大學物理實驗2之光電效應(yīng)法測普朗克常量

1、1 1 歷史背景歷史背景2 2 實驗?zāi)康膶嶒災(zāi)康? 3 實驗原理實驗原理4 4 實驗器材實驗器材5 5 操作步驟和要領(lǐng)操作步驟和要領(lǐng)6 6 思考題思考題7 7 拓展性訓練拓展性訓練講授內(nèi)容講授內(nèi)容 8 8 實驗數(shù)據(jù)記錄及處理實驗數(shù)據(jù)記錄及處理1. 歷史背景歷史背景1.1 1.1 光的本性之爭：光的本性之爭：光的微粒說光的微粒說光是由一顆顆像小彈丸一樣的機械微粒所組成的粒子流，發(fā)光物體接連光是由一顆顆像小彈丸一樣的機械微粒所組成的粒子流，發(fā)光物體接連不斷地向周圍空間發(fā)射高速直線飛行的光粒子流，一旦這些光粒子進入不斷地向周圍空間發(fā)射高速直線飛行的光粒子流，一旦這些光粒子進入人的眼睛，沖擊視網(wǎng)膜，就

2、引起了視覺人的眼睛，沖擊視網(wǎng)膜，就引起了視覺1. 1. 歷史背景歷史背景伽桑狄（伽桑狄（Pierre Gassendi，1592-1655）1660年年艾薩克艾薩克牛頓（牛頓（Isaac Newton，1642-1726）1675年年成功解釋成功解釋：(1)光的直線傳播規(guī)律、光的直線傳播規(guī)律、(2)光的反射與折射光的反射與折射不能解釋不能解釋：(1)光束的獨立傳播、光束的獨立傳播、(2)光束可繞過障礙物的邊緣拐彎傳播光束可繞過障礙物的邊緣拐彎傳播代表人物：代表人物：1. 歷史背景歷史背景1.2 1.2 光的本性之爭：光的本性之爭：光的波動說光的波動說代表人物：代表人物：惠更斯認為：光是一種機械

3、波，由發(fā)光物體振動引起，依靠一種特殊的惠更斯認為：光是一種機械波，由發(fā)光物體振動引起，依靠一種特殊的叫做叫做“以太以太”的彈性媒質(zhì)來傳播的現(xiàn)象。的彈性媒質(zhì)來傳播的現(xiàn)象。赫茲通過實驗證實：證明電磁波確實同光一樣，能夠產(chǎn)生反射、折射、赫茲通過實驗證實：證明電磁波確實同光一樣，能夠產(chǎn)生反射、折射、干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象。干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象?；莞梗ɑ莞梗–hristiaan Huygens，1629-1695）托馬斯托馬斯楊（楊（Thomas Young，1773-1829）菲涅耳（菲涅耳（Augustin-Jean Fresnel，1788-1827）傅科（傅科（Jean-Bernard-L

4、on Foucault，1819-1868）赫茲（赫茲（Heinrich Rudolf Hertz，1857-1894）提出光是提出光是“機械波機械波”完成光的干涉實驗，證明光的波動性完成光的干涉實驗，證明光的波動性完成衍射實驗，成功地演示了明暗相間的衍射圖樣完成衍射實驗，成功地演示了明暗相間的衍射圖樣精確測量光速精確測量光速證明電磁波和光一樣證明電磁波和光一樣1. 歷史背景歷史背景1.3 1.3 光的本性之爭：光的本性之爭：光的波粒二象性光的波粒二象性波動學說致命威脅：波動學說致命威脅：（1）以太不存在：邁克爾遜）以太不存在：邁克爾遜莫雷實驗?zāi)讓嶒灒?）光電效應(yīng)）光電效應(yīng)解決之道：光的波粒

