大學(xué)物理實驗光電效應(yīng)PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1大學(xué)物理實驗光電效應(yīng)大學(xué)物理實驗光電效應(yīng)特別注意：光電管易損壞！實驗前切勿打開桌面電源！第1頁/共32頁【實驗?zāi)康摹?、測定光電效應(yīng)的基本特性曲線，加深對光的量子性的認(rèn)識；2、驗證愛因斯坦方程，并測量普朗克常數(shù)以及陰極材料的“紅限”頻率。1. 測量普朗克常數(shù)h及“紅限”頻率0；2.測定光電管的伏安特性（I-U）曲線；3.測量飽和電流與光強（Im-P）關(guān)系?！緦嶒瀮?nèi)容】第2頁/共32頁普朗克常數(shù)介紹黑體輻射 251M21hckTTceh普朗克公式：紫外災(zāi)難 43M-TCT瑞利 金斯公式： 251MCTTCe維恩公式：引入h后使公式完全符合實驗曲線！SJh34106260755. 6第3頁

2、/共32頁光照射到金屬上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化。這類光變致電的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應(yīng)。赫茲在做電磁波實驗的時候，發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。H. R. Hertz1857 - 1894第4頁/共32頁初次試驗：1887年光電效應(yīng)是赫茲（）于驗證電磁波存在時意外發(fā)現(xiàn)的，然而這一現(xiàn)象是無法用麥克斯韋的經(jīng)典電磁理論對其做出成功解釋的。理論解釋：1905年愛因斯坦在普朗克（）量子假設(shè)的基礎(chǔ)上提出了光量子（光子）概念，并由此圓滿地解釋了光電效應(yīng)的各種實驗規(guī)律。再次試驗：10年后密立根（）以精湛的實驗技術(shù)驗證了愛因斯坦的光電效應(yīng)方程。獲得成就：愛因斯坦和密立根主要因光電效應(yīng)方面的杰出貢獻分別榮獲1921年和19

3、23年的諾貝爾物理學(xué)獎。光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和解釋極大推動了量子力學(xué)的發(fā)展！推動了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展！使得人類生活發(fā)生極大的變化！第5頁/共32頁利用光電效應(yīng)可以把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，動作迅速靈敏，因此利用光電效應(yīng)制作的光電器件在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)和文化生活領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用光電管就是應(yīng)用最普遍的一種光電器件 電磁波（光）電信號 光電器件（光敏管、光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏組件、色敏器件、光敏可控硅器件、光耦合器等光電器件）。 太陽能電池。 成像系統(tǒng)（CCD、微光夜視）。 光電倍增管第6頁/共32頁 圖中的Im是飽和光電流，它與“單位時間內(nèi)發(fā)射出的光電子數(shù)”有關(guān)，由入射光的強度

4、決定； 圖中的Us是反向截止電壓(遏止電壓)，它與“光電子的最大初動能”有關(guān)，由入射光的頻率決定：如圖所示的是光電流強度I隨光電管兩極間電壓U的變化曲線，相應(yīng)的物理意義是：入射光照射到陰極K時，由光電效應(yīng)產(chǎn)生的光電子以某一初動能飛出，光電子受電場力的作用向陽極A遷移而構(gòu)成光電流。 第7頁/共32頁每一種金屬都有一極限頻率（或稱截止頻率），即照射光的頻率不能低于某一臨界值。相應(yīng)的波長被稱做極限波長（或稱紅限波長）。當(dāng)入射光的頻率低于極限頻率時，無論多強的光都無法使電子逸出。光電效應(yīng)中產(chǎn)生的光電子的速度與光的頻率有關(guān)，而與光強無關(guān)。光電效應(yīng)的瞬時性。實驗發(fā)現(xiàn)，只要光的頻率高于金屬的極限頻率，光的亮

5、度無論強弱，光子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時的，即幾乎在照到金屬時立即產(chǎn)生光電流。響應(yīng)時間不超過10-9秒（1ns）。入射光的強度只影響光電流的強弱，即只影響在單位時間單位面積內(nèi)逸出的光電子數(shù)目。在光頻率不變的情況下，入射光越強，飽和電流越大，即一定頻率的光，入射光越強，一定時間內(nèi)發(fā)射的電子數(shù)目越多。第8頁/共32頁在光電效應(yīng)中，要釋放光電子顯然需要有足夠的能量。根據(jù)經(jīng)典電磁理論，光是電磁波，電磁波的能量決定于它的強度，即只與電磁波的振幅有關(guān)，而與電磁波的頻率無關(guān)。而實驗規(guī)律中的第一、第二兩點顯然用經(jīng)典理論無法解釋。經(jīng)典解釋存在截止頻率、光電效應(yīng)與光的頻率有關(guān)，而與光強無關(guān)。第三條也不能解釋，因為根據(jù)經(jīng)

