光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告課程名稱 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 專業(yè)班級(jí) 姓名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 成績(jī) 日 期 年 月 日一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解光電效應(yīng)的規(guī)律，加深對(duì)光的量子性的理解；2測(cè)量光電管的伏安特性曲線；3學(xué)習(xí)驗(yàn)證愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程的實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)量普朗克常數(shù)。 二、實(shí)驗(yàn)儀器 光電效應(yīng)（普朗克常數(shù)）實(shí)驗(yàn)儀（詳見(jiàn)本實(shí)驗(yàn)附錄a），數(shù)據(jù)記錄儀。 三、實(shí)驗(yàn)原理1光電效應(yīng)及其基本實(shí)驗(yàn)規(guī)律當(dāng)一定頻率的光照射到某些金屬表面時(shí)，會(huì)有電子從金屬表面即刻逸出，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。從金屬表面逸出的電子叫光電子，由光子形成的電流叫光電流，使電子逸出某種金屬表面所需的功稱為該金屬的逸出功。圖1 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)示意圖研究光電效應(yīng)的

2、實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。gd為光電管，它是一個(gè)抽成真空的玻璃管，管內(nèi)有兩個(gè)金屬電極，k為光電管陰極，a為光電管陽(yáng)極；g為微電流計(jì)；v為電壓表；r為滑線變阻器。單色光通過(guò)石英窗口照射到陰極上時(shí)，有光電子從陰極k逸出，陰極釋放出的光電子在電場(chǎng)的加速作用下向陽(yáng)極a遷移形成光電流，由微電流計(jì)g可以檢測(cè)光電流的大小。調(diào)節(jié)r可使a、k之間獲得連續(xù)變化的電壓，改變，測(cè)量出光電流i的大小，即可測(cè)出光電管的伏安特性曲線，如圖2(a)、(b)所示。圖2 光電效應(yīng)的基本實(shí)驗(yàn)規(guī)律光電效應(yīng)的基本實(shí)驗(yàn)規(guī)律如下：（1）對(duì)應(yīng)于某一頻率，光電效應(yīng)的關(guān)系如圖2(a)所示。從圖中可見(jiàn)，對(duì)一定的頻率，有一電壓，當(dāng)時(shí)，光電流為零，這

3、個(gè)相對(duì)于陰極的負(fù)值的陽(yáng)極電壓，稱為截止電壓。（2）當(dāng)后，迅速增加，然后趨于飽和，飽和光電流的大小與入射光的強(qiáng)度成正比，如圖2(b)所示。（3）對(duì)于不同頻率的光，其截止電壓的值不同，如圖2(a)所示。（4）截止電壓與頻率v的關(guān)系如圖2(c)所示。與成正比。當(dāng)入射光頻率低于某極限值（隨不同金屬而異）時(shí)，無(wú)論光的強(qiáng)度如何，照射時(shí)間多長(zhǎng)，都沒(méi)有光電流產(chǎn)生。（5）光電效應(yīng)是瞬時(shí)效應(yīng)。即使入射光的強(qiáng)度非常微弱，只要頻率大于，在開始照射后立即有光電子產(chǎn)生，所經(jīng)過(guò)的時(shí)間至多為秒的數(shù)量級(jí)。2愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程上述光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律無(wú)法用電磁波的經(jīng)典理論解釋。為了解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象，愛(ài)因斯坦根據(jù)普朗克的量子假設(shè)，

4、提出了光子假說(shuō)。他認(rèn)為對(duì)于頻率為的光波，每個(gè)光子的能量為，為普朗克常數(shù)。當(dāng)光子照射到金屬表面上時(shí)，一次性為金屬中的電子全部吸收，而無(wú)須積累能量的時(shí)間。電子把該能量的一部分用來(lái)克服金屬表面對(duì)它的吸引力，另一部分就變?yōu)殡娮与x開金屬表面后的動(dòng)能，按照能量守恒原理，愛(ài)因斯坦提出了著名的光電效應(yīng)方程 （1）式中，為被光線照射的金屬材料的逸出功，為從金屬逸出的光電子的最大初動(dòng)能。由式（1）可知，入射到金屬表面的光頻率越高，逸出的電子動(dòng)能越大，所以即使陽(yáng)極電位比陰極電位低（即加反向電壓）時(shí)，也會(huì)有電子落入陽(yáng)極形成光電流，直至陽(yáng)極電位低于截止電壓，光電流才為零，此時(shí)有關(guān)系 （2）陽(yáng)極電位高于截止電壓后，隨著陽(yáng)

