光電效應(yīng)修改教案

1、實(shí)驗(yàn)26 光電效應(yīng)測(cè)定普朗克常數(shù)一、教學(xué)目的：1通過(guò)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)加深對(duì)光的量子性的了解。2驗(yàn)證Enstein方程，并測(cè)定Planck常數(shù)。二、 重點(diǎn)與難點(diǎn)： 重點(diǎn)：獲得單色光、測(cè)得光電管的伏安特性曲線和確定遏止電位差值。 難點(diǎn)：準(zhǔn)確合理地找出各選定波長(zhǎng)的入射光的截止電壓。三、 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配：1、單色儀的參數(shù)波長(zhǎng)范圍 200-800nm狹縫固定寬度0.3mm波長(zhǎng)精度±1nm波長(zhǎng)重復(fù)性±0.5nm2、測(cè)量光電管的伏安特性四、 教學(xué)方法： 先由教師先講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、目的、原理及實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，然后在教師指導(dǎo)下分組實(shí)驗(yàn)。五、 教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)：實(shí)驗(yàn)背景自古以來(lái)，人們就試圖解釋光是

2、什么，到17世紀(jì)，研究光的反射、折射、成象等規(guī)律的幾何光學(xué)基本確立。牛頓等人在研究幾何光學(xué)現(xiàn)象的同時(shí)，根據(jù)光的直線傳播性，認(rèn)為光是一種微粒流，微粒從光源飛出來(lái)，在均勻物質(zhì)內(nèi)以力學(xué)規(guī)律作勻速直線運(yùn)動(dòng)。微粒流學(xué)說(shuō)很自然的解釋了光的直線傳播等性質(zhì)，在17、18世紀(jì)的學(xué)術(shù)界占有主導(dǎo)地位，但在解釋牛頓環(huán)等光的干涉現(xiàn)象時(shí)遇到了困難。1856年-1865年，麥克斯韋建立了電磁場(chǎng)理論，指出了光是一種電磁波，光的波動(dòng)理論得到確立。1887年赫茲在用兩套電極做電磁波的發(fā)射與接收的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)紫外光照射到接收電極的負(fù)極時(shí)，接收電極間更易與產(chǎn)生放電，赫茲的發(fā)現(xiàn)吸引許多人去做這方面的研究工作。光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律與經(jīng)典

3、的電磁理論是矛盾的，按經(jīng)典理論，電磁波的能量是連續(xù)的，電子的接受光的能量獲得動(dòng)能，應(yīng)該是光越強(qiáng)，能量越大，電子的初速度越大；實(shí)驗(yàn)結(jié)果是電子的初速與光速無(wú)關(guān)；按經(jīng)典理論，只要有足夠的光強(qiáng)和照射時(shí)間，電子就應(yīng)該獲得足夠的能量逸出金屬表面，與光波頻率無(wú)關(guān)；實(shí)驗(yàn)事實(shí)是對(duì)于一定的金屬，當(dāng)光波頻率高于某一值時(shí)，金屬一經(jīng)照射，立即有光電子產(chǎn)生；當(dāng)光波頻率低于該值時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)多強(qiáng)，照射時(shí)間多長(zhǎng)，都不會(huì)有光電子產(chǎn)生。光電效應(yīng)使經(jīng)典的電磁理論陷入困境，1900年，普朗克在研究黑體輻射問(wèn)題時(shí)，先提出了一個(gè)符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果的經(jīng)驗(yàn)公式，為了從理論上推導(dǎo)出這一公式，他采用了玻爾茲曼的統(tǒng)計(jì)方法，假定黑體內(nèi)的能量是由不連續(xù)的能量

