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1、大学物理实验2之光电效应法测普朗克常量1. 历史背景历史背景1.1 1.1 光的本性之争：光的本性之争：光的微粒说光的微粒说光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所组成的粒子流，发光物体接连不光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所组成的粒子流，发光物体接连不断地向周围空间发射高速直线飞行的光粒子流，一旦这些光粒子进入人的断地向周围空间发射高速直线飞行的光粒子流，一旦这些光粒子进入人的眼睛，冲击视网膜，就引起了视觉眼睛，冲击视网膜，就引起了视觉1. 1. 历史背景历史背景伽桑狄（伽桑狄（Pierre Gassendi，1592-1655）1660年年艾萨克艾萨克牛顿（牛顿（Isaac Newton，1
2、642-1726）1675年年成功解释成功解释：(1)光的直线传播规律、光的直线传播规律、(2)光的反射与折射光的反射与折射不能解释不能解释：(1)光束的独立传播、光束的独立传播、(2)光束可绕过障碍物的边缘拐弯传播光束可绕过障碍物的边缘拐弯传播代表人物：代表人物：1. 历史背景历史背景1.2 1.2 光的本性之争：光的本性之争：光的波动说光的波动说代表人物：代表人物：惠更斯认为：光是一种机械波，由发光物体振动引起，依靠一种特殊的叫惠更斯认为：光是一种机械波，由发光物体振动引起，依靠一种特殊的叫做做“以太以太”的弹性媒质来传播的现象。的弹性媒质来传播的现象。赫兹通过实验证实：证明电磁波确实同光
3、一样，能够产生反射、折射、干赫兹通过实验证实：证明电磁波确实同光一样，能够产生反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象。涉、衍射和偏振等现象。惠更斯（惠更斯（Christiaan Huygens，1629-1695）托马斯托马斯杨（杨（Thomas Young，1773-1829）菲涅耳（菲涅耳（Augustin-Jean Fresnel，1788-1827）傅科（傅科（Jean-Bernard-Lon Foucault，1819-1868）赫兹（赫兹（Heinrich Rudolf Hertz，1857-1894）提出光是提出光是“机械波机械波”完成光的干涉实验，证明光的波动性完成光的干涉实验，证
4、明光的波动性完成衍射实验，成功地演示了明暗相间的衍射图样完成衍射实验，成功地演示了明暗相间的衍射图样精确测量光速精确测量光速证明电磁波和光一样证明电磁波和光一样1. 历史背景历史背景1.3 1.3 光的本性之争：光的本性之争：光的波粒二象性光的波粒二象性波动学说致命威胁：波动学说致命威胁：（1）以太不存在：迈克尔逊）以太不存在：迈克尔逊莫雷实验莫雷实验（2）光电效应）光电效应解决之道：光的波粒二象性解决之道：光的波粒二象性爱因斯坦（爱因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）“光光同时又是波，又是粒子，是连续的，又同时又是波，又是粒子，是连续的，又是不连续的自然界喜欢矛盾是不
5、连续的自然界喜欢矛盾”德布罗意（德布罗意（Louis de Broglie，1892-1987）物质波理论：实物粒子也具有波动性，物质波理论：实物粒子也具有波动性，即和光一样，也具有波动即和光一样，也具有波动-粒子二象性。粒子二象性。1. 历史背景历史背景1.4 1.4 光的粒子性的重新解读：光电效应光的粒子性的重新解读：光电效应爱因斯坦（爱因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）赫兹（赫兹（Heinrich Rudolf Hertz，1857-1894）赫兹于赫兹于1887年发现光电效应年发现光电效应莱纳德用实验发现了莱纳德用实验发现了光电效应的重要规律光电效应的重要规律