5、極電位的升高，陽(yáng)極對(duì)陰極發(fā)射的電子的收集作用越強(qiáng)，光電流隨之上升；當(dāng)陽(yáng)極電壓高到一定程度，已把陰極發(fā)射的光電子幾乎全收集到陽(yáng)極，再增加時(shí)再變化，光電流出現(xiàn)飽和，飽和光電流的大小與入射光的強(qiáng)度成正比。光子的能量時(shí)，電子一次性吸收的能量不足以使之脫離金屬，此時(shí)光強(qiáng)再大也沒(méi)有光電流產(chǎn)生。因此產(chǎn)生光電效應(yīng)的最低頻率是，該頻率稱為截止頻率。3普朗克常數(shù)的測(cè)量將式（2）代入式（1）可得 （3）此式表明，對(duì)于同一種金屬而言，電子的逸出功是一定的，截止電壓是頻率的線性函數(shù)，直線斜率，如圖2(c)所示。因此，只要用實(shí)驗(yàn)方法得出不同的頻率光照時(shí)對(duì)應(yīng)的截止電壓，求出直線斜率，就可算出普朗克常數(shù)。愛(ài)因斯坦的光量子理論

6、成功地解釋了光電效應(yīng)規(guī)律。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1測(cè)試前的準(zhǔn)備（1）將測(cè)試儀及汞燈電源接通（汞燈一旦開啟不要隨意關(guān)閉），預(yù)熱20分鐘。（2）把汞燈及光電管暗箱遮光蓋蓋上，將汞燈暗箱光輸出口對(duì)準(zhǔn)光電管暗箱光輸入口，調(diào)整光電管于汞燈距離約30 cm并保持不變。（3）用專用連接線將光電管暗箱電壓輸入端與測(cè)試儀電壓輸出端（后面板上）連接起來(lái)（紅-紅，黑-黑）。（4）儀器在充分預(yù)熱后，進(jìn)行測(cè)試前調(diào)零，將“電流倍率”選擇開關(guān)撥至零點(diǎn)擋位，旋轉(zhuǎn)“調(diào)零”旋鈕，電流指示為000.0。將“電流倍率”選擇開關(guān)撥至校準(zhǔn)擋位，旋轉(zhuǎn)“校準(zhǔn)”旋鈕電流指示為100.0，將“電流倍率”選擇開關(guān)撥至擋，進(jìn)行測(cè)量擋調(diào)零，旋轉(zhuǎn)“調(diào)零”旋

7、鈕電流指示為0.0。（5）用高頻匹配電纜將光電管暗箱電流輸出端k與測(cè)試儀微電流輸入端（后面板上）連接起來(lái)。2測(cè)量光電管的伏安特性曲線將電壓選擇按鍵置于-2+2 v擋；將“電流量程”選擇開關(guān)置于擋。 （1）將濾色片旋轉(zhuǎn)到365.0 nm，調(diào)光闌到4 mm擋。（2）從低到高調(diào)節(jié)電壓，記錄電流從非零到零點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓值，作為數(shù)據(jù)表格1（請(qǐng)自行設(shè)計(jì)表格）的前面部分（精細(xì)），以后電壓每變化一定值（可調(diào)節(jié)電壓擋到-2+20 v），記錄相應(yīng)的電流值到數(shù)據(jù)表格1的后面部分。（3）將濾色片分別旋轉(zhuǎn)到404.7 nm、435.8 nm、546.1 nm、578.0 nm，從低到高調(diào)節(jié)電壓，記錄對(duì)應(yīng)的電流值填入表格

8、1中（注意：選擇合適“電壓擋”和“電流量程”）。（4）用表格1中的數(shù)據(jù)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（以電壓值作為橫坐標(biāo)、電流值作為縱坐標(biāo)）。3驗(yàn)證光電管的飽和光電流與入射光強(qiáng)成正比當(dāng)為20 v時(shí)，將“電流量程”選擇開關(guān)置于相應(yīng)的電流擋，將濾色片分別旋轉(zhuǎn)到365.0 nm、404.7 nm、435.8 nm、546.1 nm、578.0 nm，記錄光闌分別為2 mm、4 mm、8 mm 時(shí)對(duì)應(yīng)的電流值于表格2中（請(qǐng)自行設(shè)計(jì)表格）。用表格2中的數(shù)據(jù)驗(yàn)證光電管的飽和光電流與入射光強(qiáng)成正比。4測(cè)量普朗克常數(shù)理論上，測(cè)出各頻率的光照射下陰極電流為零時(shí)對(duì)應(yīng)的，其絕對(duì)值即該頻率的截止電壓，然而實(shí)

9、際上由于光電管的陽(yáng)極反向電流、暗電流、本底電流及極間接觸電位差等因素的影響，實(shí)測(cè)電流為零時(shí)對(duì)應(yīng)光電管的電壓并非截止電壓。（1）測(cè)量方法測(cè)量普朗克常數(shù)的方法通常有以下三種。 拐點(diǎn)法根據(jù)表格1的數(shù)據(jù)畫出的伏安特性曲線圖中，分別找出每條譜線的“抬頭電壓”（隨電壓緩慢增加電流有較大變化的橫坐標(biāo)值），記錄此值。在另一張坐標(biāo)紙上以剛記錄的電壓值的絕對(duì)值作為縱坐標(biāo)，以相應(yīng)譜線的頻率作為橫坐標(biāo)作出五個(gè)點(diǎn)，用此五點(diǎn)作一條直線，在直線上找兩點(diǎn)求出直線斜率，求出直線的斜率后，可用求出普朗克常數(shù)。 零電流法零電流法是直接將各譜線照射下測(cè)得的電流為零時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓作為截止電壓。此法的前提是陽(yáng)極方向電流、暗電流和雜散光產(chǎn)生