4、子構(gòu)成，能量子的能量為hv。能量子的假說(shuō)具有劃時(shí)代的意義，但是無(wú)論是普朗克本人還是他的許多同時(shí)代人當(dāng)時(shí)對(duì)這一點(diǎn)都沒(méi)有充分認(rèn)識(shí)。愛(ài)因斯坦以他驚人的洞察力，最先認(rèn)識(shí)到量子假說(shuō)的偉大意義并予以發(fā)展，1905年，在其著名論文關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)試探性觀點(diǎn)中寫(xiě)道：“在我看來(lái)，如果假定光的能量在空間的分布是不連續(xù)的，就可以更好的理解黑體輻射、光致發(fā)光、光電效應(yīng)以及其他有關(guān)光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象的各種觀察結(jié)果。根據(jù)這一假設(shè)，從光源發(fā)射出來(lái)的光能在傳播中將不是連續(xù)分布在越來(lái)越大的空間之中，而是由一個(gè)數(shù)目有限的局限于空間各點(diǎn)的光量子組成，這些光量子在運(yùn)動(dòng)中不再分散，只能整個(gè)的被吸收或產(chǎn)生”。作為例證，愛(ài)因斯坦

5、由光子假設(shè)得出了著名的光電效應(yīng)方程，解釋了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。愛(ài)因斯坦的光子理論由于與經(jīng)典電磁波抵觸，一開(kāi)始受到懷疑和冷遇。一方面是因?yàn)槿藗兪軅鹘y(tǒng)觀念的束縛，另一方面是因?yàn)楫?dāng)時(shí)光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)精度不高，無(wú)法驗(yàn)證光電效應(yīng)方程。密立根從1904年開(kāi)始光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，歷經(jīng)十年，用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛(ài)因斯坦的光量子理論。兩位物理大師因在光電效應(yīng)等方面的杰出貢獻(xiàn)，分別于1921年和1923年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。密立根在1923年的領(lǐng)獎(jiǎng)演說(shuō)中，這樣談到自己的工作：“經(jīng)過(guò)十年之久的實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)和學(xué)習(xí)，有時(shí)甚至還遇到挫折，在這以后，我把一切努力針對(duì)光電子發(fā)射能量的精密測(cè)量，測(cè)量它隨溫度，波長(zhǎng)，材料改變的函數(shù)關(guān)系。與我自己預(yù)

6、料的相反，這項(xiàng)工作終于在1914成了愛(ài)因斯坦方程在很小的實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)精確有效的第一次直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)，并且第一次直接從光電效應(yīng)測(cè)定普朗克常數(shù)h”。光量子理論創(chuàng)立后，在固體比熱、輻射理論、原子光譜等方面都獲得成功，人們逐步認(rèn)識(shí)到光具有波動(dòng)和粒子二象屬性。光子的能量E=hr與頻率有關(guān)，當(dāng)光傳播時(shí)，顯示出光的波動(dòng)性，產(chǎn)生干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象；當(dāng)光和物體發(fā)生作用時(shí)，它的粒子性又突出了出來(lái)。后來(lái)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)波粒二象性是一切微觀物體的固有屬性，并發(fā)展了量子力學(xué)來(lái)描述和解釋微觀物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，使人們對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)前進(jìn)了一大步。牛頓-麥克斯韋-赫茲- 普朗克- 愛(ài)因斯坦- 密立根17世紀(jì) 19世紀(jì) 1887年

7、 20世紀(jì)初 （諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）光是一種微粒流電磁場(chǎng)理論電磁波的發(fā)射與接收研究黑體輻射問(wèn)題時(shí)，最先認(rèn)識(shí)到量子假說(shuō)歷經(jīng)十年，解釋了光的直線光是一種電磁波發(fā)現(xiàn)當(dāng)紫外光照射到假定黑體內(nèi)的能量是的偉大意義，由 用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了傳播等性質(zhì) 電磁波的能量接收電極的負(fù)極時(shí)，由不連續(xù)的能量子構(gòu)成，光子假設(shè)得出了愛(ài)因斯坦的是連續(xù)的接收電極間更易與產(chǎn)生放電能量子的能量為hv著名的光電效應(yīng)方程光量子理論六、實(shí)驗(yàn)器材YJP-1普朗克常數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置各器件安裝在一個(gè)700×150×60mm的工作臺(tái)上（在箱體內(nèi)部有DC12V穩(wěn)壓電源和AC220V/8V變壓器）。圖表示實(shí)驗(yàn)裝置的光電原理。光源：12V，75

