大學(xué)物理實驗-拓展提高篇 課件 實驗3.8-光電效應(yīng)綜合實驗

光電效應(yīng)綜合實驗第1節(jié)背景大學(xué)物理實驗——拓展提高篇光電效應(yīng)綜合實驗—背景初次實驗:1887年，光電效應(yīng)是赫茲于驗證電磁波存在時意外發(fā)現(xiàn)的，然而這一現(xiàn)象是無法用麥克斯韋的經(jīng)典電磁理論對其做出成功解釋的。理論解釋:1905年愛因斯坦在普朗克量子假設(shè)的基礎(chǔ)，上提出了光量子概念，并由此圓滿地解釋了光電效應(yīng)的各種實驗規(guī)律。再次實驗:10年后密立根以精湛的實驗技術(shù)驗證了愛因斯坦的光電效應(yīng)方程。1.光電效應(yīng)現(xiàn)象及其歷史光電效應(yīng)綜合實驗—任務(wù)目的訓(xùn)練理解光電效應(yīng)及光的量子性；學(xué)習(xí)利用光電效應(yīng)原理測量普朗克常數(shù)；了解光敏電阻、光電池、光電二極管的光照伏安特性；測量光電管的伏安特性曲線；測定普朗克常數(shù)；測量光敏電阻、光電池、光電二極管的特性曲線；2.實驗任務(wù)3.實驗?zāi)康墓怆娦?yīng)綜合實驗第2節(jié)原理大學(xué)物理實驗——拓展提高篇光電效應(yīng)綜合實驗—原理1.光電效應(yīng)與普朗克常數(shù)的測定光電效應(yīng)：入射光照射到光電管的陰極K上，產(chǎn)生光電子，在電場作用下向陽極A遷移，構(gòu)成光電流，改變外加電壓UAK，測量出光電流I的大小，即可得出光電管的伏安特性曲線。愛因斯坦提出光電效應(yīng)方程:

光子頻率金屬的逸出功初始動能(1)光電效應(yīng)綜合實驗—原理1.光電效應(yīng)與普朗克常數(shù)的測定入射到金屬表面的光頻率越高，逸出的電子動能越大，因此，即使陽極電位比陰極電位低，也會有電子落入陽極而形成光電流。直至陽極A電位低于截止電壓U0時，所有的光電子都不能到達(dá)陽極，光電流才為零。

(2)

(3)

光電效應(yīng)綜合實驗—原理2.光敏電阻光敏電阻基于內(nèi)光電效應(yīng)工作，入射電磁波輻射到物體表面導(dǎo)致其內(nèi)部產(chǎn)生電動勢，光敏電阻具有伏安特性。3.光電池

短路時，U=0開路時，I=0光電效應(yīng)綜合實驗—原理3.光電池在U=0的情況下，光電池外接負(fù)載電阻時，輸出電壓和電流均隨RL的變化而變化。當(dāng)RL取一定值時，輸出功率達(dá)到最大值PM。

FF是表征光電池性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)

