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1、实验实验-20 -20 光电效应光电效应制作：周嘉萍制作：周嘉萍一一. .实验原理实验原理二二. .爱因斯坦的解释爱因斯坦的解释三三. .实验仪器实验仪器四四. .实验思考题实验思考题五五. .实验内容实验内容六六. .注意事项注意事项七七. .数据处理数据处理一一. .实验原理实验原理 在光的照射下，电子从金属表面逸出的现象，在光的照射下，电子从金属表面逸出的现象，叫叫光光电效应电效应。VGAK+RE+光电效应实验原理图光电效应实验原理图某一频率下某一频率下, ,某一光强时某一光强时光电管的伏安特性曲线光电管的伏安特性曲线1. 1. 实验规律实验规律 （2 2）截止电压）截止电压U U0 0
2、 与入射光频率具有线性关系。与入射光频率具有线性关系。（1 1）仅当）仅当nnnn0 0（截止频率）时才发生光电效应，截截止频率）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。止频率与材料有关，但与入射光强无关。U0 n n 曲线曲线(3)(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I Im m 正比于正比于入射光强入射光强P P。(4)(4)光电效应是瞬时效应。当光照射到金属表面时，几光电效应是瞬时效应。当光照射到金属表面时，几 乎立即就有光电子逸出。乎立即就有光电子逸出。 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曲线曲线二二. .
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(1905(1905年）年）： 光束由光束由光子光子构成，频率为构成，频率为n n的光束，光子能量为的光束，光子能量为e = hne = hn. . 当当光子光子照到金属表面时，其能量一次为金属中的电子全照到金属表面时，其能量一次为金属中的电子全部吸收，而不需积累能量的时间。部吸收，而不需积累能量的时间。 电子把这能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力电子把这能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力而作功，余下的就成为电子离开金属表面后的动能。而作功，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：金属的逸
4、出功金属的逸出功（1 1）当）当hnhn0 0 nn n0 0 = = W/h W/h（截止频率）时才发生截止频率）时才发生光电效应光电效应。(2) 即截止电压即截止电压U U0 0 与入射光频率与入射光频率n n 成线性关系。成线性关系。 由实验可确定该直线的斜率，从而算出普朗克常数由实验可确定该直线的斜率，从而算出普朗克常数h h。( (由实验得由实验得) )（3 3）当频率一定时，入射光强）当频率一定时，入射光强 P P 越大，光子数目越多，越大，光子数目越多，则单位时间内产生光电子数目越多，饱和光电流强度就则单位时间内产生光电子数目越多，饱和光电流强度就越大。越大。即在同一频率下，饱和
5、光电流强度即在同一频率下，饱和光电流强度I Im m 正比正比于入射光强于入射光强P P。（4 4）当）当光子入射金属表面时，一个光子携带的能量光子入射金属表面时，一个光子携带的能量 hn hn 一次一次为一个电子全部吸收，若为一个电子全部吸收，若 nnn0 ，电子立即逸出而不需时间积，电子立即逸出而不需时间积累。累。即光电效应具有瞬时性。即光电效应具有瞬时性。三三. .实验仪器实验仪器汞灯电源汞灯电源高压汞灯高压汞灯光电管和暗箱光电管和暗箱测试仪测试仪光阑光阑滤光片滤光片“电压电压”选择按键选择按键“电流量程电流量程”选择旋钮选择旋钮“电流调零电流调零”旋旋钮钮“电压调节电压调节”旋旋钮钮滤
6、光片滤光片光阑光阑汞灯遮光盖汞灯遮光盖光电管暗箱遮光盖光电管暗箱遮光盖四四. . 思考题思考题1.1.当加在光电管两端的电压为零时，光电流不为零，当加在光电管两端的电压为零时，光电流不为零，2.2. 这是为什么？这是为什么？3.3.2. 2. 光电管一般都用逸出功小的金属做阴极，用逸出光电管一般都用逸出功小的金属做阴极，用逸出功大的金属做阳极，为什么？功大的金属做阳极，为什么？4.4.3.3.实验时能否将滤光片放在光源的出光孔上？为什么实验时能否将滤光片放在光源的出光孔上？为什么？五五. .实验内容实验内容1. 1. 测试前准备测试前准备: :(1)(1) 盖上光电管暗箱和汞灯的遮光盖，将光电
7、管与汞灯距离调盖上光电管暗箱和汞灯的遮光盖，将光电管与汞灯距离调(2)(2) 整并保持在整并保持在400400mmmm，接通测试仪及汞灯电源，预热约接通测试仪及汞灯电源，预热约1515minmin。(3)(3) （注意：汞灯一旦开启，不要随意关闭）注意：汞灯一旦开启，不要随意关闭）(2)(2)测试仪调零：盖上光电管暗箱和汞灯的遮光盖，测试仪调零：盖上光电管暗箱和汞灯的遮光盖，“电压电压”选选(3)(3) 择择 在在2 2V +2VV +2V档，档，“电流量程电流量程”选择在选择在10101313A A档，旋档，旋转转“电电(4)(4) 流流 调零调零” ” 旋钮使旋钮使“电流表电流表”指示为零
