光電效應(yīng)測(cè)普朗克常量實(shí)驗(yàn)報(bào)告新

1、南昌大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱：普通物理實(shí)驗(yàn)（2）實(shí)驗(yàn)名稱：光電效應(yīng)測(cè)普朗克常量學(xué)院：專業(yè)班級(jí)：學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：座位號(hào)：實(shí)驗(yàn)時(shí)間：實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、研究光電管的伏安特性及光電特性。2、比較不同頻率光強(qiáng)的伏安特性曲線與遏制電壓。3、了解光電效應(yīng)的規(guī)律，加深對(duì)光的量子性的理解。4、驗(yàn)證愛因斯坦光電效應(yīng)方程，并測(cè)定普朗克常量 h實(shí)驗(yàn)儀器:YGD-1普朗克常量測(cè)定儀（內(nèi)有 流測(cè)量放大器、A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xì)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(shí)驗(yàn)原理：光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)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(jì)，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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)時(shí)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(zhǎng)分別為：365nm, 405nm, 436nm, 546nm 577nm。無光照陰極時(shí)，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(shí)，由于陰極釋放出電子而形成陰 極光電流（簡(jiǎn)稱陰極電流）。加速電位差Uak越大，陰極電流越大，當(dāng)Uak增加到一定數(shù) 值后，陰極電流不 再增大而達(dá)到某一飽和值I h, I h的大小和照射光的強(qiáng)度成正比（如 圖2所示）。加速電位差Uak變?yōu)樨?fù)值時(shí)，陰極電流會(huì)迅速減少，當(dāng)加速電位差Uak負(fù)到 一定數(shù)值時(shí)，陰極電流變?yōu)椤?0”，與此對(duì)應(yīng)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(qiáng)度無關(guān)，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(qiáng)度成正比。2、光電子從陰極逸出時(shí)具有初動(dòng)能，其最大值等于它反抗電場(chǎng)力所做的功，即:-mv2 e Ua

4、2因?yàn)閁a，所示初動(dòng)能大小與光的強(qiáng)度無關(guān)，只是隨著頻率的增大而增大Ua的關(guān)系可用愛因斯坦方程表示如下：(2)實(shí)驗(yàn)時(shí)用不同頻率的單色光1, 2, 3, 4,照射陰極，測(cè)出相對(duì)應(yīng)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(shí)，無論用多強(qiáng)的光照射，都不可能逸出光電子。與此相對(duì)應(yīng)的光的頻率則稱為陰極的紅限，且用0（ 0 W/ h）來表示。實(shí)驗(yàn)時(shí)可以從Ua 圖的截距求得陰極的紅限和逸出功。本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是正確確定遏止電位差，畫出 Ua 圖。至于在實(shí)際測(cè)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(duì)如何確定

5、遏止電位差的問題作簡(jiǎn)要的分析與討論。遏止電位差的確定：如果使用的光電管對(duì)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(fù)值時(shí)，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(shí)是不會(huì)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(shí)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(huì)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(dāng)從陰極反射過來的散射光照到它時(shí)，便會(huì)發(fā)射出光電子 而形成陽極光電流。實(shí)驗(yàn)中測(cè)

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(jié)果，如圖5的實(shí)線所示。由圖5可見，由于陽極的污染，實(shí)驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)了反向電流。 特性曲線與橫軸交點(diǎn)的電流雖然等于“ 0”但陰極光電流并不等于“ 0”交點(diǎn)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(shí)際測(cè)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(jié)構(gòu)等種種原因，實(shí)際上陽極電流往往飽和緩慢，在加速電位差負(fù)到Ua時(shí)，陽極電流仍未達(dá)到飽和，所以反向電流剛開始飽和的拐點(diǎn)電得越快，兩者之差越小

7、。若在負(fù)電壓增至 Ua之前陽極電流已經(jīng)飽和，則拐點(diǎn)電位差就是遏止電位差Ua?？偠灾?，對(duì)于不同的光電管應(yīng)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(diǎn)的電位差Ua近似地當(dāng)作遏止電位差Ua （交點(diǎn)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(shí)的拐點(diǎn)電位差 Ua 當(dāng)作遏止電位差 Ua （拐點(diǎn)法）四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、測(cè)試前準(zhǔn)備：儀器連接：將FB807測(cè)試儀及汞燈電源接通（光電管暗箱調(diào)節(jié)到遮光位置），預(yù)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(cè)試儀后面板上電壓輸出連接起來 （紅對(duì)紅，黑對(duì)黑）。將“電流量程” 選擇開關(guān)置于合適檔位：測(cè)量截止電位時(shí)調(diào)到 10 13A,做伏安特性則調(diào)到10 10A（或 1011A）。測(cè)定儀在開機(jī)或改變電流量程后，都需要進(jìn)行調(diào)零。調(diào)零時(shí)應(yīng)將裝濾色片置 于 “0”，旋轉(zhuǎn)調(diào)零旋鈕使電流指示為 000.0。2、用FB807實(shí)驗(yàn)儀測(cè)定截止電壓、伏安特性：由于本實(shí)驗(yàn)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(cè)量各譜線的截止電壓 ?時(shí)，可采用零電流法（即交點(diǎn)法） ，即直接 將各譜線照射下測(cè)得的電流為零時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓 UAK 的絕對(duì)

