光電效應修改教案

1、實驗26 光電效應測定普朗克常數(shù)一、教學目的：1通過光電效應實驗加深對光的量子性的了解。2驗證Enstein方程，并測定Planck常數(shù)。二、 重點與難點： 重點：獲得單色光、測得光電管的伏安特性曲線和確定遏止電位差值。 難點：準確合理地找出各選定波長的入射光的截止電壓。三、 實驗教學內容及學時分配：1、單色儀的參數(shù)波長范圍 200-800nm狹縫固定寬度0.3mm波長精度±1nm波長重復性±0.5nm2、測量光電管的伏安特性四、 教學方法： 先由教師先講解實驗內容、目的、原理及實驗注意事項，然后在教師指導下分組實驗。五、 教學過程設計：實驗背景自古以來，人們就試圖解釋光是

2、什么，到17世紀，研究光的反射、折射、成象等規(guī)律的幾何光學基本確立。牛頓等人在研究幾何光學現(xiàn)象的同時，根據光的直線傳播性，認為光是一種微粒流，微粒從光源飛出來，在均勻物質內以力學規(guī)律作勻速直線運動。微粒流學說很自然的解釋了光的直線傳播等性質，在17、18世紀的學術界占有主導地位，但在解釋牛頓環(huán)等光的干涉現(xiàn)象時遇到了困難。1856年-1865年，麥克斯韋建立了電磁場理論，指出了光是一種電磁波，光的波動理論得到確立。1887年赫茲在用兩套電極做電磁波的發(fā)射與接收的實驗中，發(fā)現(xiàn)當紫外光照射到接收電極的負極時，接收電極間更易與產生放電，赫茲的發(fā)現(xiàn)吸引許多人去做這方面的研究工作。光電效應的實驗規(guī)律與經典

3、的電磁理論是矛盾的，按經典理論，電磁波的能量是連續(xù)的，電子的接受光的能量獲得動能，應該是光越強，能量越大，電子的初速度越大；實驗結果是電子的初速與光速無關；按經典理論，只要有足夠的光強和照射時間，電子就應該獲得足夠的能量逸出金屬表面，與光波頻率無關；實驗事實是對于一定的金屬，當光波頻率高于某一值時，金屬一經照射，立即有光電子產生；當光波頻率低于該值時，無論光強多強，照射時間多長，都不會有光電子產生。光電效應使經典的電磁理論陷入困境，1900年，普朗克在研究黑體輻射問題時，先提出了一個符合實驗結果的經驗公式，為了從理論上推導出這一公式，他采用了玻爾茲曼的統(tǒng)計方法，假定黑體內的能量是由不連續(xù)的能量

4、子構成，能量子的能量為hv。能量子的假說具有劃時代的意義，但是無論是普朗克本人還是他的許多同時代人當時對這一點都沒有充分認識。愛因斯坦以他驚人的洞察力，最先認識到量子假說的偉大意義并予以發(fā)展，1905年，在其著名論文關于光的產生和轉化的一個試探性觀點中寫道：“在我看來，如果假定光的能量在空間的分布是不連續(xù)的，就可以更好的理解黑體輻射、光致發(fā)光、光電效應以及其他有關光的產生和轉化的現(xiàn)象的各種觀察結果。根據這一假設，從光源發(fā)射出來的光能在傳播中將不是連續(xù)分布在越來越大的空間之中，而是由一個數(shù)目有限的局限于空間各點的光量子組成，這些光量子在運動中不再分散，只能整個的被吸收或產生”。作為例證，愛因斯坦

5、由光子假設得出了著名的光電效應方程，解釋了光電效應的實驗結果。愛因斯坦的光子理論由于與經典電磁波抵觸，一開始受到懷疑和冷遇。一方面是因為人們受傳統(tǒng)觀念的束縛，另一方面是因為當時光電效應的實驗精度不高，無法驗證光電效應方程。密立根從1904年開始光電效應實驗，歷經十年，用實驗證實了愛因斯坦的光量子理論。兩位物理大師因在光電效應等方面的杰出貢獻，分別于1921年和1923年獲得諾貝爾物理學獎。密立根在1923年的領獎演說中，這樣談到自己的工作：“經過十年之久的實驗、改進和學習，有時甚至還遇到挫折，在這以后，我把一切努力針對光電子發(fā)射能量的精密測量，測量它隨溫度，波長，材料改變的函數(shù)關系。與我自己預

6、料的相反，這項工作終于在1914成了愛因斯坦方程在很小的實驗誤差范圍內精確有效的第一次直接實驗證據，并且第一次直接從光電效應測定普朗克常數(shù)h”。光量子理論創(chuàng)立后，在固體比熱、輻射理論、原子光譜等方面都獲得成功，人們逐步認識到光具有波動和粒子二象屬性。光子的能量E=hr與頻率有關，當光傳播時，顯示出光的波動性，產生干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象；當光和物體發(fā)生作用時，它的粒子性又突出了出來。后來科學家發(fā)現(xiàn)波粒二象性是一切微觀物體的固有屬性，并發(fā)展了量子力學來描述和解釋微觀物體的運動規(guī)律，使人們對客觀世界的認識前進了一大步。牛頓-麥克斯韋-赫茲- 普朗克- 愛因斯坦- 密立根17世紀 19世紀 1887年

