光電效應測普朗克常量實驗報告新

1、南昌大學物理實驗報告課程名稱：普通物理實驗（2）實驗名稱：光電效應測普朗克常量學院：專業(yè)班級：學生姓名：學號：實驗地點：座位號：實驗時間：實驗目的：1、研究光電管的伏安特性及光電特性。2、比較不同頻率光強的伏安特性曲線與遏制電壓。3、了解光電效應的規(guī)律，加深對光的量子性的理解。4、驗證愛因斯坦光電效應方程，并測定普朗克常量 h實驗儀器:YGD-1普朗克常量測定儀（內(nèi)有 流測量放大器、A/D轉換器、物鏡一套）1 電流量程調(diào)節(jié)旋鈕及其量程指示;3光電管工作電壓指示表；5光電管工作電壓調(diào)節(jié)（粗調(diào)）；7光電管工作電壓轉換按鈕；75W鹵鎢燈、小型光柵單色儀、光電管和微電圖（1）2 光電管輸出微電流指示表

2、；4 微電流指示表調(diào)零旋鈕；6 光電管工作電壓調(diào)節(jié)（細調(diào)）；8 光電管暗箱；9濾色片，光闌（可調(diào)節(jié)）總成;11汞燈電源箱；10 檔光罩；12 汞燈燈箱。三、實驗原理：光電效應的實驗示意圖如圖1所示，圖中GD是光電管，K是光電管陰極，A為 光電管陽極，G為微電流計，V為電壓表，E為電源，R為滑線變阻器，調(diào)節(jié)R可以得 到實驗所需要的加速電位差UAk。光電管的A、K之間可獲得從U到0再到 U連續(xù)變化的電壓。實驗時用的單色光是從低壓汞燈光譜中用干涉濾色片過濾得到，其波 長分別為：365nm, 405nm, 436nm, 546nm 577nm。無光照陰極時，由于陽極和陰 極是斷路的，所以G中無電流通過

3、。用光照射陰極時，由于陰極釋放出電子而形成陰 極光電流（簡稱陰極電流）。加速電位差Uak越大，陰極電流越大，當Uak增加到一定數(shù) 值后，陰極電流不 再增大而達到某一飽和值I h, I h的大小和照射光的強度成正比（如 圖2所示）。加速電位差Uak變?yōu)樨撝禃r，陰極電流會迅速減少，當加速電位差Uak負到 一定數(shù)值時，陰極電流變?yōu)椤?0”，與此對應的電位差稱為遏止電位差。 這一電位差用 Ua來表示。Ua的大小與光的強度無關，而是隨著照射光的頻率的增大而增大（如圖 3 所示）01、飽和電流的大小與光的強度成正比。2、光電子從陰極逸出時具有初動能，其最大值等于它反抗電場力所做的功，即:-mv2 e Ua

4、2因為Ua，所示初動能大小與光的強度無關，只是隨著頻率的增大而增大Ua的關系可用愛因斯坦方程表示如下：(2)實驗時用不同頻率的單色光1, 2, 3, 4,照射陰極，測出相對應的遏止電位差Ua1, Ua2, Ua3,丄4,，然后畫出Ua 圖，由此圖的斜率即可以求出h o如果光子的能量h ?W時，無論用多強的光照射，都不可能逸出光電子。與此相對應的光的頻率則稱為陰極的紅限，且用0（ 0 W/ h）來表示。實驗時可以從Ua 圖的截距求得陰極的紅限和逸出功。本實驗的關鍵是正確確定遏止電位差，畫出 Ua 圖。至于在實際測量中如何正確地確定遏止電位差，還必需根據(jù)所使用的光電 管來決定。下面就專門對如何確定