6、典理論，對很弱的光要想使電子獲得足夠的能量逸出，必須有一個能量積累的過程而不可能瞬時產(chǎn)生光電子。第9頁/共32頁量子解釋（愛因斯坦）hE Ahmm221221mm軌道能脫出功第10頁/共32頁量子解釋（愛因斯坦）Ahmm221光電子的最大初動能 入射到金屬表面的光頻率越高，逸出的電子動能必然也越大，所以即使陰極不加電壓也會有光電子落入陽極而形成光電流，甚至陽極電位比陰極電位低時也會有光電子落到陽極，直至陽極電位低于某一數(shù)值時，所有光電子都不能到達陽極，光電流才為零。這個相對于陰極為負(fù)值的陽極電位US被稱為光電效應(yīng)的截止電壓(遏止電壓)。 SmeUm221AeUhShA0截止頻率愛因斯坦光電效應(yīng)

7、方程“紅限”頻率要想發(fā)射光電子流，必須Ahh0第11頁/共32頁 橫軸上的截距的物理含義是光電管陰極材料的極限頻率； 縱軸上的截距的物理含義是光電管陰極材料的溢出功的負(fù)值； 斜率的物理含義是普朗克常數(shù)AeUhSAmhm221量子解釋（愛因斯坦）AhEkm：如圖所示的是光電子最大初動能Ekm隨入射光頻率v的變化曲線，相應(yīng)的物理意義為:1912-1915年間，密立根第12頁/共32頁：如圖所示的是光電流強度I隨光電管兩極間電壓U的變化曲線。實際“IU ”曲線：實驗中影響光電效應(yīng)伏安特性的因素很多：暗電流、陽極電流、不同材料的接觸電壓以及照射光的非單色性。第13頁/共32頁曲線的下部轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€，轉(zhuǎn)變

8、點B(抬頭點)對應(yīng)的外加電壓值才是遏止電壓US。影響準(zhǔn)確測量的因素： 暗電流或本底電流：當(dāng)光電管陰極沒有受到光線照射時也會產(chǎn)生電子流，稱為暗電流。它是由電子的熱運動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：陽極的光電子發(fā)射是陽極材料在光照下發(fā)射的光電子，對這些光電子而言，外加反向電場是加速電場，因此它們很容易到達陰極，形成反向電流（陽極電流）。由于它們的存在，使得IU曲線較理論曲線下移，如圖所示。ZKY-GD-3型光電效應(yīng)實驗儀第14頁/共32頁SUv0v上式表明 與入射光頻率 成直線關(guān)系，實驗

9、中可用不同頻率的入射光照射，分別測量相應(yīng)的截止電壓 ，就可作出 的實驗直線，此直線的斜率就是 SU由該直線與橫軸的交點，可求出“紅限”頻率 。這就是密立根驗證愛因斯坦光電效應(yīng)方程的主要實驗思想。vUSehk 則普朗克常數(shù)ekh普朗克常數(shù)的測量原理SmeUm221AeUhSAh0)(0ehUS第15頁/共32頁ZKY-GD-3型光電效應(yīng)實驗儀 普朗克常數(shù)的測量 濾光片及光闌 第16頁/共32頁普朗克常數(shù)的測量測試儀光電管暗盒光電管光闌濾光片高壓汞燈汞燈電源ZKY-GD-3光電效應(yīng)實驗儀結(jié)構(gòu)示意圖五種帶通型濾光片安裝在接收暗盒的進光窗口上，以獲得所需要的單色光。第17頁/共32頁普朗克常數(shù)的測量光

10、闌濾光片第18頁/共32頁普朗克常數(shù)的測量ZKY-GD-3光電效應(yīng)實驗儀結(jié)構(gòu)示意圖實驗（1）用實驗（23）用調(diào)零和測量切換調(diào)零量程第19頁/共32頁ZKY-GD-3型光電效應(yīng)實驗儀特點 由于其特殊結(jié)構(gòu)使光不能直接照射到陽極； 由陰極反射照到陽極的光也很少； 加上采用新型的陰、陽極材料及制造工藝，使得陽極反向電流、光電管暗電流大大降低；0U由此測定的光電管的伏安特性曲線 點與 點基本重合。因而可以把實測電流為零時對應(yīng)的光電管電壓值作為截止電壓，此種方法稱為零電流法。0U普朗克常數(shù)的測量ZKY-GD-3型光電效應(yīng)實驗儀采用了新型結(jié)構(gòu)的光電管。第20頁/共32頁普朗克常數(shù)的測量（1）把汞燈及光電管暗

11、盒遮光蓋蓋上，將汞燈暗盒光輸出口對準(zhǔn)光電管暗盒光輸入口，調(diào)整光電管與汞燈距離為約40cm并保持不變。將測試儀及汞燈電源接通，預(yù)熱20分鐘。（）（2）測試儀調(diào)零：將“電流量程”選擇開關(guān)置于10-13A檔位，儀器在充分預(yù)熱后，進行測試前調(diào)零。調(diào)零時，將“調(diào)零/測量”切換開關(guān)切換到“調(diào)零”檔位，旋轉(zhuǎn)“電流調(diào)零”旋鈕使電流指示為“000”。調(diào)節(jié)好后，將“調(diào)零/測量”切換開關(guān)切換到“測試”檔位，就可以進行實驗了。第21頁/共32頁普朗克常數(shù)的測量1.測量普朗克常數(shù)、“紅限”頻率本實驗采用ZKY-GD-3型光電效應(yīng)實驗儀。由于其特殊結(jié)構(gòu)使暗電流大大降低，由此測定的光電管的伏安特性曲線與基本重合。因而可以把