8、。指示为零。 （注意：每次调换（注意：每次调换“电流量程电流量程”，都应重新调零，都应重新调零) )(3) (3) 调整光路：调整光路：先先取下光电管暗箱遮光盖，将直径为取下光电管暗箱遮光盖，将直径为2 2mmmm的光的光 阑及波长为阑及波长为365.0365.0nmnm的滤光片插在光电管入射窗孔前，的滤光片插在光电管入射窗孔前，再再取取 下汞灯的遮光盖，使汞灯的出射光对准光电管入射窗孔。下汞灯的遮光盖，使汞灯的出射光对准光电管入射窗孔。 （注意：严禁让汞光不经过滤光片直接入射光电管）（注意：严禁让汞光不经过滤光片直接入射光电管）2. 2. 用零电流法测定用零电流法测定h h 将将“电压电压”
9、选择按键置于选择按键置于2 2V +2VV +2V档，档，“电流量程电流量程”选选择在择在10101313A A档并重新调零。将直径为档并重新调零。将直径为2 2mmmm的光阑及波长为的光阑及波长为365.0365.0nmnm的滤光片插在光电管入射窗孔前，调节电压的滤光片插在光电管入射窗孔前，调节电压U UAKAK，使得光电流使得光电流I I为零，此时测试仪中显示的电压值即可认为是该入射光频率为零，此时测试仪中显示的电压值即可认为是该入射光频率对应的截止电压。重复测量四次，填入表对应的截止电压。重复测量四次，填入表31311 1中。中。 依次依次 更换其余四个滤光片（注意：一定要更换其余四个滤
10、光片（注意：一定要先先盖上汞灯的遮盖上汞灯的遮光盖光盖再再更换滤光片），测出各自对应的截止电压。更换滤光片），测出各自对应的截止电压。表311 光阑孔f =2mm 波长波长l l (nm) 365.0404.7435.8546.1577.08.2147.4076.8795.4905.196截止电压截止电压1234 平均值平均值3. 3. 测光电管的伏安特性曲线测光电管的伏安特性曲线( (I IU UAKAK曲线曲线) ) 将将“电压电压”选择按键置于选择按键置于2 2V +30VV +30V档，将档，将“电流量程电流量程”选选择开关置于择开关置于10101313A A并重新调零，将直径为并重新
11、调零，将直径为2mm2mm的光阑及波长的光阑及波长435.8435.8nmnm的滤光片插在光电管入射窗孔前。的滤光片插在光电管入射窗孔前。(1) (1) 从截止电压开始由低到高调节电压，直至从截止电压开始由低到高调节电压，直至3030V V（不高于（不高于3030V V）。）。 从截止电压到从截止电压到0 0V V 区间，电压取值间隔为区间，电压取值间隔为0.250.25V;V; 从从0 0V V到到8 8V V 区间，电压取值间隔为区间，电压取值间隔为1.51.5V;V; 从从8 8V V到到3030V V 区间，电压取值间隔为区间，电压取值间隔为3 3V;V; 每取一电压值，记录一电流值到
12、表每取一电压值，记录一电流值到表31312 2中。中。 为了使每个电流值都有三位有效数字，测量过程中须变为了使每个电流值都有三位有效数字，测量过程中须变换换“电流量程电流量程” ” 。 （注意：每次调换（注意：每次调换“电流量程电流量程”，都应重新调零，都应重新调零) ) (2) (2) 换上直径为换上直径为4 4mmmm的光阑，重复步骤的光阑，重复步骤(1)(1)。435.8435.8nmnm光阑光阑2mm2mm435.8435.8nmnm光阑光阑4 4mmmm4. 4. 验证光电管的饱和光电流验证光电管的饱和光电流I Im m与入射光强与入射光强P P 成成正比关系正比关系 在在U UAK
13、AK为为3030V V时，选择时，选择 “ “电流量程电流量程”使得电流值有三使得电流值有三位有效数字，并重新调零。在同一入射频率，同一入射位有效数字，并重新调零。在同一入射频率，同一入射距离下，记录光阑直径分别为距离下，记录光阑直径分别为2 2mmmm、4mm4mm、8mm8mm时对应的时对应的电流值于表电流值于表31313 3中。中。六六. .注意事项注意事项1.1.本实验不必要求暗室环境，但应本实验不必要求暗室环境，但应避免避免背景光强背景光强2.2. 的剧烈变化。的剧烈变化。3.3.2. 2. 实验过程中注意随时盖上汞灯的遮光盖，实验过程中注意随时盖上汞灯的遮光盖，严禁严禁让让4.4. 汞光不经过滤光片直接入射光电管窗口。汞光不经过滤光片直接入射光电管窗口。5.5.3. 3. 实验结束时应实验结束时应盖上盖上光电管暗箱和汞灯的遮光盖！光电管暗箱和汞灯的遮光盖！七七. . 数据处理数据处理1.1.用线性回归法求用线性回归法求U U0 0n n直线的斜率直线的斜率k:k: 再由再由h= ekh= ek求出普朗克常数求出普朗克常数h h，并与公认值并与公认值h h0 0比较，比较， 求出百分误差求出百分误差: :2.2.根据表根据表31312 2的数据，在的数据，在坐标纸坐标纸上作出对应两种通光上作出对应两种通光3.3. 量的量的I-UI-UAKAK关系曲线。关系曲线。