6、菲利普菲利普莱纳德莱纳德（Philipp Eduard Anton von Lnrd，18621947）爱因斯坦则提出了正确的理论机制爱因斯坦则提出了正确的理论机制在赫兹的发射器里有一个火花间隙（spark gap），可以借着制造火花来生成与发射电磁波。在接收器里有一个线圈与一个火花间隙，每当线圈侦测到电磁波，火花间隙就会出现火花。由于火花不很明亮，为了更容易观察到火花，他将整个接收器置入一个不透明的盒子内。他注意到最大火花长度因此减小。为了理清原因，他将盒子一部分一部分拆掉，发现位于接收器火花与发射器火花之间的不透明板造成了这屏蔽现象。假若改用玻璃来分隔，也会造成这屏蔽现象，而石英则不会。经
7、过用石英棱镜按照波长将光波分解，仔细分析每个波长的光波所表现出的屏蔽行为，他发现是紫外线造成了光电效应。1. 历史背景历史背景1.5 1.5 普朗克常量及其测量普朗克常量及其测量用于计算黑体辐射强用于计算黑体辐射强度的瑞利金斯定律度的瑞利金斯定律在辐射频率趋向于无在辐射频率趋向于无穷大时计算结果和实穷大时计算结果和实验数据无法吻合的物验数据无法吻合的物理史事件。理史事件。紫外灾难紫外灾难马克斯马克斯普朗克（普朗克（Max Planck，18581947）只有假定电磁波的发射和吸收是只有假定电磁波的发射和吸收是一份一份地进行的，计算的结果一份一份地进行的，计算的结果才能和试验结果是相符。才能和试
8、验结果是相符。 能量子的概念能量子的概念h10-34Js1. 历史背景历史背景1.5 1.5 普朗克常量及其测量普朗克常量及其测量常用测量方法常用测量方法1. 黑体辐射直接计算法黑体辐射直接计算法2. 光电效应法光电效应法3. 射线连续谱短波限法射线连续谱短波限法4. X 射线原子游离法射线原子游离法5. X 射线光电效应法射线光电效应法6. 电子衍射法电子衍射法7. 康普顿波长移位法康普顿波长移位法8. 电子一正电子对湮没辐射法电子一正电子对湮没辐射法9. 交流约瑟夫森效应测量法交流约瑟夫森效应测量法10. 量子霍尔效应测量法量子霍尔效应测量法11. 通电动圈直接测测量法通电动圈直接测测量法
9、2. 实验目的实验目的通过测试光电效应基本特性曲线，进一步认识理解光的量子性；通过测试光电效应基本特性曲线，进一步认识理解光的量子性；测定五种不同频率的反向截止电压，截止电压与频率的线性关测定五种不同频率的反向截止电压，截止电压与频率的线性关系，求出系，求出红限红限频率；频率；验证爱因斯坦光电方程，求普朗克常数。验证爱因斯坦光电方程，求普朗克常数。2. 2. 实验目的实验目的3. 实验原理实验原理3.1 3.1 实验的相关现象和概念实验的相关现象和概念3. 3. 实验原理实验原理光电效应光电效应：光照射到金属表面时，有电子从：光照射到金属表面时，有电子从金属表面逸出的现象。金属表面逸出的现象。
10、光电子光电子：逸出的电子。：逸出的电子。光电流光电流：光电子由：光电子由K K飞向飞向A A，回路中形成光电流。，回路中形成光电流。V VG GA AK K+ +R RE E+ +光电效应实验原理图光电效应实验原理图3. 实验原理实验原理3.2 3.2 实验规律实验规律V VG GA AK K+ +R RE E+ +光电效应实验原理图光电效应实验原理图(1) 仅当仅当vv0（截止频率）时才发生光电效应，（截止频率）时才发生光电效应，截止频率与材料有关，但与入射光强无关。截止频率与材料有关，但与入射光强无关。(2) 截止电压截止电压U0 与入射光频率具有线性关系。与入射光频率具有线性关系。U0
11、n n 曲线曲线3. 实验原理实验原理3.2 3.2 实验规律实验规律V VG GA AK K+ +R RE E+ +光电效应实验原理图光电效应实验原理图(3) 在同一频率下，饱和光电流强度在同一频率下，饱和光电流强度Im 正比于正比于入射光强入射光强P。 同一频率同一频率, ,不同入射光强时不同入射光强时I IU UAKAK曲线曲线思考题：请自行建模推导，说明为什么电流会出现饱和，并分析影响饱和电流的因素。思考题：请自行建模推导，说明为什么电流会出现饱和，并分析影响饱和电流的因素。3. 实验原理实验原理3.2 3.2 实验规律实验规律V VG GA AK K+ +R RE E+ +光电效应实