5、遏止電位差的問題作簡要的分析與討論。遏止電位差的確定：如果使用的光電管對可見光都比較靈敏， 而暗電流也很小。由 于陽極包圍著陰極，即使加速電位差為負值時，陰極發(fā)射的光電子仍能大部分射到陽 極。而陽極材料的逸出功又很高，可見光照射時是不會發(fā)射光電子的，其電流特性曲 線如圖4所示。圖中電流為零時的電位就是遏止電位差 Ua。然而，由于光電管在制造 過程中，工藝上很難保證陽極不被陰極材料所污染（這里污染的含義是：陰極表面的 低逸出功材料濺射到陽極上），而且這種污染還會在光電管的使用過程中日趨加重。被 污染后的陽極逸出功降低，當從陰極反射過來的散射光照到它時，便會發(fā)射出光電子 而形成陽極光電流。實驗中測

6、得的電流特性曲線，是陽極光電流和陰極光電流迭加的 結果，如圖5的實線所示。由圖5可見，由于陽極的污染，實驗時出現(xiàn)了反向電流。 特性曲線與橫軸交點的電流雖然等于“ 0”但陰極光電流并不等于“ 0”交點的電位 差Ua也不等于遏止電位差Ua。兩者之差由陰極電流上升的快慢和陽極電流的大小所決 定。如果陰極電流上升越快，陽極電流越小，Ua與Ua之差也越小。從實際測量的電流曲線上看，正向電流上升越快，反向電流越小，則 Ua與Ua之差也越小。由圖5我們可以看到，由于電極結構等種種原因，實際上陽極電流往往飽和緩慢，在加速電位差負到Ua時，陽極電流仍未達到飽和，所以反向電流剛開始飽和的拐點電得越快，兩者之差越小

7、。若在負電壓增至 Ua之前陽極電流已經(jīng)飽和，則拐點電位差就是遏止電位差Ua?？偠灾?，對于不同的光電管應該根據(jù)其電流特性曲線的不同采用 不同的方法來確定其遏止電位差。假如光電流特性的正向電流上升得很快，反向電流 很小，則可以用光電流特性曲線與暗電流特性曲線交點的電位差Ua近似地當作遏止電位差Ua （交點法）。若反向特性曲線的反向電流雖然較大，但其飽和速度很快，則可用反向電流開始飽和時的拐點電位差 Ua 當作遏止電位差 Ua （拐點法）四、實驗內(nèi)容：1、測試前準備：儀器連接：將FB807測試儀及汞燈電源接通（光電管暗箱調(diào)節(jié)到遮光位置），預熱20 分鐘。調(diào)整光電管與汞燈距離約為40cm并保持不變，

8、用專用連接線將光電管暗箱電壓 輸入端與FB807測試儀后面板上電壓輸出連接起來 （紅對紅，黑對黑）。將“電流量程” 選擇開關置于合適檔位：測量截止電位時調(diào)到 10 13A,做伏安特性則調(diào)到10 10A（或 1011A）。測定儀在開機或改變電流量程后，都需要進行調(diào)零。調(diào)零時應將裝濾色片置 于 “0”，旋轉調(diào)零旋鈕使電流指示為 000.0。2、用FB807實驗儀測定截止電壓、伏安特性：由于本實驗儀器的電流放大器靈敏度高， 穩(wěn)定性好， 光電管陽極反向電流、 暗電流 水平也較低，在測量各譜線的截止電壓 ?時，可采用零電流法（即交點法） ，即直接 將各譜線照射下測得的電流為零時對應的電壓 UAK 的絕對

9、值作為截止電壓 ?。此法的 前提是陽極反向電流、暗電流和本底電流都很小，用零電流法測得的截止電壓與真實 值相差較??；且各譜線的截止電壓都相差？?對?- V曲線的斜率無大的影響，即對 h 的測量不會產(chǎn)生大的影響。（1）測量截止電壓：工作電壓轉換按鈕于釋放狀態(tài)，電壓調(diào)節(jié)范圍是：2V 2V，“電流量程”開關應置于 1013A 檔。在不接輸入信號的狀態(tài)下對微電流測量裝置調(diào)零。操作方法是：將暗盒前面的轉盤用手輕輕拉出約 3mn左右，即脫離定位銷，把4mnm勺光闌標志對準 上面的白點，使定位銷復位。再把裝濾色片的轉盤放在擋光位，即指示“ 0”對準上面 的白點，在此狀態(tài)下測量光電管的暗電流。 然后把365n

