光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、光電效應(yīng)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹浚?）了解光電效應(yīng)的規(guī)律，加深對(duì)光的量子性的認(rèn)識(shí)。（2）測(cè)量普朗克常量n【實(shí)驗(yàn)儀器】ZKY-GD-4光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀，其組成為：微電流放大器，光電管工作電源，光電管，濾色片, 汞燈。如下圖所示。實(shí)驗(yàn)儀rTL1汞燈電源2汞燈3濾色片4光闌5光電管6基座圖5 儀耀結(jié)梢圖【實(shí)驗(yàn)原理】光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示0入射光照射到光電管陰極Kt,產(chǎn)生的光電子在電場(chǎng) 的作用下向陽(yáng)極A辻移構(gòu)成光電流，改變外加電壓UaK,測(cè)量出光電流I的大小，即可得出光 電管的伏安特性曲線。光電效應(yīng)的基本實(shí)驗(yàn)事實(shí)如下：實(shí)臉原理圖特性曲線微止電壓U與入射 光頻卑V的關(guān)糸圖（1對(duì)應(yīng)于某一頻率，光電效應(yīng)的I-Uak

2、關(guān)系如圖2所示。從圖中可見，對(duì)一圧的頻率,有一電壓g當(dāng)Uak§Uo時(shí).電流為零.這個(gè)相對(duì)于陰極的負(fù)值的陽(yáng)極電壓U0,被稱為截止電壓。（2）當(dāng)UaksS后，I迅速增加，然后趨于飽和，飽和光電流珂的大小與入射光的強(qiáng)度P成正比。(3) 對(duì)于不同頻率的光其截止電壓的值不同，如圖3所示。(4) 截止電壓U0與頻率2的關(guān)系如圖4所示，5與V成正比。當(dāng)入射光頻率低于某極限值“0(“0隨不同金屬而異)時(shí)，不論光的強(qiáng)度如何，照射時(shí)間多長(zhǎng)，都沒有光電流產(chǎn) 生。(5)光電效應(yīng)是瞬時(shí)效應(yīng)。R卩使入射光的強(qiáng)度非常微弱，只要頻率大于“0 ,在開始照-9射后立即有光電子產(chǎn)生，所經(jīng)過(guò)的時(shí)間至多為10 秒的數(shù)量級(jí)。按

3、照愛因斯坦的光量子理論，光能并不像電磁波理論所想彖的那樣，分布在波陣而上, 而是集中在被稱之為光子的微粒上，但這種微粒仍然保持著頻率(或波長(zhǎng))的概念，頻率為V的光子具有能量E = hU. h為普朗克常數(shù)。當(dāng)光子照射到金屬表而上時(shí)，一次被金屬中的電子全部吸收，而無(wú)需積累能量的時(shí)間。電子把這能量的一部分用來(lái)克服金屬表而對(duì)它的 吸引力，余下的就變?yōu)殡娮与x開金屬表面后的動(dòng)能，按照能量守恒原理，愛因斯坦提出了著 名的光電效應(yīng)方程:1 2 hv = -mVg + A(1)J£ 2式中，A為金屬的逸出功，刃為光電子獲得的初始動(dòng)能。由該式可見，入射到金屬表而的光頻率越高，逸出的電子動(dòng)能越大，所以即使

4、陽(yáng)極電位 比陰極電位低時(shí)也會(huì)有電子落入陽(yáng)極形成光電流，直至陽(yáng)極電位低于截止電壓，光電流才為 零，此時(shí)有關(guān)系:陽(yáng)極電位高于截止電圧后，隨著陽(yáng)極電位的升I岳，陽(yáng)極對(duì)陰極發(fā)射的電子的收集作用越強(qiáng)，光電流隨之上升；當(dāng)陽(yáng)極電壓高到一定程度，已把陰極發(fā)射的光電子兒乎全收集到陽(yáng)極，再增加U力K時(shí)I不再變化，光電流出現(xiàn)飽和，飽和光電流切的大小與入射光的強(qiáng)度P成正比。光子的能量時(shí)，電子不能脫離金屬，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:= hv-A此式表明截止電壓5是頻率U的線性函數(shù)，直線斜率k = h/e,只要用實(shí)驗(yàn)方法得出不同的頻率對(duì)應(yīng)的截止電壓，求出

