實(shí)驗(yàn)十二-用光電效應(yīng)測定普朗克常量

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上實(shí)驗(yàn)十二   用光電效應(yīng)測定普朗克常量當(dāng)一定頻率的光照射到某些金屬材料表面時，可使金屬中的電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象，叫光電效應(yīng)光電效應(yīng)是經(jīng)典電磁理論所不能解釋的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)及其光量子理論的解釋是量子理論的生長點(diǎn)，在揭示光的波粒二象性方面具有劃時代的深遠(yuǎn)意義，而普朗克常量正是量子理論與經(jīng)典理論的聯(lián)系常數(shù)·實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1通過實(shí)驗(yàn)加深對光的量子性的認(rèn)識；2用最高頻濾波片，測量光電管的伏安特性曲線；3通過光電管的弱電流特性，測出不同頻率下的遏止電壓（三種方法任選其一），求出普朗克常量；4探究光電管的飽和光電流與入射光強(qiáng)的關(guān)系；探討比較確定

2、遏止電壓的三種方法（自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案）·實(shí)驗(yàn)儀器 高壓汞燈，干涉濾光片，光闌，光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀ZKY-GD-3光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀，如圖12-1（a）所示儀器由汞燈及電源，濾色片，光闌，光電管、測試儀（含光電管電源和微電流放大器）構(gòu)成，儀器結(jié)構(gòu)如圖12-1（b）所示，測試儀的調(diào)節(jié)面板如圖12-2所示圖12-1（a） 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀實(shí)物圖實(shí)驗(yàn)儀 1 2 3 4 5 6 7圖12-1（b） 儀器結(jié)構(gòu)示意圖1汞燈電源 2汞燈 3濾色片 4光闌 5光電管 6基座 7實(shí)驗(yàn)儀圖12-2 儀器前面板示意圖光闌：3片，直徑 2mm、4mm、8mm汞燈：可用譜線365.0nm、404.7nm、435.8nm、

3、546.1nm、577.0nm、579.0nm濾色片：5片, 透射波長365.0 nm、404.7 nm、435.8 nm、546.1 nm、577.0nm 光電管：陽極為鎳圈，陰極為銀-氧-鉀（Ag-O-K），光譜響應(yīng)范圍 320 700nm，暗電流：I 2×10-12A（-2 VUAK0 V）光電管電源：2檔，20V，230V，三位半數(shù)顯，穩(wěn)定度0.1%微電流放大器：6檔，10-810-13A，分辨率10-13A，三位半數(shù)顯，穩(wěn)定度0.2%·實(shí)驗(yàn)原理 一定頻率的光照射到金屬表面上，可以使電子從金屬表面逸出1905年愛因斯坦依照普朗克的量子假設(shè)，提出了光子的概念他認(rèn)為光是

4、一群微粒流；頻率為的光子具有能量，為普朗克常量根據(jù)這一理論，當(dāng)金屬中的電子吸收一個頻率為的光子時，便獲得這光子的全部能量，如果這能量大于電子擺脫金屬表面的約束所需要的脫出功，電子就會從金屬中逸出按照能量守恒原理有： （9-1）上式稱為愛因斯坦方程，其中和是光電子的質(zhì)量和最大速度，是光電子逸出表面后所具有的最大動能它說明光子能量小于時，電子不能逸出金屬表面，因而沒有光電效應(yīng)產(chǎn)生；產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光最低頻率，稱為光電效應(yīng)的極限頻率（又稱紅限）不同的金屬材料有不同的脫出功，因而也是不同的在實(shí)驗(yàn)中將采用“減速電勢法”進(jìn)行測量并求出普朗克常量實(shí)驗(yàn)原理如圖12-3所示圖12-4 光電流與外加電壓的關(guān)系不

5、同頻率時光電管的伏安特性曲線同一頻率,不同光強(qiáng)時光電管的伏安特性曲線n1n2I1I2圖12-3 普朗克常量測定原理圖 當(dāng)單色光入射到光電管的陰極K上時，如有光電子逸出，則當(dāng)陽極A接正極，K接負(fù)極時，光電子就被加速；而當(dāng)K加正電勢，A加負(fù)電勢時，光電子就被減速當(dāng)A、K之間所加電壓（）足夠大時，光電流達(dá)到飽和值，當(dāng)，并滿足方程： (9-2)時，光電流將為零，此時的稱為遏止電壓光電流與所加電壓的關(guān)系如圖12-4所示將（9-2）式代入（9-1）式可得： (9-3)它表示與間存在線性關(guān)系，其斜率等于/，因而可以從對與的數(shù)據(jù)分析中求出普朗克常量實(shí)驗(yàn)時測不出，測得的是與導(dǎo)線和陰極間的正向接觸電勢之差，即，將