12、验原理图光电效应实验原理图(4)光电效应是光电效应是瞬时效应瞬时效应。当光照射到金属表面。当光照射到金属表面时，几乎立即就有光电子逸出。时间小于时，几乎立即就有光电子逸出。时间小于10-9s。无法用波动学的无法用波动学的“受迫振动受迫振动”解释！解释！经典的电磁波动学说遇到困难经典的电磁波动学说遇到困难解决之道：量子力学！解决之道：量子力学！爱因斯坦的光子说成功解释光电效应实验爱因斯坦的光子说成功解释光电效应实验3. 实验原理实验原理3.3 3.3 爱因斯坦对光电效应的解释爱因斯坦对光电效应的解释光量子光量子：光束由：光束由光子光子构成，频率为构成，频率为v的光束，光子能量为的光束，光子能量为
13、E=hv。能量吸收量子化能量吸收量子化：当光子照到金属表面时，金属中的：当光子照到金属表面时，金属中的一个电子一次吸收且一个电子一次吸收且只能吸收一个光子只能吸收一个光子的能量，而不需积累能量的时间。的能量，而不需积累能量的时间。能量守恒能量守恒：电子把光子能量的一部分用来克服金属表面对电子束缚而作功：电子把光子能量的一部分用来克服金属表面对电子束缚而作功A，余下的就成为电子离开金属表面后的动能。余下的就成为电子离开金属表面后的动能。爱因斯坦的光电效应方程：爱因斯坦的光电效应方程：逸出功逸出功3. 实验原理实验原理3.3 3.3 爱因斯坦对光电效应的解释爱因斯坦对光电效应的解释关于爱因斯坦光电
14、效应方程的讨论：关于爱因斯坦光电效应方程的讨论：（1 1）当当hvA 时，时，vv0 ，电子立即逸出而不需时间积累。，电子立即逸出而不需时间积累。 同一频率下，饱和光电流强度同一频率下，饱和光电流强度Im 正比于入射光强正比于入射光强P。光电效应具有瞬时性。光电效应具有瞬时性。4. 实验器材实验器材4. 4. 实验器材实验器材 汞灯汞灯 滤光片（提供滤光片（提供5个波长）个波长） GDH-1型光电管型光电管 微电流放大测量仪微电流放大测量仪5. 操作步骤和要领操作步骤和要领5.1 5.1 安全注意事项安全注意事项 汞灯一旦开启，不要随意关闭。汞灯一旦开启，不要随意关闭。 本实验不必要求暗室环境
15、，但应避免背景光强的变化。本实验不必要求暗室环境，但应避免背景光强的变化。 实验过程中注意随时盖上汞灯的遮光盖，严禁让汞光不经过滤光片直接入实验过程中注意随时盖上汞灯的遮光盖，严禁让汞光不经过滤光片直接入射光电管窗口。射光电管窗口。 实验结束时应盖上光电管暗箱和汞灯的遮光盖！实验结束时应盖上光电管暗箱和汞灯的遮光盖！ 仪器不宜在强磁场、强电场、强振动、高温度、带辐射物质的环境下工作。仪器不宜在强磁场、强电场、强振动、高温度、带辐射物质的环境下工作。5. 5. 操作步骤和要领操作步骤和要领 仪器存放时应置于通风干燥处，加防尘罩。仪器存放时应置于通风干燥处，加防尘罩。5. 操作步骤和要领操作步骤和
16、要领5.2 5.2 实验装置布局实验装置布局实验前的准备实验前的准备（1）放置好仪器，用光窗盖分别盖住光电暗盒的光窗口和光源光窗口。接）放置好仪器，用光窗盖分别盖住光电暗盒的光窗口和光源光窗口。接通光源的电源开关，并预热通光源的电源开关，并预热10-30分钟。分钟。（2）将微电流测试仪与光电管暗盒之间的导线连接好，调节光源光窗口与）将微电流测试仪与光电管暗盒之间的导线连接好，调节光源光窗口与光电管暗盒光窗口等高，光电管暗盒的中间置于光电管暗盒光窗口等高，光电管暗盒的中间置于40cm为宜。为宜。5. 操作步骤和要领操作步骤和要领5.3 5.3 实验调节要领实验调节要领测量光电管伏安特性曲线测量光
