大學物理實驗-拓展提高篇 課件 實驗3.8-光電效應綜合實驗

光電效應綜合實驗第1節(jié)背景大學物理實驗——拓展提高篇光電效應綜合實驗—背景初次實驗:1887年，光電效應是赫茲于驗證電磁波存在時意外發(fā)現(xiàn)的，然而這一現(xiàn)象是無法用麥克斯韋的經(jīng)典電磁理論對其做出成功解釋的。理論解釋:1905年愛因斯坦在普朗克量子假設(shè)的基礎(chǔ)，上提出了光量子概念，并由此圓滿地解釋了光電效應的各種實驗規(guī)律。再次實驗:10年后密立根以精湛的實驗技術(shù)驗證了愛因斯坦的光電效應方程。1.光電效應現(xiàn)象及其歷史光電效應綜合實驗—任務目的訓練理解光電效應及光的量子性；學習利用光電效應原理測量普朗克常數(shù)；了解光敏電阻、光電池、光電二極管的光照伏安特性；測量光電管的伏安特性曲線；測定普朗克常數(shù)；測量光敏電阻、光電池、光電二極管的特性曲線；2.實驗任務3.實驗目的光電效應綜合實驗第2節(jié)原理大學物理實驗——拓展提高篇光電效應綜合實驗—原理1.光電效應與普朗克常數(shù)的測定光電效應：入射光照射到光電管的陰極K上，產(chǎn)生光電子，在電場作用下向陽極A遷移，構(gòu)成光電流，改變外加電壓UAK，測量出光電流I的大小，即可得出光電管的伏安特性曲線。愛因斯坦提出光電效應方程:

光子頻率金屬的逸出功初始動能(1)光電效應綜合實驗—原理1.光電效應與普朗克常數(shù)的測定入射到金屬表面的光頻率越高，逸出的電子動能越大，因此，即使陽極電位比陰極電位低，也會有電子落入陽極而形成光電流。直至陽極A電位低于截止電壓U0時，所有的光電子都不能到達陽極，光電流才為零。

(2)

(3)

光電效應綜合實驗—原理2.光敏電阻光敏電阻基于內(nèi)光電效應工作，入射電磁波輻射到物體表面導致其內(nèi)部產(chǎn)生電動勢，光敏電阻具有伏安特性。3.光電池

短路時，U=0開路時，I=0光電效應綜合實驗—原理3.光電池在U=0的情況下，光電池外接負載電阻時，輸出電壓和電流均隨RL的變化而變化。當RL取一定值時，輸出功率達到最大值PM。

FF是表征光電池性能優(yōu)劣的重要指標

光電效應綜合實驗—原理4.光電二極管光電二極管的PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕诠ぷ鲿r應加上反向電壓。當無光照時，光電二極管處于截止狀態(tài)；當有光照時，在反向電壓作用下，光電流隨入射光強度的變化而變化。光電效應綜合實驗第3節(jié)實驗儀器大學物理實驗——拓展提高篇光電效應綜合實驗—儀器汞燈刻度尺光電管光闌及濾色片1.實驗儀器光電效應綜合實驗—儀器控制箱前面板1.實驗儀器光電效應綜合實驗第4節(jié)實驗內(nèi)容大學物理實驗——拓展提高篇光電效應綜合實驗—實驗內(nèi)容1.測試前準備（1）將控制箱及汞燈電源接通，預熱20min。（2）把汞燈及光電管的暗箱遮光蓋蓋上,將汞燈暗箱光輸出口對準光電管暗箱光輸入口,調(diào)整光電管于刻度尺30cm處并保持不變。（3）用專用連接線將光電管暗箱電壓輸入端與控制箱的“光電管電壓輸出”端（后面板上）連接起來（紅-紅，黑-黑）；將控制箱后面板上的開關(guān)撥到“普朗克常數(shù)”一側(cè)。（4）儀器在充分預熱后，進行測試前調(diào)零操作：先將光電管暗箱電流輸出端K與控制箱的“光電流輸入”端（后面板上）斷開，將“電壓指示”開關(guān)打到“內(nèi)電壓”擋。在無光電管光電效應綜合實驗—實驗內(nèi)容1.測試前準備電流輸入的情況下，將“電流量程”選擇開關(guān)打至10-13擋，旋轉(zhuǎn)“電流調(diào)零”旋鈕，使電流指示為零，每次在開始新的測試時都應調(diào)零。（5）用高頻匹配電纜將光電管暗箱電流輸K與實驗儀的“光電流輸入端”（后面板上）連接起來。注意：在進行測量時，請在各表頭數(shù)值完全穩(wěn)定后記錄，如此可減小人為讀數(shù)誤差。調(diào)零時如果采用10-13擋，則其精度較高，因此在轉(zhuǎn)動旋鈕時要緩慢；如果電流溢出，則可將電流量程擋位先調(diào)高、再降低。光電效應綜合實驗—實驗內(nèi)容2.測量光電管的伏安特性曲線（1）將濾色片旋轉(zhuǎn)至365.0nm（也可任意選擇一譜線），調(diào)光闌到8mm或10mm擋。（2）“電壓量程”選擇??擋（電壓可調(diào)節(jié)范圍為-3~+20V），“電壓指示”選擇“內(nèi)電壓”擋，“電流量程”選擇開關(guān)應置于10-10擋，從低到高調(diào)節(jié)電壓，電壓每變化一定值，記錄相應的電流值，將數(shù)據(jù)填入表1中。365.0mmUAK/VI/(×10-10A)表1.光電管的伏安特性曲線測量數(shù)據(jù)記錄光闌=