6、此式代入（9-3）式，可得： （9-4）由于是不隨而變的常量，所以與間也是線性關(guān)系，如圖12-5所示圖12-5 -曲線圖測量不同頻率光的值，可求得此線性關(guān)系的斜率，由于 所以 （9-5）即從測得的數(shù)據(jù)求出斜率，乘以電子電荷（=1.602×10-19C）就可求出普朗克常量由光電效應(yīng)測定普朗克常量，需要排除一些干擾，才能獲得一定精度的可以重復(fù)的結(jié)果主要影響的因素有：1暗電流和本底電流：光電管在沒有受到光照時，也會產(chǎn)生電流，稱為暗電流，它是由熱電流、漏電流兩部分組成；本底電流是周圍雜散光射入光電管所致，它們都隨外加電壓的變化而變化，故排除暗電流和本底的影響是十分必要的2反向電流：由于制作光

7、電管時陽極A上往往濺有陰極材料，所以當(dāng)光射到A上或由于雜散光漫射到A上時，陽極A也往往有光電子發(fā)射；此外，陰極發(fā)射的光電子也可能被A的表面所反射當(dāng)A加負(fù)電勢，K 加正電勢時，對陰極K上發(fā)射的光電子而言起了減速作用，而對陽極A發(fā)射或反射的光電子而言卻起了加速作用，使陽極A發(fā)出的光電子也到達(dá)陰極K，形成反向電流這樣實(shí)測的光電流應(yīng)為陰極電流、暗電流和本底電流以及反向電流之和，如圖12-6實(shí)線所示圖12-6光電管的I-V關(guān)系曲線·實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟 1測試前準(zhǔn)備仔細(xì)閱讀光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)及操作說明書將實(shí)驗(yàn)儀及汞燈電源接通（汞燈及光電管暗箱遮光蓋蓋上），預(yù)熱20分鐘調(diào)整光電管與汞燈距離為約40cm并

8、保持不變用專用連接線將光電管暗箱電壓輸入端與實(shí)驗(yàn)儀電壓輸出端（后面板上）連接起來（紅紅，藍(lán)藍(lán)）2測光電管伏安特性曲線將“電流量程”選擇開關(guān)置于所選檔位（-2V-30V）（測伏安特性時處于10-10A檔），進(jìn)行測試前調(diào)零光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀在開機(jī)或改變電流量程后，都會自動進(jìn)入調(diào)零狀態(tài)調(diào)零時應(yīng)將高低杠暗箱電流輸出端K與實(shí)驗(yàn)儀微電流輸入端斷開，旋轉(zhuǎn)“調(diào)零”旋鈕使電流指示為000.0調(diào)節(jié)好后，用專用電纜將電流輸入連接起來，系統(tǒng)進(jìn)入測試狀態(tài)將“伏安特性測試/遏止電壓測試”狀態(tài)鍵切換到伏安特性測試檔位將直徑4mm的光闌及nm濾色片裝在光電管暗箱光輸入口上測伏安特性曲線時，電壓調(diào)節(jié)的范圍為-230V，步長自定記錄

9、所測UAK及I的數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙上作出上述給定波長的伏安特性曲線3 測量遏止電壓，求得朗克常量測量遏止電壓時，“電流量程”開關(guān)應(yīng)處于10-12A檔將直徑4mm的光闌及365.0nm的濾色片裝在光電管暗箱光輸入口上，打開汞燈遮光蓋此時電壓表顯示UAK的值，單位為伏；電流表顯示與UAK對應(yīng)的電流值，單位為所選擇的“電流量程”零電流法：在測量各譜線的遏止電壓時，可采用零電流法，即直接將各譜線照射下測得的電流為零時對應(yīng)的電壓UAK的絕對值作為遏止電壓此法的前提是陽極反向電流、暗電流和本底電流都很小，用零電流法測得的遏止電壓與真實(shí)值相差較小且各譜線的遏止電壓都相差 U對曲線的斜率無大的影響，因此對h的測量

10、不會產(chǎn)生大的影響從低（-2 V）到高調(diào)節(jié)電壓（絕對值減小），觀察電流值的變化，尋找電流為零時對應(yīng)的UAK，以其絕對值作為該波長對應(yīng)的的值補(bǔ)償法：調(diào)節(jié)電壓UAK使電流為零后，保持UAK不變，遮擋汞燈光源（套上燈蓋），此時測得的電流為電壓接近遏止電壓時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UAK使電流值至，將此時對應(yīng)的電壓UAK作為遏止電壓此法可補(bǔ)償暗電流和雜散光產(chǎn)生的電流對測量結(jié)果的影響拐點(diǎn)法：從-2 V起，緩慢調(diào)高外加直流電壓，先注意觀察一遍電流變化情況，記住使電流開始明顯升高的電壓值；針對各階段電流變化情況，分別以不同的間隔施加遏止電壓，讀取對應(yīng)的電流值在上一步觀察到的電流