5、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解釋了光電效應(yīng)規(guī)律?！緦?shí)驗(yàn)步驟】i、測(cè)試前準(zhǔn)備1）將實(shí)驗(yàn)儀及汞燈電源接通（汞燈及光電管暗盒遮光蓋蓋上），預(yù)熱20mino2）調(diào)整光電管與汞燈距離為約40cm-/P保持不變。3）用專用連接線將光電管暗箱電壓輸入端與實(shí)驗(yàn)儀電壓輸出瑞（后而板上）連接起來(lái) （紅一紅，藍(lán)一藍(lán)）C4）將“電流雖程”選擇開關(guān)置于所選檔位，進(jìn)行測(cè)試前調(diào)零。調(diào)零時(shí)應(yīng)將光電管暗盒 電流輸出端K與實(shí)驗(yàn)儀微電流輸入端（后而板上）斷開，且必須斷開連線的實(shí)驗(yàn)儀一端。旋 轉(zhuǎn)“調(diào)零”旋鈕使電流指示為000. 0.5）調(diào)節(jié)好后，用高頻匹配電纜將電流輸入連接起來(lái)，按“調(diào)零確認(rèn)/系統(tǒng)淸零”

6、鍵，系 統(tǒng)進(jìn)入測(cè)試狀態(tài)。如果要?jiǎng)討B(tài)顯示采集曲線,需將實(shí)驗(yàn)儀的“信號(hào)輸出”端口接至示波器的“Y”輸入瑞, “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“IV/格" “掃描時(shí)間"旋鈕撥至約“ 20 us/格"O此時(shí)示波器將用輪流掃描的方式顯示5個(gè)存儲(chǔ)區(qū)中存儲(chǔ)的曲線.橫軸代表電壓Uak,縱軸代表電流I。2、測(cè)普朗克常數(shù)h:測(cè)量截止電壓時(shí)，“伏安特性測(cè)試/截止電壓測(cè)試”狀態(tài)鍵應(yīng)為截止電壓測(cè)試狀態(tài)，“電-13流量程”開關(guān)應(yīng)處于10A檔。1）乎動(dòng)測(cè)量 使“手動(dòng)/自動(dòng)”模式鍵處于手動(dòng)模式。 將直徑4tnm的光闌及

7、365. Onm的濾色片裝在光電管暗盒光輸入口上，打開汞燈遮光蓋。此時(shí)電壓表顯示Uak的值.單位為伏;電流表顯示與Uak對(duì)應(yīng)的電流值I,單位為所選擇的“電 流量程用電壓調(diào)節(jié)鍵f、一. f、i可調(diào)節(jié)Uak的值，一、一鍵用于選擇調(diào)節(jié)位，t .!鍵用于調(diào)節(jié)值的大小。 從低到高調(diào)節(jié)電壓（絕對(duì)值減?。?，觀察電流值的變化，尋找電流為零時(shí)對(duì)應(yīng)的Uak ,以其絕對(duì)值作為該波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的5的值，并將數(shù)據(jù)記于表1中。為盡快找到Uo的值，調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng) 從高位到低位，先確定髙位的值，再順次往低位調(diào)節(jié)。 依次換上365. 0 nm, 435. 8 nm, 546. Inm, 404. 7 nm的濾色片，重復(fù)以上測(cè)量步驟。2）自

8、動(dòng)測(cè)量按“手動(dòng)/自動(dòng)”模式鍵切換到自動(dòng)模式。此時(shí)電流表左邊的指示燈閃爍，表示系統(tǒng)處于自動(dòng)測(cè)量掃描范圍設(shè)置狀態(tài)，用電壓 調(diào)節(jié)鍵可設(shè)置掃描起始和終止電壓。（注：顯區(qū)左邊設(shè)置起始電壓，右邊設(shè)置終止電壓 實(shí)臉儀設(shè)有5個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，每個(gè)存儲(chǔ)區(qū)可存儲(chǔ)500組數(shù)據(jù)，由指示燈表示其狀態(tài)。燈亮表 示該存儲(chǔ)區(qū)已存有數(shù)據(jù)，燈不亮為空存儲(chǔ)區(qū)，燈閃爍表示系統(tǒng)預(yù)選的或正在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ) 區(qū)。 設(shè)置好掃描起始和終止電壓后，按動(dòng)相應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)按鍵，儀器將先淸除存儲(chǔ)區(qū)原有數(shù) 據(jù)，等待約30秒，然后按伽¥的步長(zhǎng)自動(dòng)掃描，并顯示、存儲(chǔ)相應(yīng)的電壓、電流值。掃描 完成后，儀器自動(dòng)進(jìn)入數(shù)據(jù)査詢狀態(tài)，此時(shí)査詢指示燈亮，顯示區(qū)顯示掃

