光電效應(yīng)實驗報告

北京科技大學(xué)【2】大學(xué)物理試驗報告光電效應(yīng)【試驗?zāi)繕?biāo)】懂得光電效應(yīng)的紀(jì)律,加深對光的量子性的生疏.測量普朗克常量h.【試驗儀器】ZKY-GD-4光電效應(yīng)試驗儀,其構(gòu)成為：微電流放大器,光電督工作電源,光電管,濾色片,汞燈.如以下圖所示.【試驗道理】光電效應(yīng)的試驗道理如圖1所示.入射光照耀到光電管陰極K上,產(chǎn)生的光電子在電場的感化下朝陽極A遷徙構(gòu)成光電流,轉(zhuǎn)變外加電壓,測量出光電流I的大小,即可得出光電管的伏安特征曲線.第112頁北京科技大學(xué)【2】大學(xué)物理試驗報告北京科技大學(xué)【2】大學(xué)物理試驗報告第第10頁，－共12頁光電效應(yīng)的根本試驗事實如下：〔1〕對應(yīng)于某一頻率,光電效應(yīng)的I-關(guān)系如圖2所示.從圖中可見,對必定的頻率,有一電壓U0,當(dāng)≦時,電流為零,這個相對于陰極的負(fù)值的陽極電壓U0,被稱為截止電壓.(2)當(dāng)≧后,I靈敏增長,然后趨于飽和,飽和光電流IM的大小與入射光的強(qiáng)度P成正比.(3)對于不同頻率的光,其截止電壓的值不同,如圖3所示.截止電壓U0與頻率的關(guān)系如圖4所示,與成正比.當(dāng)入射光頻率低于某極限值〔隨不同金屬而異〕時,不管光的強(qiáng)度假設(shè)何,照耀時間多長,都沒有光電流產(chǎn)生.光電效應(yīng)是瞬時效應(yīng).即使入射光的強(qiáng)度特別微弱,只要頻率大于,在開端照耀后馬上有光電子產(chǎn)生,所經(jīng)由的時間至多為秒的數(shù)目級.依據(jù)愛因斯坦的光量子理論,光能并不像電磁波理論所想象的那樣,散布在波陣面上,而是分散在被稱之為光子的微粒上,但這種微粒仍舊保持著頻率〔或波長〕的概念,頻率為的光子具有能量E=h,h為普朗克常數(shù).當(dāng)光子照耀到金屬外表上時,一次被金屬中的電子全體接收,而無需積聚能量的時間.電子把這能量的一局部用來戰(zhàn)勝金屬外表臨它的吸引力,余下的就變?yōu)殡娮臃珠_金屬外表后的動能,依據(jù)能量守恒道理,愛因斯坦提出了知名的光電效應(yīng)方程：〔1〕式中,A為金屬的逸出功,為光電子獲得的初始動能.由該式可見,入射到金屬外表的光頻率越高,逸出的電子動能越大,所以即使陽極電位比陰極電位低時也會有電子落入陽極形成光電流,直至陽極電位低于截止電壓,光電流才為零,此時有關(guān)系：〔2〕陽極電位高于截止電壓后,跟著陽極電位的上升,陽極對陰極放射的電子的收集感化越強(qiáng),光電流隨之上升;當(dāng)陽極電壓高到必定程度,已把陰極放射的光電子幾乎全收集到陽極,再增長時I不再變化,光電流消逝飽和,飽和光電流的大小與入射光的強(qiáng)度P成正比.光子的能量<A時,電子不能離開金屬,因而沒有光電流產(chǎn)生.產(chǎn)生光電效應(yīng)的最低頻率〔截止頻率〕是=A/h.將(2)式代入(1)式可得：〔3〕此式說明截止電壓是頻率的線性函數(shù),直線斜率kh/e,只要用試驗方法得出不同的頻率對應(yīng)的截止電壓,求出直線斜率,就可算出普朗克常數(shù)h.愛因斯坦的光量子理論成功地說清楚明白光電效應(yīng)紀(jì)律.【試驗步驟】1將試驗儀及汞燈電源接通〔汞燈及光電管暗盒遮光蓋蓋上〕,預(yù)熱20min.調(diào)劑光電管與汞燈距離為約40cm并保持不變.用專用連接線將光電管暗箱電壓輸入端與試驗儀電壓輸出端〔后面板上〕連接起來〔紅—紅,藍(lán)—藍(lán)〕.將“電流量程”選擇開關(guān)置于所選檔位,進(jìn)展測試前調(diào)零.調(diào)零時應(yīng)將光電管暗盒電流輸出端K與試驗儀微電流輸入端〔后面板上〕斷開,且必需斷開連線的試驗儀一端.扭轉(zhuǎn)“調(diào)零”旋鈕使電流指導(dǎo)為000.0.調(diào)整好后,用高頻匹配電纜將電流輸入連接起來,按“調(diào)零確認(rèn)/體系清零”鍵,體系進(jìn)入測試狀況.