光電效應(yīng)和普朗克常量的測(cè)定-實(shí)驗(yàn)報(bào)告

-.z.光電效應(yīng)和普朗克常量的測(cè)定創(chuàng)建人：系統(tǒng)管理員總分：100實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私夤怆娦?yīng)的基本規(guī)律，學(xué)會(huì)用光電效應(yīng)法測(cè)普朗克常量；測(cè)定并畫(huà)出光電管的光電特性曲線。實(shí)驗(yàn)儀器水銀燈、濾光片、遮光片、光電管、光電效應(yīng)參數(shù)測(cè)試儀。實(shí)驗(yàn)原理光電效應(yīng)：當(dāng)光照射在物體上時(shí)，光子的能量一部分以熱的形式被物體吸收，另一部分則轉(zhuǎn)換為物體中一些電子的能量，是部分電子逃逸出物體表面。這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。愛(ài)因斯坦曾憑借其對(duì)光電效應(yīng)的研究獲得諾貝爾獎(jiǎng)。在光電效應(yīng)現(xiàn)象中，光展示其粒子性。光電效應(yīng)裝置：S為真空光電管。內(nèi)有電極板，A、K極板分別為陽(yáng)極和陰極。G為檢流計(jì)（或靈敏電流表）。無(wú)光照時(shí)，光電管內(nèi)部斷路，G中沒(méi)有電流通過(guò)。U為電壓表，測(cè)量光電管端電壓。由于光電管相當(dāng)于阻值很大的"電阻”，與其相比之下檢流計(jì)的內(nèi)阻基本忽略。故檢流計(jì)采用"內(nèi)接法”。用一波長(zhǎng)較短（光子能量較大）的單色光束照射陰極板，會(huì)逸出光電子。在電源產(chǎn)生的加速電場(chǎng)作用下向A級(jí)定向移動(dòng)，形成光電流。顯然，如按照?qǐng)D中連接方式，U越大時(shí)，光電流I勢(shì)必越大。于是，我們可以作出光電管的伏安特性曲線，U=I曲線關(guān)系大致如下圖：隨著U的增大，I逐漸增加到飽和電流值IH。另一方面，隨著U的反向增大，當(dāng)增大到一個(gè)遏制電位差Ua時(shí)，I恰好為零。此時(shí)電子的動(dòng)能在到達(dá)A板時(shí)恰好耗盡。光電子在從陰極逸出時(shí)具有初動(dòng)能，當(dāng)U=Ua時(shí)，此初動(dòng)能恰好等于其克服電場(chǎng)力所做的功。即：根據(jù)愛(ài)因斯坦的假設(shè)，每粒光子有能量。式中h為普朗克常量，為入射光波頻率。物體表面的電子吸收了這個(gè)能量后，一部分消耗在克服物體固有的逸出功A上，另一部分則轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能，讓其能夠離開(kāi)物體表面，成為光電子。于是我們得到愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程：由此可知，光電子的初動(dòng)能與入射光頻率成線性關(guān)系，而與光強(qiáng)度無(wú)關(guān)。（光強(qiáng)度只對(duì)單位時(shí)間內(nèi)逸出物體表面的光電子的個(gè)數(shù)產(chǎn)生影響）光電效應(yīng)的光電閾值：紅限：當(dāng)入射光頻率低于*一值時(shí)，無(wú)論用多強(qiáng)的光照都不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)。由光電效應(yīng)方程易得這個(gè)頻率，稱為紅限。測(cè)量普朗克常量的方法：用光波頻率為的單色光照射陰極板，測(cè)量其遏制電位差Ua。于是有：所以：這表明了截止電壓和光波頻率成正比。實(shí)驗(yàn)中獲得單色光的方法：使用水銀燈發(fā)出穩(wěn)定白光作為光源，再使用不同顏色的濾光片罩在光電管的入光口以得到相應(yīng)顏色的單色光，還可以使用不同透光度的遮光片罩在水銀燈的出光口以得到不同強(qiáng)度的光?？梢?jiàn)光區(qū)水銀燈的強(qiáng)譜線如下表所示：實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的誤差的預(yù)分析：為了獲得準(zhǔn)確的遏止電位差值，本實(shí)驗(yàn)用的光電管應(yīng)該具備下列條件：(1)對(duì)所有可見(jiàn)光譜都比較靈敏。(2)陽(yáng)極包圍陰極，這樣當(dāng)陽(yáng)極為負(fù)電位時(shí)，大部分光電子仍能射到陽(yáng)極。(3)陽(yáng)極沒(méi)有光電效應(yīng)，不會(huì)產(chǎn)生反向電流。(4)暗電流很小。但實(shí)際使用的光電管不可能滿足理想條件。我們必須考慮陽(yáng)極光電效應(yīng)引起的反向電流，以及無(wú)光照時(shí)，電路中的暗電流。則實(shí)際測(cè)得的電流應(yīng)包含三部分：正常光電效應(yīng)產(chǎn)生的電流、陽(yáng)極光電效應(yīng)產(chǎn)生反向電流、暗電流。于是實(shí)際測(cè)得的光電管的伏安特性曲線并不與*軸相切。（左圖：理想狀態(tài)；右圖：實(shí)際狀態(tài)）由于暗電流的值通常很小，且對(duì)U通常也滿足線性關(guān)系。故本實(shí)驗(yàn)中可以忽略其造成的影響。