5、二象性解決之道：光的波粒二象性愛因斯坦（愛因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）“光光同時又是波，又是粒子，是連續(xù)的，又同時又是波，又是粒子，是連續(xù)的，又是不連續(xù)的自然界喜歡矛盾是不連續(xù)的自然界喜歡矛盾”德布羅意（德布羅意（Louis de Broglie，1892-1987）物質(zhì)波理論：實物粒子也具有波動性，物質(zhì)波理論：實物粒子也具有波動性，即和光一樣，也具有波動即和光一樣，也具有波動-粒子二象性。粒子二象性。1. 歷史背景歷史背景1.4 1.4 光的粒子性的重新解讀：光電效應(yīng)光的粒子性的重新解讀：光電效應(yīng)愛因斯坦（愛因斯坦（Albert Einstein，1879-1

6、955）赫茲（赫茲（Heinrich Rudolf Hertz，1857-1894）赫茲于赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)年發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)萊納德用實驗發(fā)現(xiàn)了萊納德用實驗發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)的重要規(guī)律光電效應(yīng)的重要規(guī)律菲利普菲利普萊納德萊納德（Philipp Eduard Anton von Lnrd，18621947）愛因斯坦則提出了正確的理論機制愛因斯坦則提出了正確的理論機制在赫茲的發(fā)射器里有一個火花間隙（spark gap），可以借著制造火花來生成與發(fā)射電磁波。在接收器里有一個線圈與一個火花間隙，每當線圈偵測到電磁波，火花間隙就會出現(xiàn)火花。由于火花不很明亮，為了更容易觀察到火花，他將整個接收器置入一個

7、不透明的盒子內(nèi)。他注意到最大火花長度因此減小。為了理清原因，他將盒子一部分一部分拆掉，發(fā)現(xiàn)位于接收器火花與發(fā)射器火花之間的不透明板造成了這屏蔽現(xiàn)象。假若改用玻璃來分隔，也會造成這屏蔽現(xiàn)象，而石英則不會。經(jīng)過用石英棱鏡按照波長將光波分解，仔細分析每個波長的光波所表現(xiàn)出的屏蔽行為，他發(fā)現(xiàn)是紫外線造成了光電效應(yīng)。1. 歷史背景歷史背景1.5 1.5 普朗克常量及其測量普朗克常量及其測量用于計算黑體輻射強用于計算黑體輻射強度的瑞利金斯定律度的瑞利金斯定律在輻射頻率趨向于無在輻射頻率趨向于無窮大時計算結(jié)果和實窮大時計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)無法吻合的物驗數(shù)據(jù)無法吻合的物理史事件。理史事件。紫外災(zāi)難紫外災(zāi)難馬克斯

8、馬克斯普朗克（普朗克（Max Planck，18581947）只有假定電磁波的發(fā)射和吸收是只有假定電磁波的發(fā)射和吸收是一份一份地進行的，計算的結(jié)果一份一份地進行的，計算的結(jié)果才能和試驗結(jié)果是相符。才能和試驗結(jié)果是相符。 能量子的概念能量子的概念h=6.6255910-34JsEhv1. 歷史背景歷史背景1.5 1.5 普朗克常量及其測量普朗克常量及其測量常用測量方法常用測量方法1. 黑體輻射直接計算法黑體輻射直接計算法2. 光電效應(yīng)法光電效應(yīng)法3. 射線連續(xù)譜短波限法射線連續(xù)譜短波限法4. X 射線原子游離法射線原子游離法5. X 射線光電效應(yīng)法射線光電效應(yīng)法6. 電子衍射法電子衍射法7. 康