17、电管伏安特性曲线（1）基本参数设置）基本参数设置 滤光片：滤光片：577nm；电压量程：；电压量程：-2V50V；电流量程：；电流量程：10-11A （2）光的强弱的设置）光的强弱的设置 强光：汞灯到光电管暗盒距离强光：汞灯到光电管暗盒距离30cm 弱光：汞灯到光电管暗盒距离弱光：汞灯到光电管暗盒距离40cm 5. 操作步骤和要领操作步骤和要领5.3 5.3 实验调节要领实验调节要领测量截止电压测量截止电压（1）基本参数设置）基本参数设置 滤光片滤光片：365nm365nm、405nm405nm、436nm436nm、546nm546nm和和577nm577nm五选五选一；一； 电压量程：电压
18、量程：-2V0V；电流量程：；电流量程：10-13A （2）截止电压的判断截止电压的判断实测光电管伏安特性曲线如右图。实测光电管伏安特性曲线如右图。实验中光电管中还伴有三个现象，实验中光电管中还伴有三个现象，反向电流反向电流、暗电流暗电流和和本底电流本底电流。曲。曲线的下部转变为直线，转变点线的下部转变为直线，转变点B(抬抬头点头点)对应的外电压值为对应的外电压值为截止电压截止电压。5. 操作步骤和要领操作步骤和要领可以采取下面的几种手段减小电流误差：可以采取下面的几种手段减小电流误差：a) a) 阳极选择脱出功很大的材料；阳极选择脱出功很大的材料；b) b) 优化结构使得入射光或其散射光难以
19、照射到阳极上；优化结构使得入射光或其散射光难以照射到阳极上；c) c) 提高两极之间的绝缘性能。提高两极之间的绝缘性能。满足这些条件后实验曲线逼近理论曲线，可以寻找满足这些条件后实验曲线逼近理论曲线，可以寻找实验曲线与实验曲线与U轴的交点作为截止电压轴的交点作为截止电压。寻找方法：交点法寻找方法：交点法a a）粗调电压至截止电压附近）粗调电压至截止电压附近b b）在截至电压附近范围内每测一次阳极）在截至电压附近范围内每测一次阳极电流，仔细找到电流为零时所对应的电电流，仔细找到电流为零时所对应的电压值压值 c c）根据这）根据这5 5组数据分析出零电流对应的组数据分析出零电流对应的电压电压6.
20、思考题思考题 做本实验时，如改变光电管上的照度，对做本实验时，如改变光电管上的照度，对I-V曲线有何影响？曲线有何影响？ 光电管阴极上均涂有脱出功小的光敏材料，而阳极则选脱出功大的金属制光电管阴极上均涂有脱出功小的光敏材料，而阳极则选脱出功大的金属制造，为什么？造，为什么？ 光只有照射到金属表面才可能发生光电效应吗？为什么？光只有照射到金属表面才可能发生光电效应吗？为什么？6. 6. 思考题思考题8. 实验数据记录及处理实验数据记录及处理8. 8. 实验数据记录及处理实验数据记录及处理8.1 8.1 测量截止电压测量截止电压表表1 测量截止电压数据记录表测量截止电压数据记录表 8. 实验数据记
21、录及处理实验数据记录及处理8.2 8.2 测量截止电压测量截止电压表表2 测量截止电压数据整理换算表测量截止电压数据整理换算表 要求：要求：（1）假设截止电压和入射光频率是一个线性关系：）假设截止电压和入射光频率是一个线性关系：Ua=kv+b, 通过最小二通过最小二乘法求出斜率乘法求出斜率k和截距和截距b。计算中请写出详细过程并带入具体数据。计算中请写出详细过程并带入具体数据。（2）通过此斜率）通过此斜率k计算出普朗克常量计算出普朗克常量h。计算。计算h与公认值比较的相对误差。与公认值比较的相对误差。（3）根据截距）根据截距b计算出金属的脱出功计算出金属的脱出功A。并查阅实验所用的活性金属材料的。并查阅实验所用的活性金属材料的脱出功进行比较，给出相对误差。脱出功进行比较，给出相对误差。8. 实验数据记录及处理实验数据记录及处理8.2 8.2 测量光电管伏安特性曲线测量光电管伏安特性曲线表表3 测量光电管伏安特性曲线记录表测量光电管伏安特性曲线记录表 要求：要求：（1）在坐标纸上绘制五条不同频率入射光照射下光电管）在坐标纸上绘制五条不同频率入射光照射下光电管I-U曲线。曲线。（2）在坐标纸上绘制）在坐标纸上绘制577nm光在不同光强下（光在不同光强下（30cm、40cm）的伏安特性曲线。）的伏安特性曲线。谢谢！