7、 20世紀初 （諾貝爾物理學獎）光是一種微粒流電磁場理論電磁波的發(fā)射與接收研究黑體輻射問題時，最先認識到量子假說歷經十年，解釋了光的直線光是一種電磁波發(fā)現(xiàn)當紫外光照射到假定黑體內的能量是的偉大意義，由 用實驗證實了傳播等性質 電磁波的能量接收電極的負極時，由不連續(xù)的能量子構成，光子假設得出了愛因斯坦的是連續(xù)的接收電極間更易與產生放電能量子的能量為hv著名的光電效應方程光量子理論六、實驗器材YJP-1普朗克常數(shù)測定實驗裝置各器件安裝在一個700×150×60mm的工作臺上（在箱體內部有DC12V穩(wěn)壓電源和AC220V/8V變壓器）。圖表示實驗裝置的光電原理。光源：12V，75

8、W鹵鎢燈；風扇：DC12V，0.17A，供光源散熱用；聚光器：由f=50mm和f=70mm兩個透鏡組成；單色儀：1型，光柵式；光電管：GD31A型；直流穩(wěn)壓電源：±1.8V，用數(shù)字電壓表；測量放大器：為電流放大，4檔倍率轉換，磁電式100A電流計。鹵鎢燈S發(fā)出的光束經透鏡L會聚到單色儀M的入射狹縫上，從單色儀出射狹縫發(fā)出的單色光投射到光電管PT的陰級金屬板K，釋放光電子（發(fā)生光電效應），A是集電級（陽極）。由光電子形成的光電流經放大器AM放大后可以被微安表測量。S：鹵鎢燈；L：透鏡；M：單色儀；G：光柵；PT：光電管；AM：放大器圖26.1普朗克常量實驗裝置光電原理七、實驗原理當一定

9、頻率的光照射到某些金屬表面時，可以使電子從金屬表面逸出，這種現(xiàn)象稱為光電效應，所逸出的電子稱為光電子。光電效應是光的經典電磁理論所不能解釋的。1905年，Entein依據Planck的能量子假說提出了光子的概念，使光電效應所有的實驗結果得以圓滿解釋。他認為光是一種粒子（即光子），頻率為的光子具有能量，當金屬中的電子吸收一個頻率為的光子時，便獲得能量h，如果該能量大于電子擺脫金屬表面約束所需要的逸出功A，電子就會從金屬中逸出。根據能量導恒定律有：（26-1）上式稱為Enstein方程，其中m,Vmax是光電子的質量和最大速度，1/2mV2maz是光電子逸出表面后所具有的最大功能。如果光子能量h小

10、于A時，電子不能逸出金屬表面，從而沒有光電效應產生；產生光電效應的最低頻率=A/h，稱為光電效應的截止頻率（又稱紅限）。不同金屬有不同的截止頻率，因為它們的逸出功各不相同。對于Enstein的假說，R.A.密立根從1905年Enstein的論文問世后經過十年左右艱苦卓絕的工作，1916年發(fā)表詳細的實驗論文，證實了Enstein方程，并精確測出了Planck常數(shù)。A.Enstein和R.A密立根都因光電效應等方面的貢獻，分別于1921年和1923年獲得諾貝爾獎金。按照R.A.密立根實驗思路，要求精確測定光電子最大動能和入射光頻率之間的關系。實驗采用圖26.1所示的原理。用不同頻率的單色光照射光電

11、管陰極K，用“減速電位法”測定陰極發(fā)射光電子的最大動能：當陽極A的負電位較小時，光電子損失一部分功能后，仍然可以達到陽極，形成的光電流由微電流測試儀 G測出。陽極的負電位逐漸增大，光電流會隨之變?。划旉枠O的負電位增大到某一值時，使動能最大的光電子剛好不能克服減速電場到達陽極，光電流降為零（如圖6.2所示），這時有關系式：(26-2)這個使光電流剛剛降為零的電壓Uc稱為截止電壓。由此，方程（26-1）可改寫成：即（26-3）它表示UC與n間存在線性關系，其斜率等于h/e，因而可以從對UC與n的數(shù)據分析中求出Planck常數(shù)。圖26.3一定頻率光下曲線圖26.2實驗原理圖圖26.4實測I-U曲線光

