光電效應試驗報告

1、時間：二O二一年七月二十九日光電效應之巴公共開創(chuàng)作時間：二O二一年七月二十九日【實驗目的】(1) 了解光電效應的規(guī)律，加深對光的量子性的認識.(2)丈量普朗克常量h.【實驗儀器】ZKY-GD-4光電效應實驗儀，其組成為：微電流放年夜器，光電管工 作電源，光電管，濾色片，汞燈.如下圖所示.【實驗原理】光電效應的實驗原理如圖1所示.入射光照射到光電管陰極 K上, 發(fā)生的光電子在電場的作用下向陽極 A遷移構(gòu)成光電流，改變外加 電壓，丈量出光電流I的年夜小，即可得出光電管的伏安特性曲線 .(1)對應于某一頻率，光電效應的I-關(guān)系如圖2所示.從圖中 可見，對一定的頻率，有一電壓U0,當三時,電流為零，這

2、個相對陰極 的負值的陽極電壓U0,被稱為截止電壓.時間：二O二一年七月二十九日時間：二O二一年七月二十九日(2)當三后，1迅速增加，然后趨于飽和，飽和光電流IM的年夜小 與入射光的強度P成正比.(3)對分歧頻率的光，其截止電壓的值分歧，如圖3所示.(4)截止電壓Ug頻率的關(guān)系如圖4所示，與成正比.當入射光 頻率低于某極限值(隨分歧金屬而異)時 ,不論光的強度如何，照 射時間多長，都沒有光電流發(fā)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 率年夜于，在開始照射后立即有光電子發(fā)生，所經(jīng)過的時間至多為 秒的數(shù)量級.依照愛因斯坦的光量子理論，光能其實不像電磁波理論所想象 的那樣，分布

3、在波陣面上，而是集中在被稱之為光子的微粒上，但這種微粒仍然堅持著頻率(或波長)的概念，頻率為的光子具有能量E = h,h為普朗克常數(shù).當光子照射到金屬概況上時，一次被金屬中 的電子全部吸收，而無需積累能量的時間.電子把這能量的一部份 用來克服金屬概況對它的吸引力，余下的就釀成電子離開金屬概況后的動能，依照能量守恒原理，愛因斯坦提出了著名的光電效應方 程：式中,A為金屬的逸出功，為光電子獲得的初始動能.由該式可見，入射到金屬概況的光頻率越高，逸出的電子動能越年夜，所以即使陽極電位比陰極電位低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(guān)時間：二O二一年七月二十

4、九日時間：二O二一年七月二十九日系：陽極電位高于截止電壓后，隨著陽極電位的升高，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 定水平，已把陰極發(fā)射的光電子幾乎全收集到陽極，再增加時I不再變動，光電流呈現(xiàn)飽和，飽和光電流的年夜小與入射光的強度P成正比.光子的能量A日t,電子不能脫離金屬，因而沒有光電流發(fā)生.發(fā) 生光電效應的最低頻率(截止頻率)是 =A/h.將(2)式代入 式可得：此式標明截止電壓是頻率的線性函數(shù) ，直線斜率k = h/e,只要 用實驗方法得出分歧的頻率對應的截止電壓，求出直線斜率，就可算出普朗克常數(shù)h.愛因斯坦的光量子理論勝利地解釋了光電效應規(guī)律【實驗步

5、伐】1、測試前準備1)將實驗儀及汞燈電源接通(汞燈及光電管暗盒遮光蓋蓋 上),預熱20min.2)調(diào)整光電管與汞燈距離為約 40cm堅持不變.時間：二O二一年七月二十九日時間：二O二一年七月二十九日3）用專用連接線將光電管暗箱電壓輸入端與實驗儀電壓輸出 端（后面板上）連接起來（紅一紅，藍一藍）.4）將“電流量程”選擇開關(guān)置于所選檔位，進行測試前調(diào)零.調(diào)零時應將光電管暗盒電流輸出端 K與實驗儀微電流輸入端（后面 板上）斷開，且必需斷開連線白實驗儀一端.旋轉(zhuǎn)“調(diào)零” 旋鈕使 電流指示為.5）調(diào)節(jié)好后，用高頻匹配電纜將電流輸入連接起來 ，按“調(diào)零 確認/系統(tǒng)清零”鍵，系統(tǒng)進入測試狀態(tài).如果要靜態(tài)顯示

