大物仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、大物仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 物理仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 光電效應(yīng)與普朗克常量得確定 一、實(shí)驗(yàn)簡介 105 年，年僅6 歲得愛因斯坦提出光量子假說,發(fā)表了在物理學(xué)發(fā)展史上具有里程碑意義得光電效應(yīng)理論，0 年后被具有非凡才能得物理學(xué)家密里根用光輝得實(shí)驗(yàn)證實(shí)了。兩位物理大師之間微妙得默契配合推動了物理學(xué)得發(fā)展，她們都因光電效應(yīng)等方面得杰出貢獻(xiàn)分別于 191 年與92年獲得諾貝爾物理學(xué)獎. 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)及其光量子理論得解釋在量子理論得確立與發(fā)展上,在揭示光得波粒二象性等方面都具有劃時(shí)代得深遠(yuǎn)意義。利用光電效應(yīng)制成得光電器件在科學(xué)技術(shù)中得到廣泛得應(yīng)用，并且至今還在不斷開辟新得應(yīng)用領(lǐng)域，具有廣闊得應(yīng)用前景。 二、實(shí)驗(yàn)

2、目得 （1）了解光電效應(yīng)基本規(guī)律，加深對光量子論得認(rèn)識與理解； (2）了解光電管得結(jié)構(gòu)與性能，并測定其基本特性曲線; (3）驗(yàn)證愛因斯坦光電效應(yīng)方程,并測量普朗克常量. 三、實(shí)驗(yàn)原理 當(dāng)光照在物體上時(shí),光得能量僅部分地以熱得形式被物體吸收，而另一部分則轉(zhuǎn)換為物體中某些電子得能量,使電子逸出物體表面,這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)，逸出得電子稱為光電子.在光電效應(yīng)中,光顯示出它得粒子性質(zhì),所以這種現(xiàn)象對認(rèn)識光得本性,具有極其重要得意義. 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理如圖 1 所示。其中 s 為真空光電管,為陰極，a 為陽極。當(dāng)無光照射陰極時(shí)，由于陽極與陰極就是斷路,所以檢流計(jì)中無電流流過,當(dāng)用一波長比較短得單色光照射

3、到陰極 k 上時(shí),形成光電流，光電流隨加速電位差 u變化得伏安特性曲線如圖 2 所示. 1、光電流與入射光強(qiáng)度得關(guān)系 光電流隨加速電位差 u 得增加而增加,加速電位差增加到一定量值后,光電流達(dá)到飽與值，飽與電流與光強(qiáng)成正比，而與入射光得頻率無關(guān)。當(dāng)變成負(fù)值時(shí)，光電流迅速減小。實(shí)驗(yàn)指出，有一個(gè)遏止電位差存在，當(dāng)電位差達(dá)到這個(gè)值時(shí),光電流為零。 2、光電子得初動能與入射光頻率之間得關(guān)系 光電子從陰極逸出時(shí),具有初動能.在減速電壓下,光電子在逆著電場力方向由 k 極向 a 極運(yùn)動.當(dāng) 時(shí),光電子不再能達(dá)到 a 極，光電流為零.所以電子得初動能等于它克服電場力所作得功。即 （1） 根據(jù)愛因斯坦關(guān)于光得

4、本性得假設(shè),光就是一粒一粒運(yùn)動著得粒子流,這些光粒子稱為光子。每一光子得能量為,其中為普朗克常量,為光波得頻率。所以不同頻率得光波對應(yīng)光子得能量不同。光電子吸收了光子得能量之后,一部分消耗于克服電子得逸出功 a,另一部分轉(zhuǎn)換為電子動能。由能量守恒定律可知 （) 式（2）稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程. 由此可見，光電子得初動能與入射光頻率成線性關(guān)系,而與入射光得強(qiáng)度無關(guān). 、光電效應(yīng)有光電閾存在 實(shí)驗(yàn)指出,當(dāng)光得頻率時(shí),不論用多強(qiáng)得光照射到物質(zhì)都不會產(chǎn)生光電效應(yīng),根據(jù)式(2), ，稱為紅限。 愛因斯坦，光電效應(yīng)方程同時(shí)提供了測普朗克常量得一種方法：由式（1） 與(2)可得： 。當(dāng)用不同頻率（)得單色

5、光分別做光源時(shí)，就有 任意聯(lián)立其中兩個(gè)方程就可得到 由此若測定了兩個(gè)不同頻率得單色光所對應(yīng)得遏止電位差即可算出普朗克常量,也可由直線得斜率求出 h。 因此，用光電效應(yīng)方法測量普朗克常量得關(guān)鍵在于獲得單色光、測得光電管得伏安特性曲線與確定遏止電位差值。 實(shí)驗(yàn)中，單色光可由水銀燈光源經(jīng)過單色儀選擇譜線產(chǎn)生。水銀燈就是一種氣體放電光源，點(diǎn)燃穩(wěn)定后,在可見光區(qū)域內(nèi)有幾條波長相差較遠(yuǎn)得強(qiáng)譜線，如表 1 所示。單色儀得鼓輪讀數(shù)與出射光得波長存在一一對應(yīng)關(guān)系,由單色儀得定標(biāo)曲線,即可查出出射單色光得波長(有關(guān)單色儀得結(jié)構(gòu)與使用方法請參閱有關(guān)說明書),也可用水銀燈（或白熾燈)與濾光片聯(lián)合作用產(chǎn)生單色光. 為了

