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1、光电效应与普朗克常量得测定 创建人:系统管理员 总分:100 实验目得 了解光电效应得基本规律,学会用光电效应法测普朗克常量;测定并画出光电管得光电特性曲线。实验仪器 水银灯、滤光片、遮光片、光电管、光电效应参数测试仪。实验原理 光电效应:当光照射在物体上时,光子得能量一部分以热得形式被物体吸收,另一部分则转换为物体中一些电子得能量,就是部分电子逃逸出物体表面。这种现象称为光电效应。爱因斯坦曾凭借其对光电效应得研究获得诺贝尔奖。在光电效应现象中,光展示其粒子性。光电效应装置:S 为真空光电管。内有电极板,A、K 极板分别为阳极与阴极。G 为检流计(或灵敏电流表)。无光照时,光电管内部断路,G
2、中没有电流通过。U 为电压表,测量光电管端电压。由于光电管相当于阻值很大得“电阻”,与其相比之下检流计得内阻基本忽略。故检流计采用“内接法”。用一波长较短(光子能量较大)得单色光束照射阴极板,会逸出光电子。在电源产生得加速电场作用下向A级定向移动,形成光电流。显然,如按照图中连接方式,U越大时,光电流I势必越大。于就是,我们可以作出光电管得伏安特性曲线,U=I 曲线关系大致如下图:随着 U 得增大,I 逐渐增加到饱与电流值 IH。另一方面,随着 U 得反向增大,当增大到一个遏制电位差 Ua 时,I 恰好为零。此时电子得动能在到达 A 板时恰好耗尽。光电子在从阴极逸出时具有初动能,当 U=Ua
3、时,此初动能恰好等于其克服电场力所做得功。即:根据爱因斯坦得假设,每粒光子有能量。式中 h 为普朗克常量,为入射光波频率。物体表面得电子吸收了这个能量后,一部分消耗在克服物体固有得逸出功A上,另一部分则转化为电子得动能,让其能够离开物体表面,成为光电子。于就是我们得到爱因斯坦得光电效应方程:由此可知,光电子得初动能与入射光频率成线性关系,而与光强度无关。(光强度只对单位时间内逸出物体表面得光电子得个数产生影响)光电效应得光电阈值:红限:当入射光频率低于某一值时,无论用多强得光照都不会发生光电效应。由光电效应方程易得这个频率,称为红限。测量普朗克常量得方法:用光波频率为得单色光照射阴极板,测量其
4、遏制电位差 Ua。于就是有:所以:这表明了截止电压与光波频率成正比。实验中获得单色光得方法:使用水银灯发出稳定白光作为光源,再使用不同颜色得滤光片罩在光电管得入光口以得到相应颜色得单色光,还可以使用不同透光度得遮光片罩在水银灯得出光口以得到不同强度得光。可见光区水银灯得强谱线如下表所示:实验中可能出现得误差得预分析:为了获得准确得遏止电位差值,本实验用得光电管应该具备下列条件:(1)对所有可见光谱都比较灵敏。(2)阳极包围阴极,这样当阳极为负电位时,大部分光电子仍能射到阳极。(3)阳极没有光电效应,不会产生反向电流。(4)暗电流很小。但实际使用得光电管不可能满足理想条件。我们必须考虑阳极光电效
5、应引起得反向电流,以及无光照时,电路中得暗电流。那么实际测得得电流应包含三部分:正常光电效应产生得电流、阳极光电效应产生反向电流、暗电流。于就是实际测得得光电管得伏安特性曲线并不与x 轴相切。(左图:理想状态;右图:实际状态)由于暗电流得值通常很小,且对 U 通常也满足线性关系。故本实验中可以忽略其造成得影响。而阳极反向光电流虽然在实验中较显著,但它服从一定规律。据此,确定遏止电位差值,可采用以下两种方法:(1)交点法:光电管阳极用逸出功较大得材料制作,制作过程中尽量防止阴极材料蒸发,实验前对光电管阳极通电,减少其上溅射得阴极材料,实验中避免入射光直接照射到阳极上,这样可使它得反向电流大大减少
6、,其伏安特性曲线与上面左图(理想曲线)十分接近,因此曲线与U 轴交点得电位差值近似等于遏止电位差 Ua,此即交点法。(2)拐点法:光电管阳极反向光电流虽然较大,但在结构设计上,若使反向光电流能较快地饱与,则伏安特性曲线在反向电流进入饱与段后有着明显得拐点,如上面右图所示,此拐点得电位差即为遏止电位差。除了以上提到得可能误差外,实验室内得照明干扰与电磁干扰也会影响实验结果。实验室应尽量关灯,并且严格控制可能产生电磁干扰得仪器。实验内容 一、用不同颜色得滤光片分别得到五种不同波长得单色光(365nm、405nm、436nm、546nm、577nm),分别测定每种光射入光电管时,光电管得伏安特性曲线