8、W鹵鎢燈；風(fēng)扇：DC12V，0.17A，供光源散熱用；聚光器：由f=50mm和f=70mm兩個(gè)透鏡組成；單色儀：1型，光柵式；光電管：GD31A型；直流穩(wěn)壓電源：±1.8V，用數(shù)字電壓表；測(cè)量放大器：為電流放大，4檔倍率轉(zhuǎn)換，磁電式100A電流計(jì)。鹵鎢燈S發(fā)出的光束經(jīng)透鏡L會(huì)聚到單色儀M的入射狹縫上，從單色儀出射狹縫發(fā)出的單色光投射到光電管PT的陰級(jí)金屬板K，釋放光電子（發(fā)生光電效應(yīng)），A是集電級(jí)（陽(yáng)極）。由光電子形成的光電流經(jīng)放大器AM放大后可以被微安表測(cè)量。S：鹵鎢燈；L：透鏡；M：?jiǎn)紊珒x；G：光柵；PT：光電管；AM：放大器圖26.1普朗克常量實(shí)驗(yàn)裝置光電原理七、實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)一定

9、頻率的光照射到某些金屬表面時(shí)，可以使電子從金屬表面逸出，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)，所逸出的電子稱為光電子。光電效應(yīng)是光的經(jīng)典電磁理論所不能解釋的。1905年，Entein依據(jù)Planck的能量子假說(shuō)提出了光子的概念，使光電效應(yīng)所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得以圓滿解釋。他認(rèn)為光是一種粒子（即光子），頻率為的光子具有能量，當(dāng)金屬中的電子吸收一個(gè)頻率為的光子時(shí)，便獲得能量h，如果該能量大于電子擺脫金屬表面約束所需要的逸出功A，電子就會(huì)從金屬中逸出。根據(jù)能量導(dǎo)恒定律有：（26-1）上式稱為Enstein方程，其中m,Vmax是光電子的質(zhì)量和最大速度，1/2mV2maz是光電子逸出表面后所具有的最大功能。如果光子能量h小

10、于A時(shí)，電子不能逸出金屬表面，從而沒(méi)有光電效應(yīng)產(chǎn)生；產(chǎn)生光電效應(yīng)的最低頻率=A/h，稱為光電效應(yīng)的截止頻率（又稱紅限）。不同金屬有不同的截止頻率，因?yàn)樗鼈兊囊莩龉Ω鞑幌嗤?。?duì)于Enstein的假說(shuō)，R.A.密立根從1905年Enstein的論文問(wèn)世后經(jīng)過(guò)十年左右艱苦卓絕的工作，1916年發(fā)表詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)論文，證實(shí)了Enstein方程，并精確測(cè)出了Planck常數(shù)。A.Enstein和R.A密立根都因光電效應(yīng)等方面的貢獻(xiàn)，分別于1921年和1923年獲得諾貝爾獎(jiǎng)金。按照R.A.密立根實(shí)驗(yàn)思路，要求精確測(cè)定光電子最大動(dòng)能和入射光頻率之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)采用圖26.1所示的原理。用不同頻率的單色光照射光電