6、獲得準(zhǔn)確得遏止電位差值，本實(shí)驗(yàn)用得光電管應(yīng)該具備下列條件： （1）對所有可見光譜都比較靈敏； （2）陽極包圍陰極,這樣當(dāng)陽極為負(fù)電位時(shí),大部分光電子仍能射到陽極; (3)陽極沒有光電效應(yīng),不會產(chǎn)生反向電流； （4）暗電流很小。 但就是實(shí)際使用得真空型光電管并不完全滿足以上條件。由于存在陽極光電效應(yīng)所引起得反向電流與暗電流（即無光照射時(shí)得電流），所以測得得電流值,實(shí)際上包括上述兩種電流與由陰極光電效應(yīng)所產(chǎn)生得正向電流三個(gè)部分,所以伏安曲線并不與 u 軸相切。由于暗電流就是由陰極得熱電子發(fā)射及光電管管殼漏電等原因產(chǎn)生，與陰極正向光電流相比，其值很小，且基本上隨電位差呈線性變化，因此可忽略其對遏止電

7、位差得影響。陽極反向光電流雖然在實(shí)驗(yàn)中較顯著，但它服從一定規(guī)律.據(jù)此，確定遏止電位差值，可采用以下兩種方法： ()交點(diǎn)法： 光電管陽極用逸出功較大得材料制作,制作過程中盡量防止陰極材料蒸發(fā),實(shí)驗(yàn)前對光電管陽極通電，減少其上濺射得陰極材料,實(shí)驗(yàn)中避免入射光直接照射到陽極上，這樣可使它得反向電流大大減少,其伏安特性曲線與圖十分接近,因此曲線與 u 軸交點(diǎn)得電位差近似等于遏止電位差,此即交點(diǎn)法。 (2)拐點(diǎn)法: 光電管陽極反向光電流雖然較大,但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，若就是反向光電流能較快地飽與,則伏安特性曲線在反向電流進(jìn)入飽與段后有著明顯得拐點(diǎn)，如圖 3 所示，此拐點(diǎn)得電位差即為遏止電位差。 四、實(shí)驗(yàn)儀器及

8、使用方法 1、實(shí)驗(yàn)儀器 光電管，光源(汞燈），濾波片組(57、0m,546、nm，3、8nm,404、 7n，65nm 濾波片)，0、25%、0得濾光片，直流電源、檢流計(jì)（或微電流計(jì))、直流電壓計(jì)等。 、儀器得使用方法 (1)光源（汞燈)： 雙擊實(shí)驗(yàn)桌上光源小圖標(biāo)彈出光源得調(diào)節(jié)窗體，單擊調(diào)節(jié)窗體得光源開關(guān)可以關(guān)閉或打開光源. 光電管： 雙擊實(shí)驗(yàn)桌上光電管得小圖標(biāo)，彈出光電管得調(diào)節(jié)窗體；再單擊調(diào)節(jié)窗體中得光電管會彈出調(diào)節(jié)光電管得方向鍵。鍵：光電管水平向左移動,鍵,光電管水平向右移動，鍵:光電管垂直方向增加高度，鍵:光電管垂直方向減小高度. 雙擊調(diào)節(jié)窗體中光電管得背面(側(cè)面中得背面）,即可彈出顯示

9、光電管背面信息得窗體，以便完成實(shí)驗(yàn)中得線路連接。 (3)濾波片組盒子： 雙擊實(shí)驗(yàn)桌上得濾波片組盒子,彈出濾波片組盒子得調(diào)節(jié)窗體.盒子中存放有（77、0nm，56、1nm，435、8nm，4、7m,365nm 濾波片以及 50，%,0得濾光片)。 (4)電源及測試系統(tǒng)： 雙擊實(shí)驗(yàn)桌上得電源及測試系統(tǒng),彈出電源及測試系統(tǒng)得調(diào)節(jié)窗體.單擊電源開關(guān)可以打開或關(guān)閉電源；左擊電流檔，電流調(diào)小,右擊電流檔，電流調(diào)大;左擊電壓檔，電壓調(diào)小,右擊電壓檔，電壓調(diào)大;單擊電源極性按鈕可以改變電源輸出極性. 五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1、 接線電路圖如圖 4 所示。 在 577、nm、6、n、43、8m、04、7n四種單色光下分

10、別測出光電管得伏安特性曲線，并根據(jù)此曲線確定遏止電位差值，計(jì)算普朗克常量。 實(shí)驗(yàn)中光電流比較微弱,其值與光電管類型,單色光強(qiáng)弱等因素有關(guān),因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選用合適得測量儀器。例如,選用 gd-4、gd-、或 1977 型光電管，選用得檢流計(jì)得分度值應(yīng)在 a/分度左右。如果要測量更微弱得電流可用微電流計(jì),可測量 a 得電流。 由于光電管得內(nèi)阻很高，光電流如此之微弱,因此測量中要注意抗外界電磁干擾。并避免光直接照射陽極與防止雜散光干擾。 作得關(guān)系曲線，用一元線性回歸法計(jì)算光電管陰極材料得紅限頻率、逸出功及值，并與公認(rèn)值比較. 2、 測定光電管得光電特性曲線，即飽與光電流與照射光強(qiáng)度得關(guān)系，實(shí)驗(yàn)室提供有透光率0% ， 25 ,1%得濾光片,請用 57、0nm 波長為光源，在光電管、光源位置固定時(shí),測光電管得正向伏安特性曲線，驗(yàn)證飽與電流與