mm距離=

cm光電效應綜合實驗—實驗內(nèi)容3.驗證光電管的飽和光電流與入射光強成正比由于照射到光電管上的光強與光闌面積成正比，所以可以改變光闌大小，選擇任意一譜線，記錄光電管的飽和光電流（設(shè)置UAK=18V，電流表量程為10-10擋），將數(shù)據(jù)填入表2中，驗證入射光強與飽和光電流成正比。光闌孔徑/mm2481012I365.0nm/(×10-10A)表2.光電管的飽和光電流與入射光強測量數(shù)據(jù)記錄光電效應綜合實驗—實驗內(nèi)容4.測定普朗克常數(shù)（1）拐點法將“電壓量程”置于I(-3~+20V)擋，將“電流量程”選擇開關(guān)置于10-13擋。將濾色片旋轉(zhuǎn)至365.0nm,調(diào)整光闌到8mm或10mm擋。從低到高調(diào)節(jié)電壓(電壓范圍為-3~0V)，電壓每變化一定值，記錄相應的電流值。依次換上404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm的濾色片，重復以上測量步驟，將數(shù)據(jù)填入表3中。根據(jù)數(shù)據(jù)繪制光電管的伏安特性曲線。根據(jù)畫出的伏安特性曲線，分別找出每條譜線的截止電壓(隨著電壓的緩慢升高，電流有較大變化的橫坐標值)，并記錄此值。光電效應綜合實驗—實驗內(nèi)容4.測定普朗克常數(shù)波長/nm365.0404.7435.8546.1577.0對應頻率/Hz截止電壓U0/V表3.拐點法測普朗克常數(shù)測量數(shù)據(jù)記錄（2）零電流法將“電壓量程”置于I擋；將“電流量程”選擇開關(guān)置于10-13擋，將控制箱光電流輸入電纜斷開，調(diào)零后重新接上；調(diào)到直徑4mm的光闌及365.0nm的濾色片。從低到高調(diào)節(jié)電壓，光電效應綜合實驗—實驗內(nèi)容4.測定普朗克常數(shù)測量該波長對應的U0，記錄數(shù)據(jù)。由于電流表在10-13擋時非常敏感，所以此時的電壓調(diào)節(jié)一定要非常緩慢，一點一點地調(diào)節(jié)，尤其在零點附近時要特別注意。依次換上404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm的濾色片，重復以上測量步驟，將數(shù)據(jù)填入表4中。波長/nm365.0404.7435.8546.1577.0對應頻率/Hz截止電壓U0/V表4.零電流法測普朗克常數(shù)測量數(shù)據(jù)記錄光電效應綜合實驗—實驗內(nèi)容4.測定普朗克常數(shù)（3）補償法將“電壓量程”置于I擋；將“電流量程”選擇開關(guān)置于10-13擋，將控制箱光電流輸入電纜斷開，調(diào)零后重新接上；調(diào)到直徑4mm的光闌及365.0nm的濾色片。從低到高調(diào)節(jié)電壓，測量該波長對應的U0，記錄數(shù)據(jù)。依次換上404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm的濾色片，重復以上測量步驟，將數(shù)據(jù)填入表5中。波長/nm365.0404.7435.8546.1577.0對應頻率/Hz截止電壓U0/V光闌孔徑=