11、管陰極K，用“減速電位法”測(cè)定陰極發(fā)射光電子的最大動(dòng)能：當(dāng)陽(yáng)極A的負(fù)電位較小時(shí)，光電子損失一部分功能后，仍然可以達(dá)到陽(yáng)極，形成的光電流由微電流測(cè)試儀 G測(cè)出。陽(yáng)極的負(fù)電位逐漸增大，光電流會(huì)隨之變??；當(dāng)陽(yáng)極的負(fù)電位增大到某一值時(shí)，使動(dòng)能最大的光電子剛好不能克服減速電場(chǎng)到達(dá)陽(yáng)極，光電流降為零（如圖6.2所示），這時(shí)有關(guān)系式：(26-2)這個(gè)使光電流剛剛降為零的電壓Uc稱為截止電壓。由此，方程（26-1）可改寫(xiě)成：即（26-3）它表示UC與n間存在線性關(guān)系，其斜率等于h/e，因而可以從對(duì)UC與n的數(shù)據(jù)分析中求出Planck常數(shù)。圖26.3一定頻率光下曲線圖26.2實(shí)驗(yàn)原理圖圖26.4實(shí)測(cè)I-U曲線光

12、電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Enstein方程，測(cè)定Planck常數(shù)，原理比較簡(jiǎn)單，但實(shí)際工作需要排除一些干擾，才能獲得具有一定精度并且可以重復(fù)的結(jié)果。主要的影響因素有：1暗電流：光電管在沒(méi)有受到光照時(shí)也會(huì)產(chǎn)生電流，稱為暗電流，主要來(lái)自光電管極的熱電子發(fā)射。2反向電流：光電管的兩極材料不同，在工業(yè)制作過(guò)程時(shí)，陽(yáng)極A往往濺有陰極材料。當(dāng)光射到A上時(shí)，陽(yáng)極A往往也有電子發(fā)射；此外來(lái)自陰極的電子也有被陽(yáng)極表面反射的可能。當(dāng)對(duì)陰極電子加負(fù)壓使之減速時(shí)，對(duì)來(lái)自陽(yáng)極的電子卻起了加速的作用，從而使之到達(dá)陽(yáng)極，形成反向電流。由于上述因素的干擾，實(shí)測(cè)光電效應(yīng)為陰極電流、暗電流和反射電流之和（圖26.3）。由于反向電流和暗電流

13、的存在，使得截止電壓的測(cè)定變得困難。對(duì)于不同的光電管，應(yīng)根據(jù)I-U曲線的特點(diǎn)，選用不同的方法確定截止電壓。這里介紹一種較為簡(jiǎn)單確定截止電壓的方法。本實(shí)驗(yàn)選取的GD31A型光電管，在截止電壓附近陽(yáng)極光電流上升很快，從I-U曲線中找出電流開(kāi)始變化的“抬頭點(diǎn)”，用來(lái)確定截止電壓Uc。實(shí)驗(yàn)中一般采用切線交會(huì)法，即將變化緩慢的暗電流和反向電流的切線與光電流上升得快曲線的切線相交，對(duì)應(yīng)的反向電壓即為截止電壓Uc。八、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.接通鹵鎢燈電源，松開(kāi)聚光器緊定螺絲，伸縮聚光鏡筒，并適當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)橫向調(diào)節(jié)紐，使光束會(huì)聚到單色儀的入射狹縫上。2.單色儀的調(diào)節(jié)（1）單色儀的參數(shù)波長(zhǎng)范圍 200-800nm狹縫固定寬度0

14、.3mm波長(zhǎng)精度±1nm波長(zhǎng)重復(fù)性±0.5nm（2）將光電管前的擋光板置于擋光位置。轉(zhuǎn)動(dòng)波長(zhǎng)讀數(shù)鼓輪（螺旋測(cè)微器），觀察通過(guò)出射縫到達(dá)擋光板的從紅到紫的各種單色光斑，直到波長(zhǎng)度數(shù)鼓輪轉(zhuǎn)到零位置，擋光板上出現(xiàn)白光?？赡馨l(fā)生的零位偏差，實(shí)驗(yàn)讀數(shù)中應(yīng)予以修正。圖26.5 WGD-100小型光柵單色儀圖26.6 單色儀的讀數(shù)裝置（3）單色儀輸出的波長(zhǎng)示值是利用螺旋測(cè)微器讀取的。如圖26.6所示，讀數(shù)裝置的小管上有一條橫線，橫線上下刻度的間隔對(duì)應(yīng)著50 nm的波長(zhǎng)。鼓輪左端的圓錐臺(tái)周?chē)鶆虻貏澐殖?0個(gè)小格，每小格對(duì)應(yīng)1 nm。當(dāng)鼓輪的邊緣與小管上的“0”刻線重合時(shí)，單色儀輸出的是零