7、,分别作出 U-I 特性曲线。二、使用滤光片得到 577nm 波长得单色光,分别用不同透光度(25%、50%、75%、不遮光(100%)得遮光片得到不同强度得光照,分别测量其饱与光电流 Im,做出 Im透光率得关系图。三、使用实验一中得到得数据,分别求出五种不同波长得光照射光电管时得遏制电压,并根据波长求出光波频率,作图,用线性回归得出逸出功 A 值与普朗克常量 h 值,并且计算出极限频率。最后把测得得普朗克常量值与公认值比较。计算相对误差。四、计算涉及得相关公式 数据处理 实验内容一:测量光电管在不同波长光照射下得伏安特性 总分值:70(1)入射光波长 365nm 得伏安特性 (不计分)使用
8、蓝黑色滤光片,测得入射光波长 365nm 得伏安特性数据如下:测量序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 22 23 24 电压 U/V 电流 I/A (10 分)根据相关得参数,获得图型信息(2)入射光波长 405nm 得伏安特性 (不计分)使用深蓝色滤光片,测得入射光波长 405nm 得伏安特性数据如下:测量序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 22 23 24 电压 U/V 电流 I/A (10 分)根据相关得参数,获得图型信息(3)入射光波长 436nm 得伏安特性 (不计分)使用蓝绿色滤光片,测得入射光波长 436nm 得伏安特性数据如下:测量序号 1 2 3
9、4 5 6 7 8 9 1 1 22 23 24 电压 U/V 电流I/A (10 分)根据相关得参数,获得图型信息 (4)入射光波长 546nm 得伏安特性 (不计分)使用金黄色滤光片,测得入射光波长 546nm 得伏安特性数据如下:测量序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 22 23 24 电压 U/V 电流 I/A (10 分)根据相关得参数,获得图型信息(5)入射光波长 557nm 得伏安特性 (不计分)使用橙红色滤光片,测得入射光波长 557nm 得伏安特性数据如下:测量序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 22 23 24 电压 U/V 电流 I/A (10
10、 分)根据相关得参数,获得图型信息 (6)根据测量数据,计算红线频率以及普朗克常量 (不计分)遏制电压得绝对值|Ua|与光波频率 得关系如下:波长/nm 365 4 频率/THz 遏止电压|Ua|/V (10 分)根据相关得参数,获得图型信息 (4 分)利用最小二乘法进行线性回归,得到普朗克常量 h()=(2 分)计算普朗克常量得相对误差 Er(%)=(4 分)考虑红限频率 0=A/h,得 0(单位:Hz)=实验内容二:研究饱与光电流 Im 与光强 p 之间得关系 总分值:10(1)饱与光电流 Im 与光强 p 之间得关系 (不计分)在光源上加不同得透光率得透光片,测量其饱与电流数据如下:透光率 0、00 0、25 0、50 0、75 1、00 饱与电流 Im/A (6 分)根据相关得参数,获得图型信息 (4 分)假设饱与电流 Im 与光强 p 满足 Im=K*p+p0,则进行线性拟合得到斜率 K=思考题 总分值:10 思考题 1 总分值:4 1、什么就是光电效应？答案:思考题 2 总分值:3 2、金属得截止频率(红限)就是什么？答案:思考题 3 总分值:3 3、为什么当反向电压加到一定值后,光电流会出现负值？答案:实验总结 共 10 分 原始数据:教师评语:
光电效应和普朗克常量的测定-实验报告
