光電效應實驗報告

1、佛山科學技術學院實 驗 報 告課程名稱 實驗項目 專業(yè)班級 姓名 學 號 指導教師 成績 日 期 年 月 日一、實驗目的1了解光電效應的規(guī)律，加深對光的量子性的理解；2測量光電管的伏安特性曲線；3學習驗證愛因斯坦光電效應方程的實驗方法，測量普朗克常數。 二、實驗儀器 光電效應（普朗克常數）實驗儀（詳見本實驗附錄a），數據記錄儀。 三、實驗原理1光電效應及其基本實驗規(guī)律當一定頻率的光照射到某些金屬表面時，會有電子從金屬表面即刻逸出，這種現(xiàn)象稱為光電效應。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 光電效應實驗示意圖研究光電效應的

2、實驗裝置示意圖如圖1所示。gd為光電管，它是一個抽成真空的玻璃管，管內有兩個金屬電極，k為光電管陰極，a為光電管陽極；g為微電流計；v為電壓表；r為滑線變阻器。單色光通過石英窗口照射到陰極上時，有光電子從陰極k逸出，陰極釋放出的光電子在電場的加速作用下向陽極a遷移形成光電流，由微電流計g可以檢測光電流的大小。調節(jié)r可使a、k之間獲得連續(xù)變化的電壓，改變，測量出光電流i的大小，即可測出光電管的伏安特性曲線，如圖2(a)、(b)所示。圖2 光電效應的基本實驗規(guī)律光電效應的基本實驗規(guī)律如下：（1）對應于某一頻率，光電效應的關系如圖2(a)所示。從圖中可見，對一定的頻率，有一電壓，當時，光電流為零，這

3、個相對于陰極的負值的陽極電壓，稱為截止電壓。（2）當后，迅速增加，然后趨于飽和，飽和光電流的大小與入射光的強度成正比，如圖2(b)所示。（3）對于不同頻率的光，其截止電壓的值不同，如圖2(a)所示。（4）截止電壓與頻率v的關系如圖2(c)所示。與成正比。當入射光頻率低于某極限值（隨不同金屬而異）時，無論光的強度如何，照射時間多長，都沒有光電流產生。（5）光電效應是瞬時效應。即使入射光的強度非常微弱，只要頻率大于，在開始照射后立即有光電子產生，所經過的時間至多為秒的數量級。2愛因斯坦光電效應方程上述光電效應的實驗規(guī)律無法用電磁波的經典理論解釋。為了解釋光電效應現(xiàn)象，愛因斯坦根據普朗克的量子假設，

4、提出了光子假說。他認為對于頻率為的光波，每個光子的能量為，為普朗克常數。當光子照射到金屬表面上時，一次性為金屬中的電子全部吸收，而無須積累能量的時間。電子把該能量的一部分用來克服金屬表面對它的吸引力，另一部分就變?yōu)殡娮与x開金屬表面后的動能，按照能量守恒原理，愛因斯坦提出了著名的光電效應方程 （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，逸出的電子動能越大，所以即使陽極電位比陰極電位低（即加反向電壓）時，也會有電子落入陽極形成光電流，直至陽極電位低于截止電壓，光電流才為零，此時有關系 （2）陽極電位高于截止電壓后，隨著陽

5、極電位的升高，陽極對陰極發(fā)射的電子的收集作用越強，光電流隨之上升；當陽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極，再增加時再變化，光電流出現(xiàn)飽和，飽和光電流的大小與入射光的強度成正比。光子的能量時，電子一次性吸收的能量不足以使之脫離金屬，此時光強再大也沒有光電流產生。因此產生光電效應的最低頻率是，該頻率稱為截止頻率。3普朗克常數的測量將式（2）代入式（1）可得 （3）此式表明，對于同一種金屬而言，電子的逸出功是一定的，截止電壓是頻率的線性函數，直線斜率，如圖2(c)所示。因此，只要用實驗方法得出不同的頻率光照時對應的截止電壓，求出直線斜率，就可算出普朗克常數。愛因斯坦的光量子理論

6、成功地解釋了光電效應規(guī)律。四、實驗內容與步驟1測試前的準備（1）將測試儀及汞燈電源接通（汞燈一旦開啟不要隨意關閉），預熱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準光電管暗箱光輸入口，調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試儀電壓輸出端（后面板上）連接起來（紅-紅，黑-黑）。（4）儀器在充分預熱后，進行測試前調零，將“電流倍率”選擇開關撥至零點擋位，旋轉“調零”旋鈕，電流指示為000.0。將“電流倍率”選擇開關撥至校準擋位，旋轉“校準”旋鈕電流指示為100.0，將“電流倍率”選擇開關撥至擋，進行測量擋調零，旋轉“調零”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與測試儀微電流輸入端（后面板上）連接起來。2測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”選擇開關置于擋。 （1）將濾色片旋轉到365.0 nm，調光闌到4 mm擋。（2）從低到高調節(jié)電壓，記錄電流從非零到零點所對應的電壓值，作為數據表格1（請自行設計表格）的前面部分（精細），以后電壓每變化一定值（可調節(jié)電壓擋到-2+20 v），記錄相應的電流值到數據表格1的后面部分。（3）將濾色片分別旋轉到404.7 nm、435.8 nm、546.1 nm、578.0 nm，從低到高調節(jié)電壓，記錄對應的電流值填入表格