6、收集曲線，需將實驗儀的“信號輸出”端口接 至示波器的“ Y”輸入端，“同步輸出”端口接至示波器的“外觸 發(fā)”輸入端.示波器“觸發(fā)源”開關(guān)撥至“外”，“Y衰減”旋鈕撥至約“1V/格”，“掃描時間”旋鈕撥至約“ 20區(qū)s/格.此時示波 器將用輪流掃描的方式顯示 5個存儲區(qū)中存儲的曲線，橫軸代表電 壓，縱軸代表電流I.2、測普朗克常數(shù)h:丈量截止電壓時，“伏安特性測試/截止電壓測試”狀態(tài)鍵應 為截止電壓測試狀態(tài)，“電流量程”開關(guān)應處于 AtI.1）手動丈量使“手動/自動”模式鍵處于手動模式.將直徑4mml光闌及的濾色片裝在光電管暗盒光輸入口上 翻開汞燈遮光蓋.此時電壓表顯示的值，單元為伏；電流表顯示

7、與時間：二O二一年七月二十九日時間：二O二一年七月二十九日對應的電流值I,單元為所選擇的“電流量程”.用電壓調(diào)節(jié)鍵一、 一、3 （可調(diào)節(jié)的值，一、一鍵用于選擇調(diào)節(jié)位，3 （鍵用于 調(diào)節(jié)值的年夜小.從低到高調(diào)節(jié)電壓（絕對值減?。?，觀察電流值的變動，尋找電流為零時對應的，以其絕對值作為該波長對應的的值 ，并將數(shù) 據(jù)記于表1中.為盡快找到的值，調(diào)節(jié)時應從高位到低位，先確定高 位的值，再順次往低位調(diào)節(jié).依次換上 365.0 nm,435.8 nm,404.7 nm 的濾色片，重復以 上丈量步伐.2）自動丈量按“手動/自動”模式鍵切換到自動模式.此時電流表左邊的指示燈閃爍，暗示系統(tǒng)處于自動丈量掃描范圍設

8、置狀態(tài)，用電壓調(diào)節(jié)鍵可設置掃描起始和終止電壓.（注：顯區(qū)左邊設置起始電壓 ，右邊設置終止電壓）實驗儀設有5個數(shù)據(jù)存儲區(qū)，每個存儲區(qū)可存儲 500組數(shù)據(jù)，由指 示燈暗示其狀態(tài).燈亮暗示該存儲區(qū)已存有數(shù)據(jù)，燈不亮為空存儲區(qū),燈閃爍暗示系統(tǒng)預選的或正在存儲數(shù)據(jù)的存儲區(qū).設置好掃描起始和終止電壓后，按動相應的存儲區(qū)按鍵，儀器將先清除存儲區(qū)原有數(shù)據(jù)，等候約30秒，然后按4mV的步長自動掃 描，并顯示、存儲相應的電壓、電流值.掃描完成后，儀器自動進入數(shù)據(jù)查詢狀態(tài)，此時查詢指示燈亮，顯示區(qū)顯示掃描起始電壓和相 應的電流值.用電壓調(diào)節(jié)鍵改變電壓值，就可查閱到在測試過程中，時間：二O二一年七月二十九日時間：二O