10、的電流都很小，用零電流法測(cè)得的截止電壓與真實(shí)值相差很小，且各譜線的截止電壓都相差，對(duì)曲線的斜率沒(méi)有大的影響，因此對(duì)普朗克常數(shù)的測(cè)量不會(huì)產(chǎn)生大的影響。 補(bǔ)償法補(bǔ)償法是調(diào)節(jié)電壓使電流為零后，保持不變，遮擋汞燈光源，此時(shí)測(cè)得的電流為電壓接近截止電壓時(shí)的暗電流和雜散光產(chǎn)生的電流。重新讓汞燈照射光電管，調(diào)節(jié)電壓使電流值至，將此時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓作為截止電壓。此法可補(bǔ)償暗電流和雜散光產(chǎn)生的電流對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。（2）測(cè)量拐點(diǎn)法測(cè)量普朗克常數(shù)，這種方法難于操作且誤差較大，我們通常不采用。本實(shí)驗(yàn)儀器的電流放大器靈敏度高，穩(wěn)定性好；采用了新型結(jié)構(gòu)的光電管，光電管陽(yáng)極反向電流，暗電流水平也較低，因此可以采用零電流法測(cè)量

11、普朗克常數(shù)。 零電流法測(cè)量將電壓選擇按鍵置于-2+2 v擋，將“電流量程”選擇開關(guān)置于擋，將測(cè)試儀電流輸入電纜斷開，調(diào)零后重新接上；調(diào)到直徑4 mm的光闌及365.0 nm 的濾色片。從低到高調(diào)電壓，測(cè)量電流為零時(shí)該波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的截止電壓，并將數(shù)據(jù)記于自行設(shè)計(jì)的表格3中。依次換上404.7 nm、435.8 nm、546.1 nm、578.0 nm的濾色片，重復(fù)以上測(cè)量步驟。用逐差法或作圖法求出普朗克常數(shù)，并與公認(rèn)值比較，求出相對(duì)誤差普朗克常數(shù)的公認(rèn)值是。 補(bǔ)償法測(cè)量將電壓選擇按鍵置于-2+2 v擋；將“電流量程”選擇開關(guān)置于擋，將測(cè)試儀電流輸入電纜斷開，調(diào)零后重新接上；調(diào)到直徑4 mm的光闌及3

12、65.0 nm的濾色片。從低到高調(diào)節(jié)電壓，測(cè)量該波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的，并將數(shù)據(jù)記于表格4中。依次換上404.7 nm、435.8 nm、546.1 nm、578.0 nm的濾色片，重復(fù)以上測(cè)量步驟。用逐差法或作圖法求出普朗克常數(shù)，并與公認(rèn)值比較，求出相對(duì)誤差。實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容：一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二.實(shí)驗(yàn)儀器（儀器名稱、型號(hào)、參數(shù)、編號(hào)） 三.實(shí)驗(yàn)原理（原理文字?jǐn)⑹龊凸?、原理圖） 四.實(shí)驗(yàn)步驟 五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理 六.實(shí)驗(yàn)結(jié)果 七.分析討論（實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差來(lái)源和減小誤差的方法、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析、問(wèn)題的討論等） 八.思考題5、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理 表一：i-uak 光闌=4mm l距離=30cm表二：im-p關(guān)

13、系 uak=20v光闌孔徑 2nm 4nm 8nmi（365.0nm）1385612350i（404.7nm）32128604i（435.8nm）29118532i（546.1nm）26113597i（578.0nm）732167由圖可知，飽和光電流i與光闌孔徑在入射光波長(zhǎng)不變時(shí)成正比例關(guān)系，而光強(qiáng)又與光闌面積成正比，從而驗(yàn)證了光電管的飽和電流與入射光強(qiáng)成正比。表三：普朗克常數(shù)的測(cè)量 光闌孔徑=4mm入射波長(zhǎng)(nm)365.0nm404.7nm435.8nm546.1nm578.0nm頻率v82147.4086.8795.4905.196截止電壓uc-1.83-1.46-1.23-0.73-0.74普朗克常數(shù)h 截止電壓uc與頻率v的圖像由上圖可知，曲線斜率： 所以普朗克常數(shù)為：相對(duì)誤差：5、 數(shù)據(jù)處理 1、測(cè)坪曲線 g-m計(jì)數(shù)管坪曲線數(shù)據(jù)測(cè)量 t=3s/次u/v303315339.351363375387399411423435n/個(gè)01949198220212152226024062802319436034102n/（個(gè)/s）0650661674717753802908106512011301u/v447459471483495n