光電效應(yīng)測(cè)普朗克常量實(shí)驗(yàn)報(bào)告99075.doc

南昌大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱(chēng)： 普通物理實(shí)驗(yàn)（2） 實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)： 光電效應(yīng)測(cè)普朗克常量 學(xué)院： 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)： 座位號(hào)： 實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、 研究光電管的伏安特性及光電特性。2、 比較不同頻率光強(qiáng)的伏安特性曲線(xiàn)與遏制電壓。3、 了解光電效應(yīng)的規(guī)律，加深對(duì)光的量子性的理解。4、 驗(yàn)證愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程，并測(cè)定普朗克常量h。二、 實(shí)驗(yàn)儀器：YGD-1 普朗克常量測(cè)定儀（內(nèi)有75W鹵鎢燈、小型光柵單色儀、光電管和微電流測(cè)量放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、物鏡一套）圖（1）1電流量程調(diào)節(jié)旋鈕及其量程指示； 2光電管輸出微電流指示表；3光電管工作電壓指示表； 4微電流指示表調(diào)零旋鈕；5光電管工作電壓調(diào)節(jié)（粗調(diào)）； 6光電管工作電壓調(diào)節(jié)（細(xì)調(diào)）；7光電管工作電壓轉(zhuǎn)換按鈕; 8光電管暗箱；9濾色片，光闌（可調(diào)節(jié)）總成； 10檔光罩；11汞燈電源箱； 12汞燈燈箱。三、 實(shí)驗(yàn)原理：光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)示意圖如圖1所示，圖中是光電管，是光電管陰極，為光電管陽(yáng)極，為微電流計(jì)，為電壓表，為電源，為滑線(xiàn)變阻器，調(diào)節(jié)可以得到實(shí)驗(yàn)所需要的加速電位差。光電管的、之間可獲得從 到再到 連續(xù)變化的電壓。實(shí)驗(yàn)時(shí)用的單色光是從低壓汞燈光譜中用干涉濾色片過(guò)濾得到，其波長(zhǎng)分別為： 。無(wú)光照陰極時(shí)，由于陽(yáng)極和陰極是斷路的，所以中無(wú)電流通過(guò)。用光照射陰極時(shí)，由于陰極釋放出電子而形成陰極光電流（簡(jiǎn)稱(chēng)陰極電流）。加速電位差越大，陰極電流越大，當(dāng)增加到一定數(shù)值后，陰極電流不 再增大而達(dá)到某一飽和值，的大小和照射光的強(qiáng)度成正比（如圖2所示）。加速電位差變?yōu)樨?fù)值時(shí)，陰極電流會(huì)迅速減少，當(dāng)加速電位差負(fù)到一定數(shù)值時(shí)，陰極電流變?yōu)椤啊?，與此對(duì)應(yīng)的電位差稱(chēng)為遏止電位差。這一電位差用來(lái)表示。的大小與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，而是隨著照射光的頻率的增大而增大（如圖3所示）。1、飽和電流的大小與光的強(qiáng)度成正比。2、光電子從陰極逸出時(shí)具有初動(dòng)能，其最大值等于它反抗電場(chǎng)力所做的功，即：因?yàn)?，所示初?dòng)能大小與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，只是隨著頻率的增大而增大。的關(guān)系可用愛(ài)因斯坦方程表示如下：（2）實(shí)驗(yàn)時(shí)用不同頻率的單色光照射陰極，測(cè)出相對(duì)應(yīng)的遏止電位差，然后畫(huà)出圖，由此圖的斜率即可以求出。如果光子的能量時(shí)，無(wú)論用多強(qiáng)的光照射，都不可能逸出光電子。與此相對(duì)應(yīng)的光的頻率則稱(chēng)為陰極的紅限，且用來(lái)表示。實(shí)驗(yàn)時(shí)可以從圖的截距求得陰極的紅限和逸出功。本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是正確確定遏止電位差，畫(huà)出圖。至于在實(shí)際測(cè)量中如何正確地確定遏止電位差，還必需根據(jù)所使用的光電管來(lái)決定。下面就專(zhuān)門(mén)對(duì)如何確定遏止電位差的問(wèn)題作簡(jiǎn)要的分析與討論。遏止電位差的確定：如果使用的光電管對(duì)可見(jiàn)光都比較靈敏，而暗電流也很小。