9、二一年七月二十九日掃描電壓為以后顯示值時相應的電流值.讀取電流為零時對應的以其絕對值作為該波長對應的U的值，并將數(shù)據(jù)記于表1中.表1 U0 關(guān)系光闌孔=mm波長入i（nm）577.0頻率（Hz）5.196截止電壓V）手動自動按“查詢”鍵，查詢指示燈滅，系統(tǒng)回復到掃描范圍設置狀態(tài)， 可進行下一次丈量.將儀器與示波器連接，可觀察到為負值時各譜 線在選定的掃描范圍內(nèi)的伏安特性曲線.3、測光電管的伏安特性曲線：此時,將“伏安特性測試/截止電壓測試”狀態(tài)鍵切換至伏安 特性測試狀態(tài).“電流量程”開關(guān)應撥至 A檔，偏重新調(diào)零.將直徑4mm的光闌及所選譜線的濾色片裝在光電管暗盒光輸入口上.測伏安特性曲線可選用

10、“手動 /自動”兩種模式之一，丈量 的最年夜范圍為-150V.手動丈量時每隔 0.5V記錄一組數(shù)據(jù)，自 動丈量時步長為1V.記錄所測及I的數(shù)據(jù).從低到高調(diào)節(jié)電壓，記錄電流從零到非零點所對應的電壓值并作為第一組數(shù)據(jù)，以后電壓沒變動一定值（可選為1V）記錄一組數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)記錄表中換上546nm的濾色片，重復上述實驗步伐.在為50V時，將儀器設置為手動模式，丈量記錄同一譜線、同一入射距離、光闌分別為 2mm,4mm,8miW對應的電流值于數(shù)據(jù)時間：二O二一年七月二十九日時間：二O二一年七月二十九日記錄表中.在為50V時，將儀器設置為手動模式，丈量并記錄同一譜線、同一光闌、分歧入射距離時對應的電流值于數(shù)

11、據(jù)記錄表中.【實驗數(shù)據(jù)處置】(1)求普朗克常數(shù)實驗中測得的數(shù)據(jù)如下表所示：與關(guān)系數(shù)據(jù)記錄表光纜孔4mm波長，/nm_ 14頻率i4 10 )截止電壓U0i/V由實驗數(shù)據(jù)獲得的截止電壓U0與光頻率的關(guān)系如下圖所示：C2468-12468-2。-1-1-1-10壓電止截123456789光的頻率Vi/(10A14Hz)截止電壓與光頻率的關(guān)系曲線h由可知，上述直線的斜率為e ,則普朗克常量為：而由最小二乘法的獲得的斜率的標準差為sb 0.013945,則可知所求時間：二O二一年七月二十九日時間：二O二一年七月二十九日的普朗克常量h的不確定度為:測得的普朗克常量h與公認值幾的相對誤差為:實驗獲得的普郎

12、克常數(shù)為:h (6.0 0.7) 10 34 J s(2)做出兩種波長及光強的伏安特性曲線實驗中，獲得的實驗數(shù)據(jù)記錄表如下: 對435.8nm的濾色片，入射距離L=400mm光闌4nm,數(shù)據(jù)記錄為:I u ak關(guān)系-1Uak/V10I /( 10 10 A)Uak/V10I /( 10 10 A)1011121314151617181920Uak/VI /( 10 10 A)2122232425262728293031Uak/VI /( 10 10 A)3233343536373839404142Uak/VI /( 10 10 A)4344454647484950對546.1nm的濾色片，入射

13、距離L=400mm光闌4nm,數(shù)據(jù)記錄為:U ak關(guān)系Uak/VI /( 10 10 A)-1Uak/V10I /( 10 10 A)1011121314151617181920Uak/V10I /( 10 10 A)2122232425262728293031Uak/V3233343536373839404142時間：二O二一年七月二十九日時間：二O二一年七月二十九日I /( 10 10 A)U AK /V 4344454647484950I /( 10 10 A)由實驗獲得的數(shù)據(jù)繪制出的兩種波長及光強的伏安特性曲線如-10-510203040陰極電流為零時對應電壓V/v5060一 波長為4

