流与光阑面积的关系曲线如下:光阑面积S/(mmA2)波长为435.8nm 波长为546.1nm00000 0 000 642086421 1 1 1A_nwl -AOHZ流电光和饱饱和光电流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