光電效應(yīng)綜合實驗—原理4.光電二極管光電二極管的PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，在工作時應(yīng)加上反向電壓。當(dāng)無光照時，光電二極管處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)有光照時，在反向電壓作用下，光電流隨入射光強(qiáng)度的變化而變化。光電效應(yīng)綜合實驗第3節(jié)實驗儀器大學(xué)物理實驗——拓展提高篇光電效應(yīng)綜合實驗—儀器汞燈刻度尺光電管光闌及濾色片1.實驗儀器光電效應(yīng)綜合實驗—儀器控制箱前面板1.實驗儀器光電效應(yīng)綜合實驗第4節(jié)實驗內(nèi)容大學(xué)物理實驗——拓展提高篇光電效應(yīng)綜合實驗—實驗內(nèi)容1.測試前準(zhǔn)備（1）將控制箱及汞燈電源接通，預(yù)熱20min。（2）把汞燈及光電管的暗箱遮光蓋蓋上,將汞燈暗箱光輸出口對準(zhǔn)光電管暗箱光輸入口,調(diào)整光電管于刻度尺30cm處并保持不變。（3）用專用連接線將光電管暗箱電壓輸入端與控制箱的“光電管電壓輸出”端（后面板上）連接起來（紅-紅，黑-黑）；將控制箱后面板上的開關(guān)撥到“普朗克常數(shù)”一側(cè)。（4）儀器在充分預(yù)熱后，進(jìn)行測試前調(diào)零操作：先將光電管暗箱電流輸出端K與控制箱的“光電流輸入”端（后面板上）斷開，將“電壓指示”開關(guān)打到“內(nèi)電壓”擋。在無光電管光電效應(yīng)綜合實驗—實驗內(nèi)容1.測試前準(zhǔn)備電流輸入的情況下，將“電流量程”選擇開關(guān)打至10-13擋，旋轉(zhuǎn)“電流調(diào)零”旋鈕，使電流指示為零，每次在開始新的測試時都應(yīng)調(diào)零。（5）用高頻匹配電纜將光電管暗箱電流輸K與實驗儀的“光電流輸入端”（后面板上）連接起來。注意：在進(jìn)行測量時，請在各表頭數(shù)值完全穩(wěn)定后記錄，如此可減小人為讀數(shù)誤差。調(diào)零時如果采用10-13擋，則其精度較高，因此在轉(zhuǎn)動旋鈕時要緩慢；如果電流溢出，則可將電流量程擋位先調(diào)高、再降低。光電效應(yīng)綜合實驗—實驗內(nèi)容2.測量光電管的伏安特性曲線（1）將濾色片旋轉(zhuǎn)至365.0nm（也可任意選擇一譜線），調(diào)光闌到8mm或10mm擋。（2）“電壓量程”選擇??擋（電壓可調(diào)節(jié)范圍為-3~+20V），“電壓指示”選擇“內(nèi)電壓”擋，“電流量程”選擇開關(guān)應(yīng)置于10-10擋，從低到高調(diào)節(jié)電壓，電壓每變化一定值，記錄相應(yīng)的電流值，將數(shù)據(jù)填入表1中。365.0mmUAK/VI/(×10-10A)表1.光電管的伏安特性曲線測量數(shù)據(jù)記錄光闌=

mm距離=

cm光電效應(yīng)綜合實驗—實驗內(nèi)容3.驗證光電管的飽和光電流與入射光強(qiáng)成正比由于照射到光電管上的光強(qiáng)與光闌面積成正比，所以可以改變光闌大小，選擇任意一譜線，記錄光電管的飽和光電流（設(shè)置UAK=18V，電流表量程為10-10擋），將數(shù)據(jù)填入表2中，驗證入射光強(qiáng)與飽和光電流成正比。光闌孔徑/mm2481012I365.0nm/(×10-10A)表2.光電管的飽和光電流與入射光強(qiáng)測量數(shù)據(jù)記錄光電效應(yīng)綜合實驗—實驗內(nèi)容4.測定普朗克常數(shù)（1）拐點法將“電壓量程”置于I(-3~+20V)擋，將“電流量程”選擇開關(guān)置于10-13擋。將濾色片旋轉(zhuǎn)至365.0nm,調(diào)整光闌到8mm或10mm擋。從低到高調(diào)節(jié)電壓(電壓范圍為-3~0V)，電壓每變化一定值，記錄相應(yīng)的電流值。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，將數(shù)據(jù)填入表3中。根據(jù)數(shù)據(jù)繪制光電管的伏安特性曲線。根據(jù)畫出的伏安特性曲線，分別找出每條譜線的截止電壓(隨著電壓的緩慢升高，電流有較大變化的橫坐標(biāo)值)，并記錄此值。光電效應(yīng)綜合實驗—實驗內(nèi)容4.測定普朗克常數(shù)波長/nm365.0404.7435.8546.1577.0對應(yīng)頻率/Hz截止電壓U0/V表3.拐點法測普朗克常數(shù)測量數(shù)據(jù)記錄（2）零電流法將“電壓量程”置于I擋；將“電流量程”選擇開關(guān)置于10-13擋，將控制箱光電流輸入電纜斷開，調(diào)零后重新接上；調(diào)到直徑4mm的光闌及365.0nm的濾色片。從低到高調(diào)節(jié)電壓，光電效應(yīng)綜合實驗—實驗內(nèi)容4.測定普朗克常數(shù)測量該波長對應(yīng)的U0，記錄數(shù)據(jù)。由于電流表在10-13擋時非常敏感，所以此時的電壓調(diào)節(jié)一定要非常緩慢，一點一點地調(diào)節(jié)，尤其在零點附近時要特別注意。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，將數(shù)據(jù)填入表4中。波長/nm365.0404.7435.8546.1577.0對應(yīng)頻率/Hz截止電壓U0/V表4.零電流法測普朗克常數(shù)測量數(shù)據(jù)記錄光電效應(yīng)綜合實驗—實驗內(nèi)容4.測定普朗克常數(shù)（3）補(bǔ)償法將“電壓量程”置于I擋；將“電流量程”選擇開關(guān)置于10-13擋，將控制箱光電流輸入電纜斷開，調(diào)零后重新接上；調(diào)到直徑4mm的光闌及365.0nm的濾色片。從低到高調(diào)節(jié)電壓，測量該波長對應(yīng)的U0，記錄數(shù)據(jù)。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，將數(shù)據(jù)填入表5中。波長/nm365.0404.7435.8546.1577.0對應(yīng)頻率/Hz截止電壓U0/V光闌孔徑=