由于陽(yáng)極包圍著陰極，即使加速電位差為負(fù)值時(shí)，陰極發(fā)射的光電子仍能大部分射到陽(yáng)極。而陽(yáng)極材料的逸出功又很高，可見(jiàn)光照射時(shí)是不會(huì)發(fā)射光電子的，其電流特性曲線(xiàn)如圖4所示。圖中電流為零時(shí)的電位就是遏止電位差。然而，由于光電管在制造過(guò)程中，工藝上很難保證陽(yáng)極不被陰極材料所污染（這里污染的含義是：陰極表面的低逸出功材料濺射到陽(yáng)極上），而且這種污染還會(huì)在光電管的使用過(guò)程中日趨加重。被污染后的陽(yáng)極逸出功降低，當(dāng)從陰極反射過(guò)來(lái)的散射光照到它時(shí)，便會(huì)發(fā)射出光電子而形成陽(yáng)極光電流。實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的電流特性曲線(xiàn)，是陽(yáng)極光電流和陰極光電流迭加的結(jié)果，如圖5的實(shí)線(xiàn)所示。由圖5可見(jiàn)，由于陽(yáng)極的污染，實(shí)驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)了反向電流。特性曲線(xiàn)與橫軸交點(diǎn)的電流雖然等于“”，但陰極光電流并不等于“”，交點(diǎn)的電位差也不等于遏止電位差。兩者之差由陰極電流上升的快慢和陽(yáng)極電流的大小所決定。如果陰極電流上升越快，陽(yáng)極電流越小，與之差也越小。從實(shí)際測(cè)量的電流曲線(xiàn)上看，正向電流上升越快，反向電流越小，則與之差也越小。由圖我們可以看到，由于電極結(jié)構(gòu)等種種原因，實(shí)際上陽(yáng)極電流往往飽和緩慢，在加速電位差負(fù)到 時(shí)，陽(yáng)極電流仍未達(dá)到飽和，所以反向電流剛開(kāi)始飽和的拐點(diǎn)電位差也不等于遏止電位差。兩者之差視陽(yáng)極電流的飽和快慢而異。陽(yáng)極電流飽和得越快，兩者之差越小。若在負(fù)電壓增至之前陽(yáng)極電流已經(jīng)飽和，則拐點(diǎn)電位差就是遏止電位差?？偠灾?，對(duì)于不同的光電管應(yīng)該根據(jù)其電流特性曲線(xiàn)的不同采用不同的方法來(lái)確定其遏止電位差。假如光電流特性的正向電流上升得很快，反向電流很小，則可以用光電流特性曲線(xiàn)與暗電流特性曲線(xiàn)交點(diǎn)的電位差近似地當(dāng)作遏止電位差（交點(diǎn)法）。若反向特性曲線(xiàn)的反向電流雖然較大，但其飽和速度很快，則可用反向電流開(kāi)始飽和時(shí)的拐點(diǎn)電位差當(dāng)作遏止電位差（拐點(diǎn)法）。四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、測(cè)試前準(zhǔn)備：儀器連接：將測(cè)試儀及汞燈電源接通（光電管暗箱調(diào)節(jié)到遮光位置），預(yù)熱分鐘。調(diào)整光電管與汞燈距離約為并保持不變，用專(zhuān)用連接線(xiàn)將光電管暗箱電壓輸入端與測(cè)試儀后面板上電壓輸出連接起來(lái)（紅對(duì)紅，黑對(duì)黑）。將“電流量程”選擇開(kāi)關(guān)置于合適檔位:測(cè)量截止電位時(shí)調(diào)到,做伏安特性則調(diào)到(或)。測(cè)定儀在開(kāi)機(jī)或改變電流量程后，都需要進(jìn)行調(diào)零。調(diào)零時(shí)應(yīng)將裝濾色片置于 “0”，旋轉(zhuǎn)調(diào)零旋鈕使電流指示為。2、用實(shí)驗(yàn)儀測(cè)定截止電壓、伏安特性：由于本實(shí)驗(yàn)儀器的電流放大器靈敏度高，穩(wěn)定性好，光電管陽(yáng)極反向電流、暗電流水平也較低，在測(cè)量各譜線(xiàn)的截止電壓Ua時(shí)，可采用零電流法（即交點(diǎn)法），即直接將各譜線(xiàn)照射下測(cè)得的電流為零時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓的絕對(duì)值作為截止電壓Ua。此法的前提是陽(yáng)極反向電流、暗電流和本底電流都很小，用零電流法測(cè)得的截止電壓與真實(shí)值相差較??；且各譜線(xiàn)的截止電壓都相差U對(duì)Ua-曲線(xiàn)的斜率無(wú)大的影響，即對(duì)的測(cè)量不會(huì)產(chǎn)生大的影響。（1）測(cè)量截止電壓：工作電壓轉(zhuǎn)換按鈕于釋放狀態(tài)，電壓調(diào)節(jié)范圍是：，“電流量程”開(kāi)關(guān)應(yīng)置于 檔。在不接輸入信號(hào)的狀態(tài)下對(duì)微電流測(cè)量裝置調(diào)零。