光电效应实验教案07-9-11

大学物理实验教案第1页共4页1光电效应实验实验目的：1．了解光电效应的基本规律；2．测量光电管的伏安特性曲线；2．验证爱因斯坦方程，并测定普朗克常数。实验原理：1．光电效应的实验规律金属在光的照射下释放出电子的现象叫做光电效应。根据爱因斯坦的“光量子概念”，每一个电子具有能量Eh，当光照射到金属上时，其能量被电子吸收，一部分消耗于电子的逸出功W，另一部分转换为电子逸出金属表面后的动能。由能量守恒定律可得：212mvhW（1）（称为爱因斯坦光电方程）光电方程圆满解释了光电效应基本实验事实：（1）仅当光频高于某一阈值时，才能从金属表面打出光电子；（2）单个光电子的动能随光频提高而增大，与入射光强无关；（3）单位时间内产生光电子的数目仅与入射光强有关，与光频无关；（4）光电效应是瞬时完成的，电子吸收光能几乎不需要积累时间。在理想光电管中，令光电子在反向电场中前进，当剩余的动能刚好被耗尽时，电子所经历的电势差Uv叫做遏止电势差，显然eUv=221mv，代入（1）式可得hWUee（2）（2）式表明，遏止电势差Uv是入射光频的一次函数，h/e就是一次曲线的斜率。爱因斯坦方程预见了实验测算普朗克常数的可行方案。除了求出h的量值以外，还可通过（2）式了解光电管的特性。令=0，可得理想阴极的逸出电势等于曲线的纵轴截距，U0=-W/e；令Uv=0，可得理想阴极的截止频率等于曲线的横轴截距，0=W/h。实际光电管的情况比较复杂，只能把两个截距U0、0看作整体光电管的宏观参量。2．验证爱因斯坦方程，求普朗克常数图1是研究光电效应的简化电路。一束单色光照射真空光电管的阴极K，设光频＞0，有光电子产生且有剩余动能。只要外电路闭合，即使电源分压U=0，光电子也能到达阳极A图1实验原理图大学物理实验教案第2页共4页2形成光电流IA，IA的量值由μA表读出。仪器简介：本实验使用PC—Ⅱ型普朗克常数测定仪，它包括下列4部分：（1）光源：GGQ—50W高压汞灯，在320.3~872.0nm范围内有若干种单色光供选用。（2）ZD-Ⅱ型介质膜干涉滤色片，分别可从汞灯中滤选365.0nm、404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm的单色光。（3）GD-27型光电管：阳极为镍圈，阴极为银—氧—钾材料，光谱响应范围320.0~700.0nm，峰值波长350±20nm，通光窗口为无铅多硼硅玻璃。光电管安装在铝质暗盒中，只要改变汞灯到暗盒的距离便可改变入射光的光强。不做实验时用遮光罩盖住暗盒光窗。（4）PC—Ⅱ型微电流测试仪，即图1中的μA表，表头在面板左边，量程倍率为100×（10-8~10-12）A，分5档转换，并有改变表头极性的换向按钮，测到IA过零位置应及时换向；读数时不要漏记了量程。μA表用同轴电缆连接光电管，由于灵敏度极高，实验中不要触碰同轴电缆，以免接触不良或人体感应导致表针乱摆，尤其在10-7档随机误差更大。实验内容：1．测量I-U安伏安特性曲线：由短波到长波逐次换上五种不同的滤色片，分别记录I-U值。2．改变入射光强的强度，测量I-U特性曲线，测量饱和光电流与光的强度的关系。操作步骤：1.冷态准备。检查导线连接是否正确，档位预置是否合理（“测量范围”旋钮置于“短路”，“电流表极性”置“0”），电压调节旋钮逆时针旋到底，用遮光罩盖住暗盒光窗，令光源离开暗盒30—40cm。2.热态准备。开启微电流测试仪电源开关，预热20分钟左右，调整μA表的零点和满度：将“测量范围”旋置“短路”档，电流表极性置于“+”档，调节“调零旋钮”使电流表为零；将“测量范围”旋置“满度”档，电流表极性置于“+”档，调节“满度旋钮”使电流表为100；重复上述过程几次，使之都达到要求。3.观察暗电流。将“测量范围”旋置“10-12”档，调节工作电压观察暗电流的变化情况。测出-1.800V~+1.800V间若干电压下相应的电流值。4.浏览光电流。将“测量范围”旋置“10-11”档，除去暗盒遮光罩，换上365.0nm滤色片，用汞灯照射。