mm光電效應(yīng)綜合實驗—實驗內(nèi)容5.光敏電阻的伏安特性（1）將實驗儀及汞燈電源接通，預(yù)熱20min。將“電壓指示”撥到“內(nèi)電壓”擋，將“電流量程”選擇開關(guān)置于10-5擋，將“電壓量程”置于II檔，將光敏電阻盒后面較大的孔套在光電管的盒子上并用螺釘鎖死，將光敏電阻盒上的航空插座連接到控制箱后面板上的光敏輸入端。將電壓表和電流表通過旋鈕調(diào)零。將控制箱后面板上的開關(guān)撥到光電綜合一邊。（2）旋轉(zhuǎn)“電壓調(diào)節(jié)”旋鈕，調(diào)節(jié)加載電壓，做測定伏安特性的實驗。開始調(diào)節(jié)穩(wěn)壓源，給光敏電阻加外部電壓，逐步升高加載電壓，記下相應(yīng)的電流值。注意:實驗過程中應(yīng)保證電流表電流在量程以內(nèi)，沒有溢出。光電效應(yīng)綜合實驗—實驗內(nèi)容5.光敏電阻的伏安特性（3）前后移動光敏電阻盒，即可改變光強(qiáng)，按從近到遠(yuǎn)的位置重復(fù)上述實驗過程，記錄數(shù)據(jù)(光敏電阻盒位置可按后面光電管位置確定)并填入表6中。注意:每次改變位置后，電壓數(shù)字會變化，需要重新調(diào)節(jié)。距離/cmIPH/AU=0VU=1VU=2VU=3VU=4VU=5V表6.光敏電阻的伏安特性測量數(shù)據(jù)記錄光電效應(yīng)綜合實驗—實驗內(nèi)容6.光電池的基本特性（1）將實驗儀及汞燈電源接通，預(yù)熱20min。（2）將“電壓指示”置于外電壓擋，將“電流量程”選擇開關(guān)置于10-7擋(若溢出則切換到10-6擋)，將“電壓量程”置于I擋，將光電池盒后面較大的孔套在光電管的盒子上并用螺釘鎖死，將光電池盒上的航空插座連接到控制箱后面板上的光敏輸入端。將光電池盒拔到明狀態(tài)，此時電壓表測量的是光電池盒上電位器的電壓，將光電池盒盡量靠近汞燈;將控制箱后面板上的開關(guān)撥到光電綜合一側(cè)。（3）調(diào)節(jié)光電池盒上的電位器,由最大調(diào)到最小，可以看見光電流的變化，每調(diào)一次電阻值，都要記錄下光電池的電壓光電效應(yīng)綜合實驗—實驗內(nèi)容6.光電池的基本特性和光電流，該位置的電阻值由R=U/I計算出來，把記錄下的所有數(shù)據(jù)填在表7中。注意:在本次實驗過程中，電流表測得的電流為負(fù)值，這僅表示電流方向，不包含實際意義，因此，在記錄實驗數(shù)據(jù)時，可以直接取絕對值。電壓U/V光電流I/A表7.光電池的基本特性測量數(shù)據(jù)記錄（一）光電效應(yīng)綜合實驗—實驗內(nèi)容6.光電池的基本特性距離/cm短路電流ISC/A開路電壓UOC/V表8.光電池的基本特性測量數(shù)據(jù)記錄（二）

光電效應(yīng)綜合實驗—實驗內(nèi)容6.光電池的基本特性

U0/VI/AU1/VU/V表9.光電池的基本特性測量數(shù)據(jù)記錄（三）光電效應(yīng)綜合實驗—實驗內(nèi)容7.光電二極管的基本特性

光電效應(yīng)綜合實驗—實驗內(nèi)容7.光電二極管的基本特性（3）增大光電二極管與汞燈之間的距離，重復(fù)上述實驗內(nèi)容，將數(shù)據(jù)填入表10中。注意:當(dāng)光照射到光電二極管時，會發(fā)現(xiàn)電壓表顯示負(fù)值，這是因為此時加載電壓為0V,而光電二極管由于光伏特性存在一個反向的電壓，可以將電壓表調(diào)零。若電流表表頭跳動，則切換到10-6

擋。距離/c