假設(shè)要動態(tài)顯示采集曲線,需將試驗儀的“旌旗燈號輸出”端口接至示波器的“Y”輸入端,“同步輸出”端口接至示波器的“外觸發(fā)”輸入端 .示波器“觸發(fā)源”開關(guān)撥至“外”,“Y衰減”旋鈕撥至約“1V/格”,“掃描時間”旋鈕撥至約“20μs/格”.此時示波器將用輪番掃描的方法顯示5個存儲區(qū)中存儲的曲線,橫軸代表電壓,縱軸代表電流I.測普朗克常數(shù)h：測量截止電壓時,“伏安特征測試/截止電壓測試”狀況鍵應(yīng)為截止電壓測試狀況,“電流量程”開關(guān)應(yīng)處于A檔.1〕手動測量①使“手動/主動”模式鍵處于手動模式.②將直徑4mm的光闌及365.0nm的濾色片裝在光電管暗盒光輸進(jìn)口上,翻開汞燈遮光蓋.此時電壓表顯示的值,單位為伏;電流表顯示與對應(yīng)的電流值I,單位為所選擇的“電流量程”.用電壓調(diào)整鍵→.←.↑.↓可調(diào)整的值,→.←鍵用于選擇調(diào)整位,↑.↓鍵用于調(diào)整值的大小.③從低到高調(diào)整電壓〔確定值減小〕,不雅察電流值的變化,查找電流為零時對應(yīng)的,以其確定值作為該波長對應(yīng)的的值,并將數(shù)據(jù)記于表1中.為盡快找到的值,調(diào)整時應(yīng)從高位到低位,先確定高位的值,再按序往低位調(diào)整.④依次換上365.0nm,435.8nm,546.1nm,404.7nm的濾色片,反復(fù)以上測量步驟.2〕主動測量①按“手動/主動”模式鍵切換到主動模式.此時電流表左邊的指導(dǎo)燈閃耀,表示體系處于主動測量掃描規(guī)模設(shè)置狀況,用電壓調(diào)整鍵可設(shè)置掃描肇端和終止電壓.〔注：顯區(qū)左邊設(shè)置肇端電壓,右邊設(shè)置終止電壓〕5500該存儲區(qū)已存稀有據(jù),燈不亮為空存儲區(qū),燈閃耀表示體系預(yù)選的或正在存儲數(shù)據(jù)的存儲區(qū).②設(shè)置好掃描肇端和終止電壓后,按動響應(yīng)的存儲區(qū)按鍵,儀器將先消退存儲區(qū)原稀有304mV儀器主動進(jìn)入數(shù)據(jù)查詢狀況,此時查詢指導(dǎo)燈亮,顯示區(qū)顯示掃描肇端電壓和響應(yīng)的電流值.用電壓調(diào)整鍵轉(zhuǎn)變電壓值,就可查閱到在測試進(jìn)程中,掃描電壓為當(dāng)前顯示值時響應(yīng)的電流U1波長λi(nm)365.0404.7435.8546.1577.0(×Hz)8.214波長λi(nm)365.0404.7435.8546.1577.0(×Hz)8.2147.4086.8795.4905.196截止電壓V)手動主動按“查詢”鍵,查詢指導(dǎo)燈滅,體系答復(fù)到掃描規(guī)模設(shè)置狀況,可進(jìn)展下一次測量.將儀器與示波器連接,可不雅察到為負(fù)值時各譜線在選定的掃描規(guī)模內(nèi)的伏安特征曲線.測光電管的伏安特征曲線：此時,將“伏安特征測試/截止電壓測試”狀況鍵切換至伏安特征測試狀況.“電流量A將直徑4mm的光闌及所選譜線的濾色片裝在光電管暗盒光輸進(jìn)口上.測伏安特征曲線可選用“手動/主動”兩種模式之一,測量的最大規(guī)模為-1～50V.手動測量時每隔0.5V記載一1V.記載所測及I①從低到高調(diào)整電壓,記載電流從零到非零點(diǎn)所對應(yīng)的電壓值并作為第一組數(shù)據(jù),以后電壓沒變化必定值〔1V〕記載一組數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)記載表中.546nm②在為50V時,將儀器設(shè)置為手動模式,測量記載統(tǒng)一譜線.統(tǒng)一入射距離.光闌分別為2mm,4mm,8mm③在為50V時,將儀器設(shè)置為手動模式,測量并記載統(tǒng)一譜線.統(tǒng)一光闌.不同入射距離時對應(yīng)的電流值于數(shù)據(jù)記載表中.【試驗數(shù)據(jù)處理】求普朗克常數(shù)試驗中測得的數(shù)據(jù)如下表所示：與關(guān)系數(shù)據(jù)記載表光纜孔4mm 365.0波長i/nm