12、實測電流為零時對應(yīng)的光電管電壓值作為截止電壓，此種方法稱為零電流法。（1）用零電流法測定h和由于光電管的陽極反向電流、暗電流、本底電流及極間接觸電位差等因素的影響，實測電流為零時對應(yīng)的光電管的電壓并非截止電壓，而對應(yīng)于UI實驗曲線反向電流開始趨于常量的點（拐點），因此，通過實驗測量光電管的伏安特性，根據(jù)UI實驗曲線分析其“拐點”，由此得出截止電壓。此方法稱為“拐點法”。第22頁/共32頁普朗克常數(shù)的測量1.測量普朗克常數(shù)、“紅限”頻率將電壓選擇按鍵置于-2V0V檔，電流量程選擇在10-13A擋，重新調(diào)節(jié)測試儀零點。將直徑為4mm的光闌及的濾色片裝在光電管暗盒光輸入口上。調(diào)節(jié)電壓UAK，使光電流

13、指示為零，此時測試儀所顯示的電壓值即為與入射光頻率對應(yīng)的截止電壓。更換其余四個濾光片（注意：更換濾光片時先將汞燈用遮光蓋蓋上?。?，測出各頻率的光所對應(yīng)的截止電壓。重復(fù)上述測量步驟，測量4組數(shù)據(jù)。平均值4321 截止電壓5.1965.4906.8797.4088.214頻率 （1014Hz）577.0546.1435.8404.7365.0波長 （nm）)(VUS數(shù)據(jù)記錄表格一(每種情況測量四次)第23頁/共32頁普朗克常數(shù)的測量將電壓選擇按鍵置于-2V+30V檔；將“電流量程”選擇開關(guān)置于10-12A檔, 重新調(diào)節(jié)測試儀零點。將直徑2mm的光闌及577nm的濾色片裝在光電管暗盒光輸入口上。從低

14、到高調(diào)節(jié)電壓，記錄電流從零到非零點所對應(yīng)的電壓值作為第一組數(shù)據(jù)，之后電壓間隔取，一直測到UAK左右為止。 換上直徑4mm及8mm的光闌,重復(fù)上述測量步驟。2.測量光電管的伏安特性曲線（IU曲線）577nm光闌2mmUAK（V）I（10-12）577nm光闌4mmUAK（V）I（10-12）數(shù)據(jù)記錄表格二577.0nm光闌8mmUAK（V）I（10-12）第24頁/共32頁普朗克常數(shù)的測量3.驗證光電管的飽和光電流與入射光強的正比關(guān)系 將“電流量程”選擇開關(guān)置于10-11A檔，重新調(diào)節(jié)測試儀零點。將電壓調(diào)到25V，在同一譜線,在同一入射距離下,記錄光闌分別為2mm，4mm，8mm時對應(yīng)的電流值。

15、 由于照到光電管上的光強與光闌面積成正比，用表三數(shù)據(jù)驗證光電管的飽和光電流與入射光強成正比。435.8nm光闌 2mm 4mm 8mmI（10-11A）546.1nm光闌 2mm 4mm 8mmI（10-11A）數(shù)據(jù)記錄表格三由于照到光電管上的光強與光闌面積成正比，用表三數(shù)據(jù)驗證光電管的飽和光電流與入射光強成正比。第25頁/共32頁【數(shù)據(jù)處理】普朗克常數(shù)的測量（一）根據(jù)表格一測量數(shù)據(jù)1作圖法 作出USv的實驗直線，由此直線的斜率k計算普朗克常數(shù)hek，與公認(rèn)值進行比較計算相對不確定度。 由該直線與橫軸的交點得出“紅限”頻率v0。2最小二乘法 根據(jù)最小二乘法求出直線方程 kaUSekh ka0 普朗克常數(shù)“紅限”頻率第26頁/共32頁【數(shù)據(jù)處理】普朗克常數(shù)的測量（二）根據(jù)表格二測量數(shù)據(jù)，作對應(yīng)于以上兩種波長及光強的伏安特性曲線。（三）根據(jù)表格三測量數(shù)據(jù)，作對應(yīng)于以上兩種波長的ImP關(guān)系曲線，并給出結(jié)論 第27頁/共32頁普朗克常數(shù)的測量第28頁/共32頁 光電效應(yīng)的實驗規(guī)律是什么？ 經(jīng)典的波動理論是如何解釋光電效應(yīng)的各條實驗規(guī)律? 愛因斯坦光量子假說的內(nèi)容是什么？它是如何解釋光電效應(yīng)的各條實驗規(guī)律? 密立根驗證愛因斯坦