光電效應(yīng)及普朗克常數(shù)的測(cè)定作圖法教材

1、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)示范中心大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)示范中心n光的照射下，使物體中的電子脫出的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)(Photoelectric effect)。 光電效應(yīng)分為光電子發(fā)射、光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏打效應(yīng)。前一種現(xiàn)象發(fā)生在物體表面，又稱外光電效應(yīng)。后兩種現(xiàn)象發(fā)生在物體內(nèi)部，稱為內(nèi)光電效應(yīng)。 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 光電效應(yīng)是19世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)的，詳細(xì)的研究一直到1914年，研究中發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)的基本規(guī)律，無(wú)法用麥克斯韋的經(jīng)典電磁理論作出完滿的解釋。1905年愛(ài)因斯坦應(yīng)用普朗克的量子論，提出光量子概念，給光電效應(yīng)以正確的解釋。其中普朗克常數(shù)是現(xiàn)代物理學(xué)中的一個(gè)重要常數(shù)；由光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)可簡(jiǎn)單準(zhǔn)確地測(cè)定普朗克常數(shù)，實(shí)驗(yàn)有助對(duì)

2、光的量子性的理解。實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?1. 通過(guò)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)了解光的量子性。 2. 測(cè)量光電管的弱電流特性,找出不同光頻率下的截止電壓。 3. 驗(yàn)證愛(ài)因斯坦方程，用作圖法求出普朗克常數(shù)。實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理 在光的照射下，電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象，叫在光的照射下，電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象，叫光電效應(yīng)。光電效應(yīng)。VGAK+RE+光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理圖光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理圖ImIo0UAKU某一頻率下某一頻率下, ,某一光強(qiáng)時(shí)某一光強(qiáng)時(shí)光電管的伏安特性曲線光電管的伏安特性曲線1. 1. 實(shí)驗(yàn)規(guī)律實(shí)驗(yàn)規(guī)律 （2 2）截止電壓）截止電壓U0 與入射光頻率具有線性關(guān)系。與入射光頻率具有線性關(guān)系。0U0（1 1）僅當(dāng)）

3、僅當(dāng) 0（截止頻率）時(shí)才發(fā)生光電效應(yīng)，截截止頻率）時(shí)才發(fā)生光電效應(yīng)，截止頻率與材料有關(guān)，但與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)。止頻率與材料有關(guān)，但與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)。U0 曲線曲線(3)(3)在同一頻率下，飽和光電流強(qiáng)度在同一頻率下，飽和光電流強(qiáng)度Im 正比于入射光正比于入射光強(qiáng)強(qiáng)P。(4)(4)光電效應(yīng)是瞬時(shí)效應(yīng)。當(dāng)光照射到金屬表面時(shí)，幾光電效應(yīng)是瞬時(shí)效應(yīng)。當(dāng)光照射到金屬表面時(shí)，幾 乎立即就有光電子逸出。乎立即就有光電子逸出。1P2PIm1Im2Io0UAKU12PP 同一頻率同一頻率, ,不同入射光強(qiáng)時(shí)不同入射光強(qiáng)時(shí)IUAK曲線曲線向外輻射 。至于光電效應(yīng)，是具有能量 的一個(gè)光子作用于金屬中的一個(gè)自由電子，并把它

4、的全部能量都交給這個(gè)電子而造成的。如果電子脫離金屬表面耗費(fèi)的能量為 的話，則由光電效應(yīng)打出來(lái)的電子的動(dòng)能為vhvsWsWhEsWhm221或 愛(ài)因斯坦認(rèn)為從一點(diǎn)發(fā)出的光不是按麥 克斯韋電磁學(xué)說(shuō)指出的那樣以連續(xù)分布的形 式把能量傳播到空間，而是頻率為 的光以 hv為能量單位(光量子) 的形式一份一份地 式中 為普克朗常數(shù), 為入射光的頻率， 為電子的質(zhì)量， 為光電子逸出金屬表面時(shí)的初速度， 為受光線照射的金屬材料的逸出功(或功函數(shù))。hvmsW2. 2. 愛(ài)因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的解釋愛(ài)因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的解釋實(shí)驗(yàn)器材實(shí)驗(yàn)器材普朗克常數(shù)測(cè)定儀微電流測(cè)試儀、測(cè)試臺(tái)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 1. 測(cè)試前準(zhǔn)備測(cè)試

5、前準(zhǔn)備: : 蓋上光電管暗箱和汞燈的遮光蓋，將光電管與汞燈距離調(diào)蓋上光電管暗箱和汞燈的遮光蓋，將光電管與汞燈距離調(diào) 整并保持在整并保持在400400mm，接通測(cè)試儀及汞燈電源，預(yù)熱約接通測(cè)試儀及汞燈電源，預(yù)熱約1515min。 （注意：汞燈一旦開(kāi)啟，不要隨意關(guān)閉）注意：汞燈一旦開(kāi)啟，不要隨意關(guān)閉）(2) (2) 測(cè)試儀調(diào)零：蓋上光電管暗箱和汞燈的遮光蓋，測(cè)試儀調(diào)零：蓋上光電管暗箱和汞燈的遮光蓋，“電壓電壓”選選 擇在擇在2 2V+2+2V檔，檔，“電流量程電流量程”選擇在選擇在1010-13-13A檔，旋轉(zhuǎn)檔，旋轉(zhuǎn)“電電 流調(diào)零流調(diào)零” ” 旋鈕使旋鈕使“電流表電流表”指示為零。指示為零。 （