操作方法是: 將暗盒前面的轉(zhuǎn)盤(pán)用手輕輕拉出約左右，即脫離定位銷(xiāo),把的光闌標(biāo)志對(duì)準(zhǔn)上面的白點(diǎn)，使定位銷(xiāo)復(fù)位。再把裝濾色片的轉(zhuǎn)盤(pán)放在擋光位，即指示“”對(duì)準(zhǔn)上面的白點(diǎn)，在此狀態(tài)下測(cè)量光電管的暗電流。然后把的濾色片轉(zhuǎn)到窗口（通光口）,此時(shí)把電壓表顯示的值調(diào)節(jié)為；打開(kāi)汞燈遮光蓋，電流表顯示對(duì)應(yīng)的電流值應(yīng)為負(fù)值。用電壓粗調(diào)和細(xì)調(diào)旋鈕，逐步升高工作電壓（即使負(fù)電壓絕對(duì)值減?。?，當(dāng)電壓到達(dá)某一數(shù)值，光電管輸出電流為零時(shí)，記錄對(duì)應(yīng)的工作電壓，該電壓即為單色光的遏止電位。然后按順序依次換上的濾色片，重復(fù)以上測(cè)量步驟。一一記錄值。（2）測(cè)光電管的伏安特性曲線(xiàn)：此時(shí)，將工作電壓轉(zhuǎn)換按鈕按下，電壓調(diào)節(jié)范圍轉(zhuǎn)變?yōu)椋?，“電流量程”開(kāi)關(guān)應(yīng)轉(zhuǎn)換至 檔，并重新調(diào)零。其余操作步驟與“測(cè)量截止電壓”類(lèi)同，不過(guò)此時(shí)要把每一個(gè)工作電壓和對(duì)應(yīng)的電流值加以記錄，以便畫(huà)出飽和伏安特性曲線(xiàn)，并對(duì)該特性進(jìn)行研究分析。 觀察在同一光闌、同一距離條件下5條伏安特性曲線(xiàn)。記錄所測(cè)及的數(shù)據(jù)到表2中，在坐標(biāo)紙上作對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)及光強(qiáng)的伏安特性曲線(xiàn)。 觀察同一距離、不同光闌（不同光通量）、某條譜線(xiàn)在的飽和伏安特性曲線(xiàn)。測(cè)量并記錄對(duì)同一譜線(xiàn)、同一入射距離，而光闌分別為時(shí)對(duì)應(yīng)的電流值于表中，驗(yàn)證光電管的飽和光電流與入射光強(qiáng)成正比。 觀察同一光闌下、不同距離（不同光強(qiáng)）、某條譜線(xiàn)在的飽和伏安特性曲線(xiàn)。在為時(shí)，測(cè)量并記錄對(duì)同一譜線(xiàn)、同一光闌時(shí)，光電管與入射光在不同距離，如 等對(duì)應(yīng)的電流值于表中，同樣可以驗(yàn)證光電管的飽和電流與入射光強(qiáng)成正比。五、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析處理：由表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫(huà)出Ua-圖，求出直線(xiàn)的斜率k，即可用h=ek,求出普朗克常數(shù)h，把它與公認(rèn)值h0比較，求出實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差E=(h-h0)h0，式中常數(shù)e=1.60210-19C，h0=6.62610-34js。表1：Ua-波長(zhǎng)i/nm365405436546577頻率i/1014Hz8.2147.4086.8795.4905.196截止電壓Uai/V1.9321.4081.2980.7940.682擬合后的Ua-圖k=0.390510-14V/Hzh=ek=6.255810-34Js相對(duì)誤差E=|h-h0|h0=5.59%表2：伏安特性曲線(xiàn)（2、577nm）UAK/V-202468101214I/10-11A0320353947525864UAK/V1618202224262830I/10-11A6772788084889091擬合后的I-UAK圖六、 思考題：1、 測(cè)定普朗克常量的關(guān)鍵是什么？怎樣根據(jù)光電管的特性曲線(xiàn)選擇適宜的測(cè)定遏止電動(dòng)勢(shì)Ua的方法。答：2、 從遏止電動(dòng)勢(shì)Ua與入射光的頻率的關(guān)系曲線(xiàn)中，你能確定陽(yáng)極材料的逸出功嗎？答：3、 本實(shí)驗(yàn)存在哪些誤差來(lái)源？實(shí)驗(yàn)中如何解決這些問(wèn)題？答：在用光電效應(yīng)測(cè)定普朗克常量的實(shí)驗(yàn)中的誤差來(lái)源主要來(lái)自單色光不夠嚴(yán)格以及陰極光電流的遏止電勢(shì)差的確定，而影響陰極光電流遏止電勢(shì)差確定的主要因素有光電管的陽(yáng)極光電流和光電流的暗電流。在實(shí)驗(yàn)中主要通過(guò)分析陽(yáng)極光電流和暗