實(shí)驗(yàn)報(bào)告_光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

1、word格式可編輯專業(yè)知識(shí)分享南昌大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：專業(yè)班級(jí)：材料124班實(shí)驗(yàn)時(shí)間：10時(shí)00分第十周星期四座位號(hào)：28一、實(shí)驗(yàn)名稱： 光電效應(yīng)二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 通過實(shí)驗(yàn)深刻理解愛因斯坦的光電效應(yīng)理論，了解光電效應(yīng)的基本規(guī)律；2、掌握用光電管迸行光電效應(yīng)研究的方法；3、學(xué)習(xí)對(duì)光電管伏安特性曲線的處理方法，并用以測(cè)定普朗克常數(shù)。三、實(shí)驗(yàn)儀器：光電效應(yīng)測(cè)試儀、汞燈及電源、濾色片、光闌、光電管、測(cè)試儀四、實(shí)驗(yàn)原理：1 光電效應(yīng)與愛因斯坦方程用合適頻率的光照射在某些金屬表面上時(shí)，會(huì)有電子從金屬表面逸出，這種現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)，從金屬表面逸出的電子叫光電子。為了解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象，愛因斯坦提出

2、了“光量子”的概念，認(rèn)為對(duì)于頻率為的光波，每個(gè)光子的能量為，其中h=6.626 10J34J S為普朗克常數(shù)。/按照愛因斯坦的理論，光電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是當(dāng)光子和電子相碰撞時(shí)，光子把全部能量傳遞給電子，電子所獲得的能量，一部分用來克服金屬表面對(duì)它的約束，其余的能量則成為該光電 子逸出金屬表面后的動(dòng)能。愛因斯坦提出了著名的光電方程：h m2 W2式中為入射光的頻率，m為電子的質(zhì)量，：為光電子逸出金屬表面的初速度，W為被2光線照射的金屬材料的逸出功，1/2 mv為從金屬逸出的光電子的最大初動(dòng)能。由(1)式可見，入射到金屬表面的光頻率越高，逸出的電子動(dòng)能必然也越大，所以即使陰極 不加電壓也會(huì)有光電子落入陽

3、極而形成光電流，(1)甚至陽極電位比陰極電位低時(shí)也會(huì)1 2有光電子落到陽極，直至陽極電位低于某一數(shù)值時(shí)，所有光電子都不能到達(dá)陽極，光電流才為 零。這個(gè)相對(duì)于陰極為負(fù)值的陽極電位U。被稱為光電效應(yīng)的截止電壓。2顯然，有euo-12mv =0( 2)代入上式即有h=eUoW由上式可知若光電子能量h+vW則不能產(chǎn)生光電子。產(chǎn)生光電效應(yīng)的最低頻率是X=W/h5通常稱為光電效應(yīng)的截止頻率。不同材料有不同的逸出功，因而X也不同。由于光的強(qiáng)弱決定于光量子的數(shù)量，所以光電流與入射光的強(qiáng)度成正比。又因?yàn)橐粋€(gè)電子只能吸收一個(gè)光子的能量，所以光電子獲得的能量與光強(qiáng)無尖，只與光子的頻率成正比，將（3）式改寫為UAA-

4、AhAVo）e e e上式表明，截止電壓U。是入射光頻率的線性函數(shù)，如圖2，當(dāng)入射光的頻率二。時(shí)，截止電壓 Uo=O ,沒有光電子逸出。圖中的直線的斜率k二盹是一個(gè)正的常數(shù)：h = ek（ 5）由此可見，只要用實(shí)驗(yàn)方法作出不同頻率下的曲線，并求出此曲線的斜率，就可以通過 式（5）求出普朗克常數(shù)h。其中e=l.6O 10i9C是電子的電量。1. 光電效應(yīng)的伏安特性曲線圖3是利用光電管進(jìn)行光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的原理圖。頻率為小強(qiáng)度為P的光線照射到光電管陰 極上，即有光電子從陰極逸出。如在陰極K和陽極A之間加正向電壓U ak ,它使K、A之間建立起 的電場(chǎng)對(duì)從光電管陰極逸出的光電子起加速作用，隨著電壓Uak

5、的增加，到達(dá)陽極的光電子將逐漸增多。當(dāng)正向電壓Uak增加到Um時(shí)，光電流達(dá)到最大，不再增加，此時(shí)即稱 為飽和狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的光電流即稱為飽和光電流。由于光電子從陰極表面逸出時(shí)具有一定的初速度，所以當(dāng)兩極間電位差為零時(shí)，仍有 光電流I存在，若在兩極間施加一反向電壓，光電流隨之減少；當(dāng)反向電壓達(dá)到截止電壓圖4入射光頻率不同的I U曲線 圖5入射光強(qiáng)度不同的I U曲線愛因斯坦方程是在同種金屬做陰極和陽極，且陽極很小的理想狀態(tài)下導(dǎo)出的。實(shí)際上做陰 極的金屬逸出功比作陽極的金屬逸出功小，所以實(shí)驗(yàn)中存在著如下問題：暗電流和本底電流。當(dāng)光電管陰極沒有受到光線照射時(shí)也會(huì)產(chǎn)生電子流，稱為暗電 流。它是由電子的熱運(yùn)動(dòng)