404.7

435.8

546.1

577.0頻率i

/(1014)

8.214

7.408

6.897

5.490

5.196截止電壓U/V0i

-1.838

-1.460

-1.326

-0.812

-0.668由試驗數(shù)據(jù)得到的截止電壓U與光頻率的關(guān)系如以下圖所示：00-0.20123456789-0.4-0.6-0.8截止電壓與光頻率的關(guān)系曲線h由可知,e,則普朗克常量為：h0.374610141.6021019Js6.01014Jsbs 0.013945 而由最小二乘法的得到的斜率的標(biāo)準(zhǔn)差為 ,則可知所求的普朗克常量的不b確定度為：U eU et (3)s 1.60210193.180.01394510140.71034Jsh b 0.95 bh h測得的普朗克常量與公認(rèn)值0的相對誤差為：hhE h0

6.01034Js6.6261034Js0.0946.6261034Js壓壓電-1-1.2-1.4-1.6-1.8-2y=-0.3746x+1.2673R2=0.9959光的頻率Vi/(10^14Hz)試驗得到的普郎克常數(shù)為：

h(6.00.7)1034Js.做出兩種波長及光強(qiáng)的伏安特征曲線試驗中,得到的試驗數(shù)據(jù)記載表如下：435.8nm的濾色片,入射距離L=400mm4nm,數(shù)據(jù)記載為：U /V -1 0 1 2 3 4 5 6AKI/(1010A) 0 1.5 2.7 4.1 6.3 7.5 8.6 10.2U /V 10 11 12 13 14 15 16 17AKI/(1010A) 15.917.018.119.219.520.321.1 21.5U /V 21 22 23 24 25 26 27 28AKI/(1010A) 24.024.725.325.826.326.627.1 27.2U /V 32 33 34 35 36 37 38 39AKI/(1010A) 28.829.029.429.730.130.330.5 30.8U /V 43 44 45 46 47 48 49 50AKI/(1010A) 31.631.832.132.632.833.233.3 33.4546.1nm的濾色片,入射距離L=400mm4nm,數(shù)據(jù)記載為：關(guān)系IU關(guān)系A(chǔ)KU /V -1 0 1 2 3 4 5 6AKI/(1010A) -0.4 0.4 1.3 2.2 3.3 4.1 4.6 5.2U /V 10 11 12 13 14 15 16 17AKI/(1010A) 7.0 7.2 7.6 8.1 8.3 8.4 8.7 9.0U /V 21 22 23 24 25 26 27 28AKI/(1010A) 9.8 10.010.110.310.410.510.6 10.7U /V 32 33 34 35 36 37 38 39AKI/(1010A) 11.111.211.211.311.411.411.6 11.6U /V 43 44 45 46 47 48 49 50AKI/(1010A) 11.711.811.912.112.112.212.2 12.3