9、描起始電壓和相應(yīng) 的電流值。用電壓調(diào)節(jié)鍵改變電壓值，就可査閱到在測(cè)試過(guò)程中，掃描電壓為當(dāng)前顯示值時(shí) 相應(yīng)的電流值。讀取電流為零時(shí)對(duì)應(yīng)的Uak ,以其絕對(duì)值作為該波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的U的值，并將 數(shù)據(jù)記于表1中。表15-U關(guān)系光闌孔<!>= mm波長(zhǎng) A i(nni)365.0404.7435.8546.1577.014頻率(XlO Hz)&2147.4086.8795.4905.196截止電壓手動(dòng)%(V)自動(dòng)按“査詢鍵，査詢指示燈滅，系統(tǒng)回復(fù)到掃描范囤設(shè)置狀態(tài)，可進(jìn)行下一次測(cè)量。將儀器與示波器連接，可觀察到Uak為負(fù)值時(shí)&譜線在選世的掃描范用內(nèi)的伏安待性曲線。3、測(cè)光電管的伏

10、安特性曲線：此時(shí)，將“伏安特性測(cè)試/截止電壓測(cè)試”狀態(tài)鍵切換至伏安特性測(cè)試狀態(tài)?！半娏髁砍獭遍_關(guān)應(yīng)撥至檔，并重新調(diào)零.將直徑4iam的光闌及所選譜線的濾色片裝在光電管暗盒光輸入口上。測(cè)伏安特性曲線可 選用“手動(dòng)/自動(dòng)"兩種模式之一，測(cè)量的最大范用為-150V。手動(dòng)測(cè)量時(shí)每隔0.5V記錄 一組數(shù)據(jù)，自動(dòng)測(cè)量時(shí)步長(zhǎng)為IV。記錄所測(cè)Uak及I的數(shù)據(jù)。 從低到高調(diào)節(jié)電壓，記錄電流從零到非零點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓值并作為第一組數(shù)據(jù)，以后電壓沒變化一崔值(可選為IV)記錄一組數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)記錄表中。換上546nm的濾色片，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟。在Uak為50V時(shí)，將儀器設(shè)這為手動(dòng)模式，測(cè)量記錄同一譜線、同一入射

11、距離、光闌分別為2mm, 4nm, 8mm時(shí)對(duì)應(yīng)的電流值于數(shù)據(jù)記錄表中。 在UaK為50V時(shí)，將儀器設(shè)置為手動(dòng)模式，測(cè)量井記錄同一譜線、同一光闌、不同入射距離時(shí)對(duì)應(yīng)的電流值于數(shù)據(jù)記錄表中?！緦?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理】(1) 求普朗克常數(shù)實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的數(shù)據(jù)如下表所示：5與關(guān)系數(shù)據(jù)記錄表02468124682光纜孔波長(zhǎng)人/nm365.0404. 7435.8546. 1577.0頻率 v,/(xlO'-*)& 2147. 4086. 8975.4905. 196截止電壓IWV-1.838-L 460-1.326-0.812-0. 668由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的截止電壓U。與光頻率的關(guān)系如下圖所示:截止電

12、壓與光頻率的關(guān)系曲線=kv Ah可知，上述直線的斜率為一，則普朗克常量為:e/? = 03746xl(rMxl602xl079j-$ = 60xl(rZj-$而由最小二乘法的得到的斜率的標(biāo)準(zhǔn)差為=0.013945 ,則可知所求的普朗克常量的不確定度為:5 =5 =刃095(3)» =l602xKr)9x318x0013945 xlO"*-* = 0.7x10"勺 J $測(cè)得的普朗克常量與公認(rèn)值九的相對(duì)誤差為:6.626 xlOf y-也=6.0x10®626xl0fi094 %實(shí)驗(yàn)得到的普郎克常數(shù)為:/? = (60±07)xl(r%s。（2）

13、做出兩種波長(zhǎng)及光強(qiáng)的伏安特性曲線實(shí)驗(yàn)中，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表如下：對(duì)于435. 8nm的濾色片，入射距離L=400ram,光闌4nnh數(shù)據(jù)記錄為:S關(guān)系-10123456789/（X10 忸）01.52.74. 16.37.58.610.21L813.614.8"腫10111281920/仗10叫）15.917.018. 119.219.520.321. 121.522.422.923.6Uak W2122232425262728293031"(xlO-WyV)24.024.725.325.826.326.627. 127.227.828.228.5323334353637

14、3839404142/(><10忸)2& 829.029.429.730. 130.330.530.831. 131. 131.44344454647484950/(><10忸)3L631.832. 132.632.833.233.333.4對(duì)于546. Inm的濾色片，入射距離L=400mm,光闌dnm.數(shù)據(jù)記錄為:-10123456789/(><10叫)-0.40.41.32.23.34. 14.65.25.76. 67.0匕"10111281920/(xlO-*'*A)7.07.27.6& 1& 3&