mm光電效應綜合實驗—實驗內(nèi)容5.光敏電阻的伏安特性（1）將實驗儀及汞燈電源接通，預熱20min。將“電壓指示”撥到“內(nèi)電壓”擋，將“電流量程”選擇開關(guān)置于10-5擋，將“電壓量程”置于II檔，將光敏電阻盒后面較大的孔套在光電管的盒子上并用螺釘鎖死，將光敏電阻盒上的航空插座連接到控制箱后面板上的光敏輸入端。將電壓表和電流表通過旋鈕調(diào)零。將控制箱后面板上的開關(guān)撥到光電綜合一邊。（2）旋轉(zhuǎn)“電壓調(diào)節(jié)”旋鈕，調(diào)節(jié)加載電壓，做測定伏安特性的實驗。開始調(diào)節(jié)穩(wěn)壓源，給光敏電阻加外部電壓，逐步升高加載電壓，記下相應的電流值。注意:實驗過程中應保證電流表電流在量程以內(nèi)，沒有溢出。光電效應綜合實驗—實驗內(nèi)容5.光敏電阻的伏安特性（3）前后移動光敏電阻盒，即可改變光強，按從近到遠的位置重復上述實驗過程，記錄數(shù)據(jù)(光敏電阻盒位置可按后面光電管位置確定)并填入表6中。注意:每次改變位置后，電壓數(shù)字會變化，需要重新調(diào)節(jié)。距離/cmIPH/AU=0VU=1VU=2VU=3VU=4VU=5V表6.光敏電阻的伏安特性測量數(shù)據(jù)記錄光電效應綜合實驗—實驗內(nèi)容6.光電池的基本特性（1）將實驗儀及汞燈電源接通，預熱20min。（2）將“電壓指示”置于外電壓擋，將“電流量程”選擇開關(guān)置于10-7擋(若溢出則切換到10-6擋)，將“電壓量程”置于I擋，將光電池盒后面較大的孔套在光電管的盒子上并用螺釘鎖死，將光電池盒上的航空插座連接到控制箱后面板上的光敏輸入端。將光電池盒拔到明狀態(tài)，此時電壓表測量的是光電池盒上電位器的電壓，將光電池盒盡量靠近汞燈;將控制箱后面板上的開關(guān)撥到光電綜合一側(cè)。（3）調(diào)節(jié)光電池盒上的電位器,由最大調(diào)到最小，可以看見光電流的變化，每調(diào)一次電阻值，都要記錄下光電池的電壓光電效應綜合實驗—實驗內(nèi)容6.光電池的基本特性和光電流，該位置的電阻值由R=U/I計算出來，把記錄下的所有數(shù)據(jù)填在表7中。注意:在本次實驗過程中，電流表測得的電流為負值，這僅表示電流方向，不包含實際意義，因此，在記錄實驗數(shù)據(jù)時，可以直接取絕對值。電壓U/V光電流I/A表7.光電池的基本特性測量數(shù)據(jù)記錄（一）光電效應綜合實驗—實驗內(nèi)容6.光電池的基本特性距離/cm短路電流ISC/A開路電壓UOC/V表8.光電池的基本特性測量數(shù)據(jù)記錄（二）

光電效應綜合實驗—實驗內(nèi)容6.光電池的基本特性

U0/VI/AU1/VU/V表9.光電池的基本特性測量數(shù)據(jù)記錄（三）光電效應綜合實驗—實驗內(nèi)容7.光電二極管的基本特性

光電效應綜合實驗—實驗內(nèi)容7.光電二極管的基本特性（3）增大光電二極管與汞燈之間的距離，重復上述實驗內(nèi)容，將數(shù)據(jù)填入表10中。注意:當光照射到光電二極管時，會發(fā)現(xiàn)電壓表顯示負值，這是因為此時加載電壓為0V,而光電二極管由于光伏特性存在一個反向的電壓，可以將電壓表調(diào)零。若電流表表頭跳動，則切換到10-6

擋。距離/c