9、普頓波長移位法康普頓波長移位法8. 電子一正電子對湮沒輻射法電子一正電子對湮沒輻射法9. 交流約瑟夫森效應(yīng)測量法交流約瑟夫森效應(yīng)測量法10. 量子霍爾效應(yīng)測量法量子霍爾效應(yīng)測量法11. 通電動圈直接測測量法通電動圈直接測測量法2. 實驗?zāi)康膶嶒災(zāi)康?通過測試光電效應(yīng)基本特性曲線，進一步認識理解光的量子性；通過測試光電效應(yīng)基本特性曲線，進一步認識理解光的量子性； 測定五種不同頻率的反向截止電壓，截止電壓與頻率的線性關(guān)測定五種不同頻率的反向截止電壓，截止電壓與頻率的線性關(guān)系，求出系，求出紅限紅限頻率；頻率； 驗證愛因斯坦光電方程，求普朗克常數(shù)。驗證愛因斯坦光電方程，求普朗克常數(shù)。2. 2. 實驗?zāi)?/p>

10、的實驗?zāi)康?. 實驗原理實驗原理3.1 3.1 實驗的相關(guān)現(xiàn)象和概念實驗的相關(guān)現(xiàn)象和概念3. 3. 實驗原理實驗原理光電效應(yīng)光電效應(yīng)：光照射到金屬表面時，有電子從：光照射到金屬表面時，有電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象。金屬表面逸出的現(xiàn)象。光電子光電子：逸出的電子。：逸出的電子。光電流光電流：光電子由：光電子由K K飛向飛向A A，回路中形成光電流。，回路中形成光電流。V VG GA AK K+ +R RE E+ +光電效應(yīng)實驗原理圖光電效應(yīng)實驗原理圖3. 實驗原理實驗原理3.2 3.2 實驗規(guī)律實驗規(guī)律V VG GA AK K+ +R RE E+ +光電效應(yīng)實驗原理圖光電效應(yīng)實驗原理圖(1) 僅當僅

11、當vv0（截止頻率）時才發(fā)生光電效應(yīng)，（截止頻率）時才發(fā)生光電效應(yīng)，截止頻率與材料有關(guān)，但與入射光強無關(guān)。截止頻率與材料有關(guān)，但與入射光強無關(guān)。(2) 截止電壓截止電壓U0 與入射光頻率具有線性關(guān)系。與入射光頻率具有線性關(guān)系。00UU0 曲線曲線3. 實驗原理實驗原理3.2 3.2 實驗規(guī)律實驗規(guī)律V VG GA AK K+ +R RE E+ +光電效應(yīng)實驗原理圖光電效應(yīng)實驗原理圖(3) 在同一頻率下，飽和光電流強度在同一頻率下，飽和光電流強度Im 正比于正比于入射光強入射光強P。1P2PIm1Im2I0UoAKU12PP 同一頻率同一頻率, ,不同入射光強時不同入射光強時I IU UAKAK

12、曲線曲線思考題：請自行建模推導，說明為什么電流會出現(xiàn)飽和，并分析影響飽和電流的因素。思考題：請自行建模推導，說明為什么電流會出現(xiàn)飽和，并分析影響飽和電流的因素。3. 實驗原理實驗原理3.2 3.2 實驗規(guī)律實驗規(guī)律V VG GA AK K+ +R RE E+ +光電效應(yīng)實驗原理圖光電效應(yīng)實驗原理圖(4)光電效應(yīng)是光電效應(yīng)是瞬時效應(yīng)瞬時效應(yīng)。當光照射到金屬表面。當光照射到金屬表面時，幾乎立即就有光電子逸出。時間小于時，幾乎立即就有光電子逸出。時間小于10-9s。無法用波動學的無法用波動學的“受迫振動受迫振動”解釋！解釋！經(jīng)典的電磁波動學說遇到困難經(jīng)典的電磁波動學說遇到困難解決之道：量子力學！解決

13、之道：量子力學！愛因斯坦的光子說成功解釋光電效應(yīng)實驗愛因斯坦的光子說成功解釋光電效應(yīng)實驗3. 實驗原理實驗原理3.3 3.3 愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋光量子光量子：光束由：光束由光子光子構(gòu)成，頻率為構(gòu)成，頻率為v的光束，光子能量為的光束，光子能量為E=hv。能量吸收量子化能量吸收量子化：當光子照到金屬表面時，金屬中的：當光子照到金屬表面時，金屬中的一個電子一次吸收且一個電子一次吸收且只能吸收一個光子只能吸收一個光子的能量，而不需積累能量的時間。的能量，而不需積累能量的時間。能量守恒能量守恒：電子把光子能量的一部分用來克服金屬表面對電子束縛而作功：電子把光子能量的一部分用