15、48.79.09.29.49.62122232425262728293031/(xlO-W/V)9.810.010110.310.410.510.610.711.011.011.03233343536373839404142/(xlO 忸)11. 111.211.211.311.411.411.611.61L611.611.6"腫4344454647484950/(xlO-"M)11.711.811.912. 112. 112.212.212.3由實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)繪制出的兩種波長(zhǎng)及光強(qiáng)的伏安特性曲線如下:波長(zhǎng)為435. 8nra 波長(zhǎng)為546. InmTOOCJ JJUncZ

16、Ulb4 /I - 105tr01020304e陰極電流為零時(shí)對(duì)應(yīng)電壓V/v不同波長(zhǎng)及光強(qiáng)下的伏安特性曲線（3）由于照到光電管上的光強(qiáng)與光闌面積成正比，用中數(shù)據(jù)驗(yàn)證光電管的飽和光電流與 入射光強(qiáng)成正比：同樣用中數(shù)據(jù)驗(yàn)證光電流與入射光強(qiáng)成正比。對(duì)于實(shí)驗(yàn)：在Uax為50V時(shí)，將儀器設(shè)置為手動(dòng)模式，測(cè)量記錄同一譜線、同一入匕k=50U射距離、光闌分別為2mm, ta, 8mm時(shí)對(duì)應(yīng)的電流值，數(shù)據(jù)記錄表如下:光闌血積S/ (mm 2)波長(zhǎng)為435. 8nra 波長(zhǎng)為546. Inm435. 8nm光闌孔2mm4 mm8mm/(xK)0A)9.333.8140.3546.Inm光闌孔2mm4 mm8mm

17、/(xK)OA)3.412.349.5L = 40Oi/H由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到飽和光電流與光闌而積的關(guān)系曲線如下:飽和光電流I與光蘭面積S的關(guān)系曲線圖由圖可知，飽和光電流I與光闌而積S在入射光波長(zhǎng)不變時(shí)成正比例關(guān)系而光強(qiáng)又與 光闌面枳成正比，從而驗(yàn)證了光電皆的飽和電流與入射光強(qiáng)成正比。對(duì)于實(shí)驗(yàn)，在Uak為50V時(shí)，將儀器設(shè)置為手動(dòng)模式，測(cè)量并記錄同一譜線、同一光闌、不同入射距離時(shí)對(duì)應(yīng)的電流值，來(lái)驗(yàn)證光電流與入射光強(qiáng)成正比-數(shù)據(jù)記錄表如下:435. 8nm入射距離L mm2400/(xlO-'A)51.028.31&212.59.3546. Inm入射距離L/mm2400/(xI0-*

18、"A)19.010.46.84.63.4L = 400/i/H匕K=5oy對(duì)于光闌而積S不變時(shí)，由于入射距離的變化，使同一波長(zhǎng)光的光強(qiáng)發(fā)生改變。嘗試將 光源看做點(diǎn)光源，其發(fā)出的光為球狀，則一楚距離處的光強(qiáng)與距離的平方成反比，與距離的 平方分之一成正比。若要驗(yàn)證光電流與入射光強(qiáng)成正比，可通過(guò)驗(yàn)證光電流與距離的平方分之一成線性關(guān)系而間接征得。根據(jù)/m-P關(guān)系，得到光電流與距離的平方分之一的關(guān)系曲線如圖所示:波長(zhǎng)為435. 8nm 波長(zhǎng)為546. Inm入射距離平方分之一L=2/(MJ2)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)系在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范帀內(nèi)，較好的符合了某種線性關(guān)系，證明了這 種假設(shè)具有成立的可能性0從而也證明了光電流與入射光強(qiáng)成正比?！緦?shí)驗(yàn)分析與誤差討論】1、陽(yáng)極反向電流，暗電流，本底電流如何影響測(cè)量結(jié)果？答：陽(yáng)極反向電流是由于光電管制造時(shí)由于光電管卩II極沾上少數(shù)陰極材料，則在入射光 照射或入射光從陰極反射到陽(yáng)極后都會(huì)造成陽(yáng)極電子發(fā)射。當(dāng)Uak值為為負(fù)值時(shí)，陽(yáng)極發(fā)射 的電子向陰極遷務(wù)形成陽(yáng)極反向電流，從而當(dāng)實(shí)驗(yàn)中測(cè)得電流為零時(shí)，對(duì)應(yīng)的Uak并非截止電壓，對(duì)實(shí)驗(yàn)造成誤差。而對(duì)于暗電流和本底電流是熱激發(fā)產(chǎn)生的光電流和雜質(zhì)光