12、電效應實驗驗證Enstein方程，測定Planck常數(shù)，原理比較簡單，但實際工作需要排除一些干擾，才能獲得具有一定精度并且可以重復的結果。主要的影響因素有：1暗電流：光電管在沒有受到光照時也會產生電流，稱為暗電流，主要來自光電管極的熱電子發(fā)射。2反向電流：光電管的兩極材料不同，在工業(yè)制作過程時，陽極A往往濺有陰極材料。當光射到A上時，陽極A往往也有電子發(fā)射；此外來自陰極的電子也有被陽極表面反射的可能。當對陰極電子加負壓使之減速時，對來自陽極的電子卻起了加速的作用，從而使之到達陽極，形成反向電流。由于上述因素的干擾，實測光電效應為陰極電流、暗電流和反射電流之和（圖26.3）。由于反向電流和暗電流

13、的存在，使得截止電壓的測定變得困難。對于不同的光電管，應根據I-U曲線的特點，選用不同的方法確定截止電壓。這里介紹一種較為簡單確定截止電壓的方法。本實驗選取的GD31A型光電管，在截止電壓附近陽極光電流上升很快，從I-U曲線中找出電流開始變化的“抬頭點”，用來確定截止電壓Uc。實驗中一般采用切線交會法，即將變化緩慢的暗電流和反向電流的切線與光電流上升得快曲線的切線相交，對應的反向電壓即為截止電壓Uc。八、實驗內容1.接通鹵鎢燈電源，松開聚光器緊定螺絲，伸縮聚光鏡筒，并適當轉動橫向調節(jié)紐，使光束會聚到單色儀的入射狹縫上。2.單色儀的調節(jié)（1）單色儀的參數(shù)波長范圍 200-800nm狹縫固定寬度0

14、.3mm波長精度±1nm波長重復性±0.5nm（2）將光電管前的擋光板置于擋光位置。轉動波長讀數(shù)鼓輪（螺旋測微器），觀察通過出射縫到達擋光板的從紅到紫的各種單色光斑，直到波長度數(shù)鼓輪轉到零位置，擋光板上出現(xiàn)白光?？赡馨l(fā)生的零位偏差，實驗讀數(shù)中應予以修正。圖26.5 WGD-100小型光柵單色儀圖26.6 單色儀的讀數(shù)裝置（3）單色儀輸出的波長示值是利用螺旋測微器讀取的。如圖26.6所示，讀數(shù)裝置的小管上有一條橫線，橫線上下刻度的間隔對應著50 nm的波長。鼓輪左端的圓錐臺周圍均勻地劃分成50個小格，每小格對應1 nm。當鼓輪的邊緣與小管上的“0”刻線重合時，單色儀輸出的是零

15、級光譜。而當鼓輪邊緣與小管上的“5”刻線重合時，波長示值為500nm。4、切斷“放大測量器”的電源，接好光電管與放大測量器之間的電纜，再通電預熱20-30min后，調節(jié)該測量放大器的零點位置。3.測量光電管的伏安特性（1）取下暗盒蓋，讓光電管對準單色儀出射狹縫（縫寬仍取較窄一檔），按上述螺旋測微器與波長示值的對應規(guī)律，在可見光范圍內選擇一種波長輸出，根據微安表指示，找到峰值，并設置適當?shù)谋堵拾存I；（2）調節(jié)“放大測量器”的“旋鈕1”可以改變外加直流電壓。從1V起，緩慢調高外加直流電壓，先注意觀察一遍電流變化情況，記住使電流開始明顯升高的電壓值；（3）針對各階段電流變化情況，分別以不同的間隔施加

16、遏止電壓，讀取對應的電流值。在上一步觀察到的電流起升點附近，要增加監(jiān)測密度，以較小的間隔采集數(shù)據（電流轉正后，可適當加大測試間隔，電流可測到90×10-9A為止）；（4）陸續(xù)選擇適當間隔的另外5-7種波長光進行同樣測量，列表記錄數(shù)據。注意事項：1. GD-31A型光電管屬高靈敏度光電管，但產品個體之間靈敏度可能會有較大差別，其中該指標較低的光電管，不同頻率單色光的幾條伏安特性曲線容易靠得太近。這時可在一張35×25cm格紙上分作兩圖，使曲線間有適當距離。2.測微電流時必須確認表針停穩(wěn)后才可以讀數(shù)。3.實驗中要注意可能出現(xiàn)的微電流計指針的漂移現(xiàn)象。遇短時間的漂移，實驗可暫停片刻；對數(shù)據有較大影響時，部分測量可以重做；若電網電壓波動較大，鹵鎢燈宜配接交流穩(wěn)壓器。九、實驗數(shù)據記錄與處理1. 選擇400-550nm之間適當間隔的任意波長作伏安特性曲線，將測量數(shù)據記錄于表26.1中。表26.1伏安特性數(shù)據記錄表序號 1/nm2/nm3/nm4/nm5/nm V/v I/uA V/v I/uA V/v I/uA V/v I/uAV/vI/uA1234.建議：1=577.0nm（黃）2=546.1nm（綠） 3=435.8nm（藍） 4=404.7nm（紫） 5=365.0nm（近紫外） 2. 在35×25cm或25&#