物理实验报告 普朗克常数测定

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物理实验报告

光电效应及普朗克常数的测定

*** ****** 2012/3/29

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【实验目的】

1．了解光电效应的规律，加深对光的量子性的理解。 2．测量普朗克常数 h。 【实验原理】

光电效应的实验原理如图 1 所示。当入射光照射到光电 管阴极K上时，产生的光电子在电场的作用下向阳极A迁移 构成光电流，改变外加电压UAK，测量光电流I的大小，即可 得出光电管的伏安特性曲线。 1．光电效应的基本特点：

（1）对应于某一频率光的光电效应，I—UAK关系如图 2 所 图 l 实验原理图

示。可见，对一定的频率，存在一电压U0，当UAK≤U0时， 电流为零，U0被称为截止电压，它与阴极材料的构成有关。

（2）当UAK≥U0后，I迅速增加，然后趋于饱和，饱和光电流IM的大小与入射光的强度P成正比。

（3）对于不同频率的光，其截止电压的值不同，如图 3 所示。

（4）作截止电压U0与频率ν的关系图如图 4 所示。 0与ν成正比关系。U但当入射光频率低于某极限值ν0 (ν0不同金属有不同的值)时，不论光的强度如何，照射时间多长，都没有光电流产生。

（5）光电效应是瞬时效应。即使入射光的强度非常微弱，只要频率大于ν0，一旦光照射靶上立即就有光电子产生。从光照射到光电子产生的间隔至多为 10-9秒的数量级。 2．光电效应的基本解释

按照爱因斯坦的光量子理论，光能并不像电磁波理论所想象的那样，分布在波阵面上，而是集中在被称之为光子的微粒上，但这种微粒仍然保持着频率(或波长)的概念，频率为 ν 的光子具有能量 E=hν，h 为普朗克常数。当光子照射到金属表面上时，一次为金属中的某个电子全部吸收，而无需积累能量的时间。电子把吸收光子的能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力，余下的就变为该电子离开金属表面后的动能，按照能量守恒原理，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程：

式中，A 为金属的逸出功，为光电子获得的初始动能。

由该式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能越大，所以即使阳极电位比阴极电位低时，也会有电子穿过两极间的势垒到达阳极形成光电流，直至阳极电位等于截止电压，这时光电流才为零， 此时有关系：

当阳极电位高于截止电压后，随着阳极电位的升高，阳极对阴极发射的电子的收集作用越强，光电流 随之上升。当阳极电压高到一定程度，已把阴极发射的光电子几乎全收集到阳极，再增加UAK时I不再变化，这时光电流出现饱和。饱和光电流IM的大小与入射光的强度P成正比。光子的能量hν0

此式表明截止电压 Uo 是频率 ν 的线性函数，直线斜率 k=h／e，只要用实验方法得出不同的频率对应的截止电压，求出直线斜率，就可算出普朗克常数 h。爱因斯坦的光量子理论成功地解释了光电效应规律。 【实验仪器】

ZKY-GD-4 智能光电效应实验仪

【实验内容和步骤】 测试前准备：

? 将实验仪及汞灯电源接通(汞灯及光电管暗箱遮光盖盖上)，预热 20 分钟。 ? 调整光电管与汞灯距离为约 40cm 并保持不变。 ? 按“调零确认/系统清零”键，系统进入测试状态。

1．测普朗克常数 h（手动测量）

a) 测量截止电压时，“伏安特性测

试／截止电压测试”状态键应为截止电压测试状态，“电流量程”开关应处于 10-14 A。

b) 使“手动／自动”模式键处于手

动模式。

c) 将直径 4mm 的光阑及 365.0nm

的滤色片装在光电管暗箱光输入口上，打开汞灯遮光盖。

d) 此时电压表显示UAx的值，单位为伏；电流表显示与UAx对应的电流值I，从低到高

调节电压(绝对值减小)，观察电流值的变化，寻找电流刚好为零时对应的UAK，以其绝对值作为该波长对应的U0的值。

2．测光电管的伏安特性曲线

a) 测量时，“伏安特性测试／截止电压测试”状态键应为伏安特性测试状态。“电流

量程”开关应拨至 10-11A档，并重新调零。

b) 将直径 4mm 的光阑及所选谱线的滤色片装在光电管暗箱光输入口上。 c) 分别测量五种滤光片从0-50V，每间隔2V，所得到的电流值。 3．测电流与光阑的关系