10、m的濾色片轉到窗口 （通光口）， 此時把電壓表顯示的 UAK 值調(diào)節(jié)為 1.999V ；打開汞燈遮光蓋， 電流表顯示對應的電流 值I應為負值。用電壓粗調(diào)和細調(diào)旋鈕，逐步升高工作電壓（即使負電壓絕對值減小）， 當電壓到達某一數(shù)值，光電管輸出電流為零時，記錄對應的工作電壓Uak，該電壓即為365im單色光的遏止電位。然后按順序依次換上 405nm 436nm 546nm 577nm的濾 色片，重復以上測量步驟。一一記錄 UAK 值。（2）測光電管的伏安特性曲線：此時，將工作電壓轉換按鈕按下，電壓調(diào)節(jié)范圍轉變?yōu)椋?V 30V，“電流量程”開關應轉換至 1010A 檔，并重新調(diào)零。 其余操作步驟與“測

11、量截止電壓” 類同， 不過此時要把每一個工作電壓和對應的電流值加以記錄， 以便畫出飽和伏安特性曲線， 并對該特性進行研究分析。 觀察在同一光闌、同一距離條件下 5條伏安特性曲線。記錄所測Uak及I的數(shù)據(jù)到表2中，在坐標紙上作對應波長及光強的伏安特性曲線。 觀察同一距離、不同光闌（不同光通量）、某條譜線在的飽和伏安特性曲線。測量并記錄對同一譜線、同一入射距離，而光闌分別為 2mm 4mm 8mm寸對應的電流 值于表3中，驗證光電管的飽和光電流與入射光強成正比。 觀察同一光闌下、不同距離（不同光強）、某條譜線在的飽和伏安特性曲線。在Uak為30/時，測量并記錄對同一譜線、同一光闌時，光電管與入射光

12、在不同距 離，女口 300mm 350mm 400mn等對應的電流值于表4中，同樣可以驗證光電管的飽和 電流與入射光強成正比。五、實驗數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析處理：由表1的實驗數(shù)據(jù)，畫出？?- V圖，求出直線的斜率？，即可用?= ?,求 出普朗克常數(shù)？，把它與公認值?0比較，求出實驗結果的相對誤差E = （?- ?）?0，式中常數(shù)? = 1.602 X10 19?，?0 = 6.626 X 10- 34?。表 1 : ? - V波長?/ ?365405436546577頻率 V ?/ X114?截止電壓？?/ ?擬合后的？?？- V圖? = 0.3905 X 10- 14?/? = ? = 6.2558

13、 X 10- 34?相對誤差？=寫?01 = 5.59%?0表2:伏安特性曲線（2、577nm?/ ?-202468101214?/ X10- 11?0320353947525864?/ ?1618202224262830?/ X10- 11?6772788084889091擬合后的?- ? ?圖六、思考題：1、測定普朗克常量的關鍵是什么？怎樣根據(jù)光電管的特性曲線選擇適宜的測定遏 止電動勢？?的方法。答：2、從遏止電動勢？?與入射光的頻率v的關系曲線中，你能確定陽極材料的逸出功嗎?答：3、本實驗存在哪些誤差來源？實驗中如何解決這些問題？ 答：在用光電效應測定普朗克常量的實驗中的誤差來源主要來自單色光不夠嚴 格以及陰極光電流的遏止電勢差的確定，而影響陰極光電流遏止電勢差確定的 主要因素有光電管的陽極光電流和光電流的暗電流。在實驗中主要通過分析陽