8、1中（注意：選擇合適“電壓擋”和“電流量程”）。（4）用表格1中的數據在坐標紙上作對應波長及光強的伏安特性曲線（以電壓值作為橫坐標、電流值作為縱坐標）。3驗證光電管的飽和光電流與入射光強成正比當為20 v時，將“電流量程”選擇開關置于相應的電流擋，將濾色片分別旋轉到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 時對應的電流值于表格2中（請自行設計表格）。用表格2中的數據驗證光電管的飽和光電流與入射光強成正比。4測量普朗克常數理論上，測出各頻率的光照射下陰極電流為零時對應的，其絕對值即該頻率的截止電壓，然而實

9、際上由于光電管的陽極反向電流、暗電流、本底電流及極間接觸電位差等因素的影響，實測電流為零時對應光電管的電壓并非截止電壓。（1）測量方法測量普朗克常數的方法通常有以下三種。 拐點法根據表格1的數據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值），記錄此值。在另一張坐標紙上以剛記錄的電壓值的絕對值作為縱坐標，以相應譜線的頻率作為橫坐標作出五個點，用此五點作一條直線，在直線上找兩點求出直線斜率，求出直線的斜率后，可用求出普朗克常數。 零電流法零電流法是直接將各譜線照射下測得的電流為零時對應的電壓作為截止電壓。此法的前提是陽極方向電流、暗電流和雜散光產生

10、的電流都很小，用零電流法測得的截止電壓與真實值相差很小，且各譜線的截止電壓都相差，對曲線的斜率沒有大的影響，因此對普朗克常數的測量不會產生大的影響。 補償法補償法是調節(jié)電壓使電流為零后，保持不變，遮擋汞燈光源，此時測得的電流為電壓接近截止電壓時的暗電流和雜散光產生的電流。重新讓汞燈照射光電管，調節(jié)電壓使電流值至，將此時對應的電壓作為截止電壓。此法可補償暗電流和雜散光產生的電流對測量結果的影響。（2）測量拐點法測量普朗克常數，這種方法難于操作且誤差較大，我們通常不采用。本實驗儀器的電流放大器靈敏度高，穩(wěn)定性好；采用了新型結構的光電管，光電管陽極反向電流，暗電流水平也較低，因此可以采用零電流法測量

11、普朗克常數。 零電流法測量將電壓選擇按鍵置于-2+2 v擋，將“電流量程”選擇開關置于擋，將測試儀電流輸入電纜斷開，調零后重新接上；調到直徑4 mm的光闌及365.0 nm 的濾色片。從低到高調電壓，測量電流為零時該波長對應的截止電壓，并將數據記于自行設計的表格3中。依次換上404.7 nm、435.8 nm、546.1 nm、578.0 nm的濾色片，重復以上測量步驟。用逐差法或作圖法求出普朗克常數，并與公認值比較，求出相對誤差普朗克常數的公認值是。 補償法測量將電壓選擇按鍵置于-2+2 v擋；將“電流量程”選擇開關置于擋，將測試儀電流輸入電纜斷開，調零后重新接上；調到直徑4 mm的光闌及3

12、65.0 nm的濾色片。從低到高調節(jié)電壓，測量該波長對應的，并將數據記于表格4中。依次換上404.7 nm、435.8 nm、546.1 nm、578.0 nm的濾色片，重復以上測量步驟。用逐差法或作圖法求出普朗克常數，并與公認值比較，求出相對誤差。實驗報告內容：一.實驗目的 二.實驗儀器（儀器名稱、型號、參數、編號） 三.實驗原理（原理文字敘述和公式、原理圖） 四.實驗步驟 五、實驗數據和數據處理 六.實驗結果 七.分析討論（實驗結果的誤差來源和減小誤差的方法、實驗現(xiàn)象的分析、問題的討論等） 八.思考題5、 實驗數據及數據處理 表一：i-uak 光闌=4mm l距離=30cm表二：im-p關

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不變時成正比例關系，而光強又與光闌面積成正比，從而驗證了光電管的飽和電流與入射光強成正比。表三：普朗克常數的測量 光闌孔徑=4mm入射波長(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： 所以普朗克常數為：相對誤差：5、 數據處理 1、測坪曲線 g-m計數管坪曲線數據測量 t=3s/次u/v303315339.351363375387399411423435n/個01949198220212152226024062802319436034102n/（個/s）0650661674717753802908106512011301u/v447459471483495n