a) 选定一个波长的滤光片，装好。 b) 在L=400mm,的条件下

c) 测出不同光阑直径()的电流并作图 4．测电流与距离L的关系

选择一个波长的滤光片装好；

在=4mm，U=20V的条件下

测量不同距离（L=300mm,L=350mm,L=400mm）的电流并作图 【实验数据】

1、 测普朗克常数 h（手动测量） 波长（nm） 频率（*10Hz） U0 (*10) -14-14365.0 8.214 -1.569 35.420 (*10) -14405 7.408 -1.199 33.187 436 6.879 -1.018 (V) -4.905 546 5.490 -0.610 (*10) -28577 5.196 -0.499 226.807 由最小二乘法求最佳线性公式 有公式：y=A+Bx

B= A=

2、 测光电管的伏安特性曲线啊

U(V) I(*10) λ=365nm I(*10) -11-11

0 0 0 2 8.7 0.9 4 16.7 2.9 6 21.9 4.8 8 26.5 5.7 10 31.0 6.5 12 35.7 7.2 14 39.6 8.0 16 42.6 8.7 λ=405nm I(*10) λ=436nm I(*10) λ=546nm I(*10) λ=577nm U(V) I(*10) λ=365nm I(*10) λ=405nm I(*10) λ=436nm I(*10) λ=546nm I(*10) λ=577nm U(V) I(*10) λ=365nm I(*10) λ=405nm I(*10) λ=436nm I(*10) λ=546nm I(*10) λ=577nm

-11-11-11-11-11-11-11-11-11-11-11-11-110 0 0 18 45.0 9.3 13.8 7.2 4.6 36 67.1 13.7 20.0 9.6 5.8 1.2 0.3 0.1 20 47.7 9.9 14.8 7.4 4.7 38 68.5 14.0 20.4 9.9 6.0 4.8 1.4 0.8 22 50.6 10.5 15.7 7.6 5.8 40 70.0 14.2 20.8 10.3 6.1 7.4 3.6 2.1 24 53.0 11.2 16.4 7.8 5.0 42 71.4 14.5 20.9 10.5 6.4 8.5 4.8 3.0 26 55.4 11.7 17.2 8.2 5.1 44 74.4 14.6 21.1 10.7 6.5 9.6 5.6 3.6 28 58.4 12.1 17.9 8.6 5.2 46 75.4 14.8 21.4 10.8 6.6 10.9 6.2 3.9 30 61.0 12.5 18.4 9.0 5.4 48 76.6 15.0 21.7 10.9 6.6 12.0 6.7 4.2 32 63.0 12.9 18.9 9.3 5.6 50 77.8 15.1 22.2 11.0 6.7 13.0 7.0 4.5 34 64.0 13.3 19.4 9.6 5.8 - - - - - -

3、 测电流与光阑的关系

λ=436nm L=400mm U=20V

Φ(mm) I(*10-10A)

4、 测电流与距离L的关系

λ=436nm Φ=4mm U=20V

L(mm) I(*10-10A)

400 13.9 350 19.5 300 28.2 2 3.9 4 14.6 8 55.5

【思考题】

1、 光电流是如何产生的？测量它有何意义？

电子吸收光子的能量，使自身的动能增加飞出去。当能够能够到达对面极板时，便产生了电子的定向移动，即有电流。测量它是证明了爱因斯坦的量子理论，光子的能量是“一份一份”的被电子吸收。 2、 反向电流如何形成？它对截止电压的测量有何影响？如何判断它的大小？

由于阴极受热发射电子，电子具有初动能。当加上正向电压时，电子加速飞向正极（屏极）；当正向电压为0时，由于电子有初动能，部分继续飞向屏极；反向电压达一定值（截止电压）时，向屏极运动的，初动能最大的电子“刚好”不能达屏极，电流为0若反向电压略高，上述电子反回发射处，由于上述原因，就出现了反向电流。 3、 如何减少漏电流的影响？如何判断他的大小？

漏电流应该是由于电子吸收光子超各个方向飞去产生的

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