6、注意：每次調(diào)換（注意：每次調(diào)換“電流量程電流量程”，都應(yīng)重新調(diào)零，都應(yīng)重新調(diào)零) )(3) (3) 調(diào)整光路：調(diào)整光路：先先取下光電管暗箱遮光蓋，先選擇直徑為取下光電管暗箱遮光蓋，先選擇直徑為4 4mm的光闌及波長(zhǎng)為的光闌及波長(zhǎng)為365.0 nm的濾光片，的濾光片，再再取下汞燈的遮光蓋，取下汞燈的遮光蓋，使汞燈的使汞燈的365.0365.0出射光對(duì)準(zhǔn)光電管入射窗孔。出射光對(duì)準(zhǔn)光電管入射窗孔。 （注意：嚴(yán)禁讓汞光不經(jīng)過(guò)濾光片直接入射光電管）（注意：嚴(yán)禁讓汞光不經(jīng)過(guò)濾光片直接入射光電管）2. 2. 用零電流法測(cè)定用零電流法測(cè)定h 將將“電壓電壓”選擇按鍵置于選擇按鍵置于2 2V+0+0V檔，檔，“

7、電流量程電流量程”選選擇在擇在1010-13-13A檔并檔并重新調(diào)零重新調(diào)零。將直徑為。將直徑為4 4mm的光闌及波長(zhǎng)為的光闌及波長(zhǎng)為365.0365.0nm的濾光片插在光電管入射窗孔前，調(diào)節(jié)電壓的濾光片插在光電管入射窗孔前，調(diào)節(jié)電壓UAK，使得光電流使得光電流I為零，此時(shí)測(cè)試儀中顯示的電壓值即可認(rèn)為是該入射光頻率為零，此時(shí)測(cè)試儀中顯示的電壓值即可認(rèn)為是該入射光頻率對(duì)應(yīng)的截止電壓。重復(fù)測(cè)量對(duì)應(yīng)的截止電壓。重復(fù)測(cè)量4 4次，填入表次，填入表1 1中。中。 依次更換其余四個(gè)濾光片（注意：一定要依次更換其余四個(gè)濾光片（注意：一定要先先蓋上汞燈的遮蓋上汞燈的遮光蓋光蓋再再更換濾光片），測(cè)出各自對(duì)應(yīng)的截

8、止電壓。更換濾光片），測(cè)出各自對(duì)應(yīng)的截止電壓。表表1 光闌孔f =4mm 波長(zhǎng)l (nm) 365.0405.7435.8546.1577.08.2147.4076.8795.4905.196Hz)10 14（頻率)V(0U關(guān)系 0U3. 3. 測(cè)光電管的伏安特性曲線測(cè)光電管的伏安特性曲線( (IUAK曲線曲線) ) 將將“電壓電壓”選擇按鍵置于選擇按鍵置于2 2V+30+30V檔，將檔，將“電流量程電流量程”選選擇開(kāi)關(guān)置于擇開(kāi)關(guān)置于10101 10 0A并重新調(diào)零，將直徑為并重新調(diào)零，將直徑為4 4mm的光闌及波長(zhǎng)的光闌及波長(zhǎng)365.0365.0nm的濾光片插在光電管入射窗孔前。的濾光片插在

9、光電管入射窗孔前。(1) (1) 從截止電壓開(kāi)始由低到高調(diào)節(jié)電壓，直至從截止電壓開(kāi)始由低到高調(diào)節(jié)電壓，直至2727V（不高于（不高于3030V）。）。 從截止電壓到從截止電壓到0 0V 區(qū)間，電壓取值間隔為區(qū)間，電壓取值間隔為1 1V; ; 從從0 0V到到8 8V 區(qū)間，電壓取值間隔為區(qū)間，電壓取值間隔為2 2V; ; 從從8 8V V到到27 27 V 區(qū)間，電壓取值間隔為區(qū)間，電壓取值間隔為3 3V; ; 每取一電壓值，記錄一電流值到表每取一電壓值，記錄一電流值到表2 2中。中。 為了使每個(gè)電流值都有三位有效數(shù)字，測(cè)量過(guò)程中須變?yōu)榱耸姑總€(gè)電流值都有三位有效數(shù)字，測(cè)量過(guò)程中須變換換“電流量

10、程電流量程” ” 。 （注意：（注意：每次調(diào)換每次調(diào)換“電流量程電流量程”，都應(yīng)重新調(diào)零，都應(yīng)重新調(diào)零) ) (2) (2) 換上其他濾光片，重復(fù)步驟換上其他濾光片，重復(fù)步驟(1)(1)。365.0nm光闌4mm27404.7nm光闌4mm435.8nm光闌4m546.1 nm光闌4mm)V(AKU)A10(10I)(0U2 400mmAKIUL表關(guān)系577.0 nm光闌4mm)V(AKU)A10(10I 五、數(shù)據(jù)處理五、數(shù)據(jù)處理用作圖法求用作圖法求U0直線的斜率直線的斜率k: : 再由再由h= ek求出普朗克常數(shù)求出普朗克常數(shù)h，并與公認(rèn)值并與公認(rèn)值h0比較，比較， 求出百分誤差求出百分誤差: :00hhhE191.602 10Ce3406.626 10J sh五五. . 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理根據(jù)表根據(jù)表2 2的數(shù)據(jù)，在的數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙坐標(biāo)紙上作出對(duì)應(yīng)五種通光上作出對(duì)應(yīng)五種通光 量的量的I-UAK關(guān)系曲線。關(guān)系曲線。六六. .注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)本實(shí)驗(yàn)不必要求暗室環(huán)境，但應(yīng)本實(shí)驗(yàn)不必要求