6、和光電管管殼漏電等原因造成的。室內(nèi)各種漫反射光射入光電管 造成的光電流稱為本底電流。暗電流和本底電流隨著K、A之間電壓大小變化而變化。陽極電流。制作光電管陰極時(shí)，陽極上也會(huì)被濺射有陰極材料，所以光入射到陽極上或由陰 極反射到陽極上，陽極上也有光電子發(fā)射，就形成陽極電流。由于它們的存在，使得實(shí)際IU曲圖6伏安特f生曲線由于暗電流是由陰極的熱電子發(fā)射及光電管管殼漏電等原因產(chǎn)生，與陰極正向光電流相比，其值很小，且基本上隨電位差U呈線性變化，因此可忽略其對(duì)遏止電位差的影響。陽極反向電流 雖然在實(shí)驗(yàn)中較顯著，但它服從一定規(guī)律。因此，確定遏止電位差值可采用以下兩種方法:交點(diǎn)法光電管陽極用逸出功較大的材料制

7、作，制作過程中盡量防止陰極材料蒸發(fā)，實(shí)驗(yàn)前對(duì)光電管陽極通電，減少其上濺射的陰極材料，實(shí)驗(yàn)中避免入射光直接照射到陽極上，這樣可使它的反向 電流大大減少，其伏安特性曲線與圖5十分接近，因此曲線與U軸交點(diǎn)的電位 差值近似等于遏止 電位差U。,此即本實(shí)驗(yàn)采用的交點(diǎn)法(或零電流法)。拐點(diǎn)法光電管陽極反向電流雖然較大，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，若使反向光電流能較快地飽和，則 伏安特 性曲線在反向電流進(jìn)入飽和段后有著明顯的拐點(diǎn)，如圖6中虛線所示的理論曲線下移為實(shí)線所示的實(shí)測(cè)曲線，遏止電位差U也下移到U。點(diǎn)。因此測(cè)出U。點(diǎn)即測(cè)出了理論值UoO五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟：1、調(diào)整儀器(1) 連接儀器；接好電源，打幵電源幵尖，充分

8、預(yù)熱(不少于20分鐘)。(2) 在測(cè)量電路連接完畢后，沒有給測(cè)量信號(hào)時(shí)，旋轉(zhuǎn)“調(diào)零”旋鈕調(diào)零。每換一次量程， 必須重新調(diào)零。(3) 取下暗盒光窗口遮光罩，換上365.0nm濾光片，取下汞燈出光窗口的遮光罩，裝好遮光 筒，調(diào)節(jié)好暗盒與汞燈距離。2、測(cè)量普朗克常數(shù)h(1) 將電壓選擇按鍵開尖置于2+ 2V檔，將“電流量程”選擇開尖置于1從檔。將測(cè)試儀 電流輸入電纜斷開，調(diào)零后重新接上。(2) 將直徑為4rrm%勺光闌和365.0nm的濾色片裝在光電管電暗箱輸入口上。(3) 從高到低調(diào)節(jié)電壓，用“零電流法”測(cè)量該波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的Uc，并數(shù)據(jù)記錄。(4) 依次換上405nm 436nm 546nm 577n

9、m的濾色片，重復(fù)步驟(1)、(2)、(3)。(5) 測(cè)量三組數(shù)據(jù)，然后對(duì)h求平均值。3、測(cè)量光電管的伏案特性曲線：暗盒光窗口裝365nm濾光片和4mm%闌，緩慢調(diào)節(jié)電壓旋鈕，令電壓輸出值緩慢由0V伏 增加到30V侮隔1V記一個(gè)電流值。但注意在電流值為零處記下截止電壓值。(2) 在暗盒光窗口上換上577nm濾光片，仍用4mm的光闌，重復(fù)步驟(1)。(3) 選擇合適的坐標(biāo)，分別作出兩種光闌下的光電管伏安特性曲線UI o4、探究飽和電流與光通量、光強(qiáng)的尖系控制電壓U=30.0V,波長(zhǎng)為365nm,L=400nm時(shí)，記錄光闌孔分別為2、4、8時(shí)的電流。 控制電壓U=30.0V,波長(zhǎng)為365nm光闌孔為

10、2nm時(shí)，記錄距離L分別為300nm350nm 400mm寸的電流。六、數(shù)據(jù)記錄與處理：10X AXiS Title6表一八U -V尖系波長(zhǎng)九(nm)365405436546577頻率 V(1014HZ)8.2147.4086.8795.4905.196截止電壓U(v)-1.815-1.498-1.303-0.732-0.603B計(jì)算普朗克常量：當(dāng)利用不同頻率V的單色光分別作光源時(shí)，可以測(cè)出不同頻率下的遏止電位U a。作出U a與V的曲線，測(cè)曲線的斜率K為K = h /e = /療便可求出普朗克常數(shù)hK=U/ v=0.4016 IO14h=ek=1.160210-19 0.4016 1014=

11、6.433 10 34 J S表二lU AK尖系光闌孔：4mm波長(zhǎng)入：577nmUXk(V)-2.0-0.301.02.03.04.05.06.07.08.09.01(10-10A)0026810121314151618UXk(V)10.011.012.014.016.018.020.022.024.026.028.030.01(10-10A)192022242527283031323334光闌孔：4nm波長(zhǎng)X: 365nmUMV)-1.5-0.501234567891(10 WA)069172738506273828895UMV)1011121314151821242628301(10-10A)102110117124132137153170186195203215If ff 11 ik n H 11 ITB表二I M P尖系Uak=30.0V 波長(zhǎng) X: 365nm L=400nm光闌孔0( nm)2481(10-10A)67217805表四I M一 L尖系光闌孔：2nmUak=30.0V 波長(zhǎng) k 365nm距離L(mm)300350400-101(10 A)473