14、來克服金屬表面對電子束縛而作功A，余下的就成為電子離開金屬表面后的動能。余下的就成為電子離開金屬表面后的動能。愛因斯坦的光電效應(yīng)方程：愛因斯坦的光電效應(yīng)方程：21=2mVhvA 逸出功逸出功3. 實驗原理實驗原理3.3 3.3 愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋關(guān)于愛因斯坦光電效應(yīng)方程的討論：關(guān)于愛因斯坦光電效應(yīng)方程的討論：021=2AmVhvA= h vh vvh （1 1）當當hvA 時，時，vv0 ，電子立即逸出而不需時間積累。，電子立即逸出而不需時間積累。 同一頻率下，飽和光電流強度同一頻率下，飽和光電流強度Im 正比于入射光強正比于入射光強P。光電效應(yīng)具有瞬時性。光電效

15、應(yīng)具有瞬時性。4. 實驗器材實驗器材4. 4. 實驗器材實驗器材 汞燈汞燈 濾光片（提供濾光片（提供5個波長）個波長） GDH-1型光電管型光電管 微電流放大測量儀微電流放大測量儀5. 操作步驟和要領(lǐng)操作步驟和要領(lǐng)5.1 5.1 安全注意事項安全注意事項 汞燈一旦開啟，不要隨意關(guān)閉。汞燈一旦開啟，不要隨意關(guān)閉。 本實驗不必要求暗室環(huán)境，但應(yīng)避免背景光強的變化。本實驗不必要求暗室環(huán)境，但應(yīng)避免背景光強的變化。 實驗過程中注意隨時蓋上汞燈的遮光蓋，嚴禁讓汞光不經(jīng)過濾光片直接入實驗過程中注意隨時蓋上汞燈的遮光蓋，嚴禁讓汞光不經(jīng)過濾光片直接入射光電管窗口。射光電管窗口。 實驗結(jié)束時應(yīng)蓋上光電管暗箱和汞

16、燈的遮光蓋！實驗結(jié)束時應(yīng)蓋上光電管暗箱和汞燈的遮光蓋！ 儀器不宜在強磁場、強電場、強振動、高溫度、帶輻射物質(zhì)的環(huán)境下工作。儀器不宜在強磁場、強電場、強振動、高溫度、帶輻射物質(zhì)的環(huán)境下工作。5. 5. 操作步驟和要領(lǐng)操作步驟和要領(lǐng) 儀器存放時應(yīng)置于通風干燥處，加防塵罩。儀器存放時應(yīng)置于通風干燥處，加防塵罩。5. 操作步驟和要領(lǐng)操作步驟和要領(lǐng)5.2 5.2 實驗裝置布局實驗裝置布局實驗前的準備實驗前的準備（1）放置好儀器，用光窗蓋分別蓋住光電暗盒的光窗口和光源光窗口。接）放置好儀器，用光窗蓋分別蓋住光電暗盒的光窗口和光源光窗口。接通光源的電源開關(guān)，并預(yù)熱通光源的電源開關(guān)，并預(yù)熱10-30分鐘。分鐘