而陽(yáng)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：(1)交點(diǎn)法：光電管陽(yáng)極用逸出功較大的材料制作，制作過(guò)程中盡量防止陰極材料蒸發(fā)，實(shí)驗(yàn)前對(duì)光電管陽(yáng)極通電，減少其上濺射的陰極材料，實(shí)驗(yàn)中避免入射光直接照射到陽(yáng)極上，這樣可使它的反向電流大大減少，其伏安特性曲線與上面左圖（理想曲線）十分接近，因此曲線與U軸交點(diǎn)的電位差值近似等于遏止電位差Ua，此即交點(diǎn)法。(2)拐點(diǎn)法：光電管陽(yáng)極反向光電流雖然較大，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，若使反向光電流能較快地飽和，則伏安特性曲線在反向電流進(jìn)入飽和段后有著明顯的拐點(diǎn)，如上面右圖所示，此拐點(diǎn)的電位差即為遏止電位差。除了以上提到的可能誤差外，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的照明干擾和電磁干擾也會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)室應(yīng)盡量關(guān)燈，并且嚴(yán)格控制可能產(chǎn)生電磁干擾的儀器。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一、用不同顏色的濾光片分別得到五種不同波長(zhǎng)的單色光（365nm、405nm、436nm、546nm、577nm），分別測(cè)定每種光射入光電管時(shí)，光電管的伏安特性曲線，分別作出U-I特性曲線。二、使用濾光片得到577nm波長(zhǎng)的單色光，分別用不同透光度（25%、50%、75%、不遮光(100%)）的遮光片得到不同強(qiáng)度的光照，分別測(cè)量其飽和光電流Im，做出Im—透光率的關(guān)系圖。三、使用實(shí)驗(yàn)一中得到的數(shù)據(jù)，分別求出五種不同波長(zhǎng)的光照射光電管時(shí)的遏制電壓，并根據(jù)波長(zhǎng)求出光波頻率，作圖，用線性回歸得出逸出功A值和普朗克常量h值，并且計(jì)算出極限頻率。最后把測(cè)得的普朗克常量值與公認(rèn)值比較。計(jì)算相對(duì)誤差。四、計(jì)算涉及的相關(guān)公式數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一：測(cè)量光電管在不同波長(zhǎng)光照射下的伏安特性總分值：70(1)入射光波長(zhǎng)365nm的伏安特性◆(不計(jì)分)使用藍(lán)黑色濾光片,測(cè)得入射光波長(zhǎng)365nm的伏安特性數(shù)據(jù)如下：測(cè)量序號(hào)123456789101112131415161718192021222324電壓U/V電流I/μA◆(10分)根據(jù)相關(guān)的參數(shù)，獲得圖型信息(2)入射光波長(zhǎng)405nm的伏安特性◆(不計(jì)分)使用深藍(lán)色濾光片,測(cè)得入射光波長(zhǎng)405nm的伏安特性數(shù)據(jù)如下：測(cè)量序號(hào)123456789101112131415161718192021222324電壓U/V電流I/μA◆(10分)根據(jù)相關(guān)的參數(shù)，獲得圖型信息(3)入射光波長(zhǎng)436nm的伏安特性◆(不計(jì)分)使用藍(lán)綠色濾光片,測(cè)得入射光波長(zhǎng)436nm的伏安特性數(shù)據(jù)如下：測(cè)量序號(hào)123456789101112131415161718192021222324電壓U/V電流I/μA◆(10分)根據(jù)相關(guān)的參數(shù)，獲得圖型信息(4)入射光波長(zhǎng)546nm的伏安特性◆(不計(jì)分)使用金黃色濾光片,測(cè)得入射光波長(zhǎng)546nm的伏安特性數(shù)據(jù)如下：測(cè)量序號(hào)123456789101112131415161718192021222324電壓U/V電流I/μA◆(10分)根據(jù)相關(guān)的參數(shù)，獲得圖型信息(5)入射光波長(zhǎng)557nm的伏安特性◆(不計(jì)分)使用橙紅色濾光片,測(cè)得入射光波長(zhǎng)557nm的伏安特性數(shù)據(jù)如下：測(cè)量序號(hào)123456789101112131415161718192021222324電壓U/V電流I/μA◆(10分)根據(jù)相關(guān)的參數(shù)，獲得圖型信息(6)根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算紅線頻率以及普朗克常量◆(不計(jì)分)遏制電壓的絕對(duì)值|Ua|與光波頻率ν的關(guān)系如下：波長(zhǎng)λ/nm365405436546577頻率ν/THz遏止電壓|Ua|/V◆(10分)根據(jù)相關(guān)的參數(shù)，獲得圖型信息◆(4分)利用最小二乘法進(jìn)行線性回歸,得到普朗克常量h()=◆(2分)計(jì)算普朗克常量的相對(duì)誤差Er（%）=◆(4分)考慮紅限頻率ν0=A/h，得ν0(單位：Hz)=實(shí)驗(yàn)內(nèi)容二：研究飽和光電流Im與光強(qiáng)p之間的關(guān)系總分值：10(1)飽和光電流Im與光強(qiáng)p之間的關(guān)系◆(不計(jì)分)在光源上加不同的透光率的透光片，測(cè)量其飽和電流數(shù)據(jù)如下：透光率0.000.250.500.751.00飽和電流Im/μA◆(6分)根據(jù)相關(guān)的參數(shù)，獲得圖型信息◆(4分)假設(shè)飽和電流Im與光強(qiáng)p滿足Im=K*p+p0,