14、35.8nm 波長為546.1nmAMWI-A9rx1 流電光下:分歧波長及光強下的伏安特性曲線(3)由于照到光電管上的光強與光闌面積成正比，用中數(shù)據(jù)驗證光電管的飽和光電流與入射光強成正比；同樣用中數(shù)據(jù)驗證光電流與入射光強成正比對實驗：在為50V時，將儀器設置為手動模式，丈量記錄同一譜線、同一入射距離、光闌分別為 2mm,4mm,8mmf對應的電流值，數(shù)據(jù)記錄表如下：1M P關(guān)系光闌孔2mm4mm8mm時間：二O二一年七月二十九日時間：二O二一年七月二十九日10I /( 10 10 A)光闌孔2mm4mm8mmI /( 10 10 A)由實驗數(shù)據(jù)獲得飽和光電流與光闌面積的關(guān)系曲線如下：1HUI

15、 -Ao?f 流電光和飽波長為435.8nm 波長為546.1nm642086421 1 1 1304050光闌面積S/(mmA2)飽和光電流I與光闌面積S的關(guān)系曲線圖由圖可知，飽和光電流I與光闌面積S在入射光波長不變時成 正比例關(guān)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.對實驗，在為50V時,將儀器設置為手動模式，丈量并記錄同 一譜線、同一光闌、分歧入射距離時對應的電流值 ，來驗證光電流 與入射光強成正比.數(shù)據(jù)記錄表如下：I MP關(guān)系入射距離200L/mm250300350400/( 10 10 A)入射距離200L/mm250300350400時間：二O

16、二一年七月二十九日時間：二O二一年七月二十九日I /( 10 10 A)對光闌面積S不變時,由于入射距離的變動，使同一波長光的光強發(fā)生改變.檢驗考試將光源看做點光源，具發(fā)出的光為球狀，則一定距離處的光強與距離的平方成反比，與距離的平方分之一成正比波長為435.8nm 波長為546.1nm若要驗證光電流與入射光強成正比，可通過驗證光電流與距離的平方分之一成線性關(guān)系而間接征得 .根據(jù)1M P關(guān)系，獲得光電流與距 離的平方分之一的關(guān)系曲線如圖所示：光電流強度與入射距離平方分之一的關(guān)系曲線由圖可知，其間關(guān)系在實驗誤差允許的范圍內(nèi) ，較好的符合了 某種線性關(guān)系，證明了這種假設具有成立的可能性 .從而也證

17、明了 光電流與入射光強成正比.【實驗分析與誤差討論】1、陽極反向電流，暗電流，本底電流如何影響丈量結(jié)果？答：陽極反向電流是由于光電管制造時由于光電管陽極沾上少時間：二O二一年七月二十九日時間：二O二一年七月二十九日數(shù)陰極資料，則在入射光照射或入射光從陰極反射到陽極后城市造 成陽極電子發(fā)射.當值為為負值時，陽極發(fā)射的電子向陰極遷移形 成陽極反向電流，從而當實驗中測得電流為零時 ,對應的其實不是 截止電壓，對實驗造成誤差.而對暗電流和本底電流是熱激發(fā)發(fā)生的光電流和雜質(zhì)光散射 光電管發(fā)生的光電流.它們的影響是：若發(fā)生的光電子的初動能年 夜于光照發(fā)生的光電子的最年夜初動能，則會使測得的的絕對值增年夜.

18、2、在該實驗中可能存在的誤差有：(1)在實際的丈量中，由于光電管的陽極電流、暗電流、 本底電流及電極間接觸電壓的影響，給實驗結(jié)果帶來誤差.(2)實驗中濾色片有一定的狹縫寬度，濾色片發(fā)生的光具實不完全是單一的濾色光.實驗中以汞燈作為光源，而汞燈在交變電壓變動的情況下其實不能完全穩(wěn)定，發(fā)生的光也不穩(wěn)定.在讀數(shù)時，由于發(fā)生的光電流的變動，儀器示數(shù)會有微小的跳動，發(fā)生讀數(shù)誤差.裝有陰極管的暗箱封閉不嚴 ，可能會受到雜光的影響.【實驗結(jié)論】時間：二O二一年七月二十九日時間：二O二一年七月二十九日1、實驗測得的普朗克常量為h0 0.7)1034j s ,與公認值 h0 6.626 10 34 J s的相對誤差為-9.4%.2、由實驗獲得的伏安特性曲線可知