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(cè)得的截止電壓與真實(shí) 值相差較??；且各譜線的截止電壓都相差？?對(duì)?- V曲線的斜率無大的影響，即對(duì) h 的測(cè)量不會(huì)產(chǎn)生大的影響。（1）測(cè)量截止電壓：工作電壓轉(zhuǎn)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(guān)應(yīng)置于 1013A 檔。在不接輸入信號(hào)的狀態(tài)下對(duì)微電流測(cè)量裝置調(diào)零。操作方法是：將暗盒前面的轉(zhuǎn)盤用手輕輕拉出約 3mn左右，即脫離定位銷，把4mnm勺光闌標(biāo)志對(duì)準(zhǔn) 上面的白點(diǎn)，使定位銷復(fù)位。再把裝濾色片的轉(zhuǎn)盤放在擋光位，即指示“ 0”對(duì)準(zhǔn)上面 的白點(diǎn)，在此狀態(tài)下測(cè)量光電管的暗電流。 然后把365n

10、m的濾色片轉(zhuǎn)到窗口 （通光口）， 此時(shí)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(duì)應(yīng)的電流 值I應(yīng)為負(fù)值。用電壓粗調(diào)和細(xì)調(diào)旋鈕，逐步升高工作電壓（即使負(fù)電壓絕對(duì)值減?。?， 當(dāng)電壓到達(dá)某一數(shù)值，光電管輸出電流為零時(shí)，記錄對(duì)應(yīng)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(fù)以上測(cè)量步驟。一一記錄 UAK 值。（2）測(cè)光電管的伏安特性曲線：此時(shí)，將工作電壓轉(zhuǎn)換按鈕按下，電壓調(diào)節(jié)范圍轉(zhuǎn)變?yōu)椋?V 30V，“電流量程”開關(guān)應(yīng)轉(zhuǎn)換至 1010A 檔，并重新調(diào)零。 其余操作步驟與“測(cè)

11、量截止電壓” 類同， 不過此時(shí)要把每一個(gè)工作電壓和對(duì)應(yīng)的電流值加以記錄， 以便畫出飽和伏安特性曲線， 并對(duì)該特性進(jìn)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(cè)Uak及I的數(shù)據(jù)到表2中，在坐標(biāo)紙上作對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)及光強(qiáng)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(cè)量并記錄對(duì)同一譜線、同一入射距離，而光闌分別為 2mm 4mm 8mm寸對(duì)應(yīng)的電流 值于表3中，驗(yàn)證光電管的飽和光電流與入射光強(qiáng)成正比。 觀察同一光闌下、不同距離（不同光強(qiáng)）、某條譜線在的飽和伏安特性曲線。在Uak為30/時(shí)，測(cè)量并記錄對(duì)同一譜線、同一光闌時(shí)，光電管與入射光

12、在不同距 離，女口 300mm 350mm 400mn等對(duì)應(yīng)的電流值于表4中，同樣可以驗(yàn)證光電管的飽和 電流與入射光強(qiáng)成正比。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析處理：由表1的實(shí)驗(yàn)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(rèn)值?0比較，求出實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差E = （?- ?）?0，式中常數(shù)? = 1.602 X10 19?，?0 = 6.626 X 10- 34?。表 1 : ? - V波長(zhǎng)?/ ?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(duì)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(cè)定普朗克常量的關(guān)鍵是什么？怎樣根據(jù)光電管的特性曲線選擇適宜的測(cè)定遏 止電動(dòng)勢(shì)？?的方法。答：2、從遏止電動(dòng)勢(shì)？?與入射光的頻率v的關(guān)系曲線中，你能確定陽極材料的逸出功嗎?答：3、本實(shí)驗(yàn)存在哪些誤差來源？實(shí)驗(yàn)中如何解決這些問題？ 答：在用光電效應(yīng)測(cè)定普朗克常量的實(shí)驗(yàn)中的誤差來源主要來自單色光不夠嚴(yán) 格以及陰極光電流的遏止電勢(shì)差的確定，而影響陰極光電流遏止電勢(shì)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(shí)驗(yàn)中主要通過分析陽