15、級(jí)光譜。而當(dāng)鼓輪邊緣與小管上的“5”刻線重合時(shí)，波長(zhǎng)示值為500nm。4、切斷“放大測(cè)量器”的電源，接好光電管與放大測(cè)量器之間的電纜，再通電預(yù)熱20-30min后，調(diào)節(jié)該測(cè)量放大器的零點(diǎn)位置。3.測(cè)量光電管的伏安特性（1）取下暗盒蓋，讓光電管對(duì)準(zhǔn)單色儀出射狹縫（縫寬仍取較窄一檔），按上述螺旋測(cè)微器與波長(zhǎng)示值的對(duì)應(yīng)規(guī)律，在可見(jiàn)光范圍內(nèi)選擇一種波長(zhǎng)輸出，根據(jù)微安表指示，找到峰值，并設(shè)置適當(dāng)?shù)谋堵拾存I；（2）調(diào)節(jié)“放大測(cè)量器”的“旋鈕1”可以改變外加直流電壓。從1V起，緩慢調(diào)高外加直流電壓，先注意觀察一遍電流變化情況，記住使電流開(kāi)始明顯升高的電壓值；（3）針對(duì)各階段電流變化情況，分別以不同的間隔施加

16、遏止電壓，讀取對(duì)應(yīng)的電流值。在上一步觀察到的電流起升點(diǎn)附近，要增加監(jiān)測(cè)密度，以較小的間隔采集數(shù)據(jù)（電流轉(zhuǎn)正后，可適當(dāng)加大測(cè)試間隔，電流可測(cè)到90×10-9A為止）；（4）陸續(xù)選擇適當(dāng)間隔的另外5-7種波長(zhǎng)光進(jìn)行同樣測(cè)量，列表記錄數(shù)據(jù)。注意事項(xiàng)：1. GD-31A型光電管屬高靈敏度光電管，但產(chǎn)品個(gè)體之間靈敏度可能會(huì)有較大差別，其中該指標(biāo)較低的光電管，不同頻率單色光的幾條伏安特性曲線容易靠得太近。這時(shí)可在一張35×25cm格紙上分作兩圖，使曲線間有適當(dāng)距離。2.測(cè)微電流時(shí)必須確認(rèn)表針停穩(wěn)后才可以讀數(shù)。3.實(shí)驗(yàn)中要注意可能出現(xiàn)的微電流計(jì)指針的漂移現(xiàn)象。遇短時(shí)間的漂移，實(shí)驗(yàn)可暫停片刻；對(duì)數(shù)據(jù)有較大影響時(shí)，部分測(cè)量可以重做；若電網(wǎng)電壓波動(dòng)較大，鹵鎢燈宜配接交流穩(wěn)壓器。九、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理1. 選擇400-550nm之間適當(dāng)間隔的任意波長(zhǎng)作伏安特性曲線，將測(cè)量數(shù)據(jù)記錄于表26.1中。表26.1伏安特性數(shù)據(jù)記錄表序號(hào) 1/nm2/nm3/nm4/nm5/nm V/v I/uA V/v I/uA V/v I/uA V/v I/uAV/vI/uA1234.建議：1=577.0nm（黃）2=546.1nm（綠） 3=435.8nm（藍(lán)） 4=404.7nm（紫） 5=365.0nm（近紫外） 2. 在35×25cm或25&#