工作电压从-1.800V起调直到0V，浏览光电流变化情况。注意随时改变μA量程，使之既有示值，又不超偏；当电流趋零时应及时触按换向按钮，以免表针倒偏。电流如果太大或太小，则需调节汞灯距离，改变入射光强。5.正式测量。将光源移至最远，将“测量范围”旋置“10-11”档，调节工作电压使μA表达到100，继续调节工作电压使电流减小，记录相应的电流、电压数据。注意电流的符号开始为正，逐渐趋零时要将电流极性按扭置于“-”端，此后电流为负，应及时记载符号。6.更换单色光。测毕一种单色光后，要按照波长递增的顺序更换滤色片，重复步骤5，最大电流都取10-11安培。7.善后工作。测量完毕，请教师检查数据。将仪器调节钮复位，断电；用遮光罩盖住暗盒光窗；经容许后离开实验室。数据处理：1．根据测量数据作出5种不同频率的照射光所对应的U-I伏安特性曲线，由此确定5种不同频率的照射光所对应的截止电压值Us。大学物理实验教案第3页共4页32．作出sU的实验直线图，求此直线的斜率k，普朗克常数hek，与公认值（346.62610hJs）比较计算百分比误差。该直线与横轴的交点即为“红限”频率0；与纵轴相交点即为光电管的宏观逸出电势U0参考表格：（nm）U(V)-1.950-1.900……365.0I(10-11A)404.7I(10-11A)435.8I(10-11A)546.1I(10-11A)577.0I(10-11A)（nm）365.0404.7435.8546.1577.01410Hz8.227.416.885.495.20SU（V）注意事项：(1)更换滤色片时注意避免污染，以免除不必要的折射光带来实验误差；（2）更换滤色片时先将光源出光孔遮住，而且做完实验后也要用遮光罩盖住光电管入光孔，避免强光直接照射阴极而缩短光电管寿命；(3)光电管入光孔勿对着其他强光源，以减少杂散光干扰。(4)汞灯光源外壳加热后温度较高，试验过程中不要接触到光源外壳。（5）电压从大量程换为小量程要先调节旋钮使指针偏转到最小，以免损坏仪表。【思考题】1．实验测得的光电流特性曲线与理想的光电流特性曲线有何不同？为什么不同？2．为什么会出现反向光电流？如何减小反向光电流？3．你所测得的h值是偏大还是偏小？试从实验现象中分析说明产生误差的原因。4．做实验时，如改变光电管上的照度，对U-I曲线有何影响？5．光电管的阴极上涂有脱出功小的材料，而阳极上选择脱出功大的金属材料制造，为什么？VμAAK入射光图1大学物理实验教案第4页共4页4实验内容：1．仪器准备与调整连接好线路，先将测量范围选择旋钮置于“短路”档，并将加速电压调节旋钮逆时针旋到底，再开启电源点亮汞灯，预热20-30分钟。调零：将测量范围选择旋钮置于“短路”档，将电流极性置于“+”，调节调零旋钮使电流示值为0；调满度：将测量范围选择旋钮置于“满度”档，将电流极性置于“+”，调节满度旋钮使电流示值为100。调零与调满度一般要反复调几次才能调好。2．测量暗电流特性曲线用遮光罩罩住进光孔，将测量范围选择旋钮置于“10-12”档，调节加速电压，从-1.900V到0V之间每隔0.2V记一次相对应的电压、电流值。然后作暗电流特性曲线（如果暗电流读不出来，即暗电流很微小，则横坐标即为暗电流特性曲线）。3．测量光电流特性曲线将测量范围选择旋钮置于“10-11”档，取下遮光罩，换上波长为577nm的滤光片。测量方法采用先定性粗测，再定量精测的方法，即先观察一遍不同电压下的光电流变化情况，以便安排合理的测量点。依次换上波长为546.1、435.7、404.8、365nm的滤光片进行测量。注意事项：1．汞灯需冷时启动，一旦开启，不要随意关闭，直至实验完毕。更不得频繁启闭，以免损坏汞灯。汞灯亮度很高，不要直视。2．严禁暗箱的进光孔直接对准光源或其它光源，以免杂散光照射光电管而影响实验效果。3．实验结束时，关闭电源，并将遮光罩罩住进光孔，加速电压调节旋钮逆时针旋到底，电流极性置于“0”，测量范围选择旋钮置于“短路”档。