光電效應(yīng)測普朗克常量實(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： 普通物理實(shí)驗(yàn)（2） 實(shí)驗(yàn)名稱： 光電效應(yīng)測普朗克常量 學(xué)院： 專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 學(xué)號： 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)： 座位號： 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)的伏安特性曲線與遏制電壓。3、 了解光電效應(yīng)的規(guī)律，加深對光的量子性的理解。4、 驗(yàn)證愛因斯坦光電效應(yīng)方程，并測定普朗克常量h。二、 實(shí)驗(yàn)儀器：YGD-1 普朗克常量測定儀（內(nèi)有75W鹵鎢燈、小型光柵單色儀、光電管和微電流測量放大器、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，為光電管陽極，為微電流計(jì)，為電壓表，為電源，為滑線變阻器，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濾得到，其波長分別為： 。無光照陰極時(shí)，由于陽極和陰極是斷路的，所以中無電流通過。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（簡稱陰極電流）。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?，與此對應(yīng)的電位差稱為遏止電位差。這一電位差用來表示。的大小與光的強(qiáng)度無關(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力所做的功，即：因?yàn)?，所示初?dòng)能大小與光的強(qiáng)度無關(guān)，只是隨著頻率的增大而增大。的關(guān)系可用愛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，測出相對應(yīng)的遏止電位差，然后畫出圖，由此圖的斜率即可以求出。如果光子的能量時(shí)，無論用多強(qiáng)的光照射，都不可能逸出光電子。與此相對應(yīng)的光的頻率則稱為陰極的紅限，且用來表示。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，畫出圖。至于在實(shí)際測量中如何正確地確定遏止電位差，還必需根據(jù)所使用的光電管來決定。下面就專門對如何確定遏止電位差的問題作簡要的分析與討論。遏止電位差的確定：如果使用的光電管對可見光都比較靈敏，而暗電流也很小。由于陽極包圍著陰極，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極。而陽極材料的逸出功又很高，可見光照射時(shí)是不會(huì)發(fā)射光電子的，其電流特性曲線如圖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程中，工藝上很難保證陽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極上），而且這種污染還會(huì)在光電管的使用過程中日趨加重。被污染后的陽極逸出功降低，當(dāng)從陰極反射過來的散射光照到它時(shí)，便會(huì)發(fā)射出光電子而形成陽極光電流。實(shí)驗(yàn)中測得的電流特性曲線，是陽極光電流和陰極光電流迭加的結(jié)果，如圖5的實(shí)線所示。由圖5可見，由于陽極的污染，實(shí)驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)了反向電流。特性曲線與橫軸交點(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極電流的大小所決定。如果陰極電流上升越快，陽極電流越小，與之差也越小。從實(shí)際測量的電流曲線上看，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)際上陽極電流往往飽和緩慢，在加速電位差負(fù)到 時(shí)，陽極電流仍未達(dá)到飽和，所以反向電流剛開始飽和的拐點(diǎn)電位差也不等于遏止電位差。兩者之差視陽極電流的飽和快慢而異。陽極電流飽和得越快，兩者之差越小。若在負(fù)電壓增至之前陽極電流已經(jīng)飽和，則拐點(diǎn)電位差就是遏止電位差。總而言之，對于不同的光電管應(yīng)該根據(jù)其電流特性曲線的不同采用不同的方法來確定其遏止電位差。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與暗電流特性曲線交點(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、測試前準(zhǔn)備：儀器連接：將測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，用專用連接線將光電管暗箱電壓輸入端與測試儀后面板上電壓輸出連接起來（紅對紅，黑對黑）。將“電流量程”選擇開關(guān)置于合適檔位:測量截止電位時(shí)調(diào)到,做伏安特性則調(diào)到(或)。測定儀在開機(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，光電管陽極反向電流、暗電流水平也較低，在測量各譜線的截止電壓Ua時(shí)，可采用零電流法（即交點(diǎn)法），即直接將各譜線照射下測得的電流為零時(shí)對應(yīng)的電壓的絕對值作為截止電壓Ua。此法的前提是陽極反向電流、暗電流和本底電流都很小，用零電流法測得的截止電壓與真實(shí)值相差較??；且各譜線的截止電壓都相差U對Ua-曲線的斜率無大的影響，即對的測量不會(huì)產(chǎn)生大的影響。（1）測量截止電壓：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”開關(guān)應(yīng)置于 檔。在不接輸入信號的狀態(tài)下對微電流測量裝置調(diào)零。操作方法是: 將暗盒前面的轉(zhuǎn)盤用手輕輕拉出約左右，即脫離定位銷,把的光闌標(biāo)志對準(zhǔn)上面的白點(diǎn)，使定位銷復(fù)位。再把裝濾色片的轉(zhuǎn)盤放在擋光位，即指示“”對準(zhǔn)上面的白點(diǎn)，在此狀態(tài)下測量光電管的暗電流。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；打開汞燈遮光蓋，電流表顯示對應(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)電壓絕對值減小），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)以上測量步驟。一一記錄值。（2）測光電管的伏安特性曲線：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”開關(guān)應(yīng)轉(zhuǎn)換至 檔，并重新調(diào)零。其余操作步驟與“測量截止電壓”類同，不過此時(shí)要把每一個(gè)工作電壓和對應(yīng)的電流值加以記錄，以便畫出飽和伏安特性曲線，并對該特性進(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。記錄所測及的數(shù)據(jù)到表2中，在坐標(biāo)紙上作對應(yīng)波長及光強(qiáng)的伏安特性曲線。 觀察同一距離、不同光闌（不同光通量）、某條譜線在的飽和伏安特性曲線。測量并記錄對同一譜線、同一入射距離，而光闌分別為時(shí)對應(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)）、某條譜線在的飽和伏安特性曲線。在為時(shí)，測量并記錄對同一譜線、同一光闌時(shí)，光電管與入射光在不同距離，如 等對應(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)，畫出Ua-圖，求出直線的斜率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)果的相對誤差E=(h-h0)h0，式中常數(shù)e=1.60210-19C，h0=6.62610-34js。表1：Ua-波長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相對誤差E=|h-h0|h0=5.59%表2：伏安特性曲線（2、577nm）UAK/V-202468101214I/10-11A0320353947525864UAK/V1618202224262830I/10-11A6772788084889091擬合后的I-UAK圖六、 思考題：1、 測定普朗克常量的關(guān)鍵是什么？怎樣根據(jù)光電管的特性曲線選擇適宜的測定遏止電動(dòng)勢Ua的方法。答：2、 從遏止電動(dòng)勢Ua與入射光的頻率的關(guān)系曲線中，你能確定陽極材料的逸出功嗎？答：3、 本實(shí)驗(yàn)存在哪些誤差來源？實(shí)驗(yàn)中如何解決這些問題？答：在用光電效應(yīng)測定普朗克常量的實(shí)驗(yàn)中的誤差來源主要來自單色光不夠嚴(yán)格以及陰極光電流的遏止電勢差的確定，而影響陰極光電流遏止電勢差確定的主要因素有光電管的陽極光電流和光電流的暗電流。在實(shí)驗(yàn)中主要通過分析陽極光電流和暗