17、。（2）將微電流測試儀與光電管暗盒之間的導線連接好，調(diào)節(jié)光源光窗口與）將微電流測試儀與光電管暗盒之間的導線連接好，調(diào)節(jié)光源光窗口與光電管暗盒光窗口等高，光電管暗盒的中間置于光電管暗盒光窗口等高，光電管暗盒的中間置于40cm為宜。為宜。5. 操作步驟和要領(lǐng)操作步驟和要領(lǐng)5.3 5.3 實驗調(diào)節(jié)要領(lǐng)實驗調(diào)節(jié)要領(lǐng)測量光電管伏安特性曲線測量光電管伏安特性曲線（1）基本參數(shù)設(shè)置）基本參數(shù)設(shè)置 濾光片：濾光片：577nm；電壓量程：；電壓量程：-2V50V；電流量程：；電流量程：10-11A （2）光的強弱的設(shè)置）光的強弱的設(shè)置 強光：汞燈到光電管暗盒距離強光：汞燈到光電管暗盒距離30cm 弱光：汞燈到光

18、電管暗盒距離弱光：汞燈到光電管暗盒距離40cm 5. 操作步驟和要領(lǐng)操作步驟和要領(lǐng)5.3 5.3 實驗調(diào)節(jié)要領(lǐng)實驗調(diào)節(jié)要領(lǐng)測量截止電壓測量截止電壓（1）基本參數(shù)設(shè)置）基本參數(shù)設(shè)置 濾光片濾光片：365nm365nm、405nm405nm、436nm436nm、546nm546nm和和577nm577nm五選五選一；一； 電壓量程：電壓量程：-2V0V；電流量程：；電流量程：10-13A （2）截止電壓的判斷截止電壓的判斷實測光電管伏安特性曲線如右圖。實測光電管伏安特性曲線如右圖。實驗中光電管中還伴有三個現(xiàn)象，實驗中光電管中還伴有三個現(xiàn)象，反向電流反向電流、暗電流暗電流和和本底電流本底電流。曲。

19、曲線的下部轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€，轉(zhuǎn)變點線的下部轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€，轉(zhuǎn)變點B(抬抬頭點頭點)對應(yīng)的外電壓值為對應(yīng)的外電壓值為截止電壓截止電壓。5. 操作步驟和要領(lǐng)操作步驟和要領(lǐng)可以采取下面的幾種手段減小電流誤差：可以采取下面的幾種手段減小電流誤差：a) a) 陽極選擇脫出功很大的材料；陽極選擇脫出功很大的材料；b) b) 優(yōu)化結(jié)構(gòu)使得入射光或其散射光難以照射到陽極上；優(yōu)化結(jié)構(gòu)使得入射光或其散射光難以照射到陽極上；c) c) 提高兩極之間的絕緣性能。提高兩極之間的絕緣性能。滿足這些條件后實驗曲線逼近理論曲線，可以尋找滿足這些條件后實驗曲線逼近理論曲線，可以尋找實驗曲線與實驗曲線與U軸的交點作為截止電壓軸的交點作為截

20、止電壓。尋找方法：交點法尋找方法：交點法a a）粗調(diào)電壓至截止電壓附近）粗調(diào)電壓至截止電壓附近b b）在截至電壓附近）在截至電壓附近0.2V0.2V范圍內(nèi)每范圍內(nèi)每0.1V0.1V測一次陽極電流，仔細找到電流為零時測一次陽極電流，仔細找到電流為零時所對應(yīng)的電壓值所對應(yīng)的電壓值 c c）根據(jù)這）根據(jù)這5 5組數(shù)據(jù)分析出零電流對應(yīng)的組數(shù)據(jù)分析出零電流對應(yīng)的電壓電壓6. 思考題思考題 做本實驗時，如改變光電管上的照度，對做本實驗時，如改變光電管上的照度，對I-V曲線有何影響？曲線有何影響？ 光電管陰極上均涂有脫出功小的光敏材料，而陽極則選脫出功大的金屬制光電管陰極上均涂有脫出功小的光敏材料，而陽極則選脫出功大的金屬制造，為什么？造，為什么？ 光只有照射到金屬表面才可能發(fā)生光電效應(yīng)嗎？為什么？光只有照射到金屬表面才可能發(fā)生光電效應(yīng)嗎？為什