7 811.813.618 1922.422.929 3027.828.240 4131.131.17 85.7 6.618 199.2 9.429 3011.011.040 4111.611.6

914.82023.63128.54231.497.0209.63111.04211.6波長為435.8nm波長為435.8nm波長為546.1nm流電光陰極電流為零時對應(yīng)電壓V/v由試驗得到的數(shù)據(jù)繪制出的兩種波長及光強(qiáng)的伏安特征曲線如下：4035302520151050-10-50102030405060不同波長及光強(qiáng)下的伏安特征曲線由于照到光電管上的光強(qiáng)與光闌面積成正比,用②中數(shù)據(jù)驗證光電管的飽和光電流與入射光強(qiáng)成正比;同樣用③中數(shù)據(jù)驗證光電流與入射光強(qiáng)成正比.50V2mm,4mm,8mmIMP關(guān)系光闌孔2mm4mm8mmI/(1010A)9.3光闌孔2mm4mm8mmI/(1010A)9.333.8140.3光闌孔2mm4mm8mmI/(1010A)3.412.349.5435.8nm546.1nm由試驗數(shù)據(jù)得到飽和光電流與光闌面積的關(guān)系曲線如下：波長為435.8nm波長為435.8nm波長為546.1nm)160A01-1(/流電光和飽140120100806040200y=2.7923x-0.2695^0R2=0.9998y=0.9805x+0.1715R2=10102030405060I與光闌面積S由圖可知,飽和光電流I與光闌面積S在入射光波長不變時成正比例關(guān)系,而光強(qiáng)又與光闌面積成正比,從而驗證了光電管的飽和電流與入射光強(qiáng)成正比.對于試驗③,在為50V時,將儀器設(shè)置為手動模式,測量并記載統(tǒng)一譜線.統(tǒng)一光闌.不同入射距離時對應(yīng)的電流值,來驗證光電流與入射光強(qiáng)成正比.數(shù)據(jù)記載表如下：IMP關(guān)系UAK50VL400nm20025020025030035040051.028.318.212.59.320025030035040019.010.46.84.63.4435.8nm546.1nm

L/mmI/(1010A)入射距離L/mmI/(1010A)對于光闌面積S不變時,由于入射距離的變化,使統(tǒng)一波長光的光強(qiáng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)變.嘗試將光源看做點(diǎn)光源,其發(fā)出的光為球狀,則必定距離處的光強(qiáng)與距離的平方成反比,與距離的平方分之一成正比.假設(shè)要驗證光電流與入射光強(qiáng)成正比,可經(jīng)由過程驗證光電流與距離的平方分波長為435.8nm波長為546.1nm波長為435.8nm波長為546.1nm05060- y=2.2344x-5.8665040(30R2=0.9951y=0.8338x-2.2535I R220=0.994410光0051015202530入射距離平方分之一L^-2/(M^-2)之一成線性關(guān)系而間接征得.依據(jù)M 關(guān)系,得到光電流與距離的平方分之一的關(guān)系曲線如下圖:光電流強(qiáng)度與入射距離平方分之一的關(guān)系曲線由圖可知,其間關(guān)系在試驗誤差許可的規(guī)模內(nèi),較好的相符了某種線性關(guān)系,證清楚明白這種假設(shè)具有成立的可能性.從而也證清楚明白光電流與入射光強(qiáng)成正比.【試驗剖析與誤差評論辯論】陽極反向電流,暗電流,本底電流假設(shè)何影響測量成果？答：陽極反向電流是由于光電管束造時由于光電管陽極沾上少數(shù)陰極材料,則在入射光照耀或入射光從陰極