11、起升點(diǎn)附近，要增加監(jiān)測密度，以較小的間隔采集數(shù)據(jù)在遏止電壓附近陽極光電流上升很快，找出電流開始變化的“抬頭點(diǎn)”，此時對應(yīng)的電壓的絕對值為所測的遏止電壓以上介紹的三種方法可任選其中一種依次換上404.7nm，435.8nm，546.1nm，577.0nm的濾色片，重復(fù)以上測量步驟做出遏止電壓與頻率的關(guān)系圖，用（9-5）式求出普朗克常量且與公認(rèn)值作比較，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差·實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量 1.光電管在各波長光照下的伏安特性測量數(shù)據(jù)表 濾色片波長365 nm光闌孔直徑= mmUAK(V)I (×10-11A)405 nm光闌孔直徑= mmUAK(V)I (×10-11A)436

12、 nm光闌孔直徑= mmUAK(V)I (×10-11A)546 nm光闌孔直徑= mmUAK(V)I (×10-11A)577 nm光闌孔直徑= mmUAK(V)I (×10-11A)2.遏制電壓測定數(shù)據(jù)表 (nm)365405436546577f (×1014 Hz)8.227.416.885.495.20U (V)·實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) 1.測試前先預(yù)熱汞燈，再將儀器調(diào)節(jié)到使用狀態(tài)，每次換擋后注意調(diào)零操作2.GD-3型光電管靈敏度高（具體參數(shù)見儀器介紹），但各產(chǎn)品的靈敏度會存在較大離散型，不同頻率單色光的幾條伏安特性曲線容易靠得太近，本實(shí)驗(yàn)選擇最

13、短波長的濾光片做一條伏安特性曲線3.實(shí)驗(yàn)中光電流的顯示會有所波動，讀數(shù)時，可估讀光電流的中間值·歷史淵源與應(yīng)用前景 1905年在解釋光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)時，經(jīng)典理論遇到了挑戰(zhàn)，愛因斯坦受到普朗克1900年解釋黑體輻射時將諧振子能量量子化的啟發(fā)，他認(rèn)為輻射場本身也是量子化的，即提出了“光量子”假說，由此給出了著名的愛因斯坦光電效應(yīng)方程對于愛因斯坦的假說，R.A.密立根從1905年愛因斯坦的論文問世后經(jīng)過10年左右艱苦卓絕的工作，1916年發(fā)表詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)論文，證實(shí)了Enstein方程的正確性，并精確測出了普朗克常量A.Enstein和R.A密立根都因光電效應(yīng)等方面的貢獻(xiàn)，分別于1921年和192

14、3年獲得諾貝爾物理學(xué)獎目前常用的CCD、硅光電池、光敏二極管、光電檢流計(jì)等本身就是基于光電效應(yīng)的原理設(shè)計(jì)制作的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光電效應(yīng)已在電視、傳真、自動控制等諸多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用·與中學(xué)物理的銜接 高中選修3-5課標(biāo)要求：1. 了解微觀世界中的量子化現(xiàn)象。比較宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點(diǎn)。體會量子論的建立深化了人們對于物質(zhì)世界的認(rèn)識2. 通過實(shí)驗(yàn)了解光電效應(yīng)。知道愛因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義；3. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)說明光的波粒二象性。知道光是一種概率波。·自主學(xué)習(xí) 由于光電子的最大初動能難以測量，使愛因斯坦方程不能直接驗(yàn)證本實(shí)驗(yàn)的構(gòu)思亮點(diǎn)：利用“減速電壓法”將光電子的最大初動能用光電流為零時的反向電壓讀出來，將入射光的頻率和外加電壓作為可控制的變量，方便研究；補(bǔ)償測量法是通過調(diào)整一個或幾個與被測量有已知平衡關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)量，去抵消或補(bǔ)償這種影響。實(shí)驗(yàn)中，在測量遏止電壓時，使用了補(bǔ)償測量法，從而提高了精密測量的準(zhǔn)確度。操作難點(diǎn)：數(shù)字電流電壓表的準(zhǔn)確讀數(shù)和遏止電壓的測量1.當(dāng)加在光電管兩端的電壓為零時，光電流不為零，這是為什么？2.光電管一般都用逸出功小的金屬做陰極，用逸出功大的金屬做