光电效应实验报告

北京科技大学大学物理实验报告光电效应【实验目的】（1）了解光电效应的规律，加深对光的量子性的认识。（2）测量普朗克常量h。【实验仪器】ZKY-GD-4光电效应实验仪，其组成为：微电流放大器，光电管工作电源，光电管，滤色片，汞灯。如下图所示。【实验原理】光电效应的实验原理如图1所示。入射光照射到光电管阴极K上，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，测量出光电流I的大小，即可得出光电管的伏安特性曲线。光电效应的基本实验事实如下：（1）对应于某一频率,光电效应的I-关系如图2所示。从图中可见，对一定的频率，有一电压U0,当≦时，电流为零，这个相对于阴极的负值的阳极电压U0，被称为截止电压。(2)当≧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。北京科技大学大学物理实验报告(3)对于不同频率的光，其截止电压的值不同，如图3所示。(4)截止电压U0与频率的关系如图4所示，与成正比。当入射光频率低于某极限值（随不同金属而异）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，在开始照射后立即有光电子产生，所经过的时间至多为秒的数量级。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，频率为的光子具有能量E=h，h为普朗克常数。当光子照射到金属表面上时，一次被金属中的电子全部吸收，而无需积累能量的时间。电子把这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：（1）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落入阳极形成光电流，直至阳极电位低于截止电压，光电流才为零，此时有关系：（2）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，再增加时I不再变化，光电流出现饱和，饱和光电北京科技大学大学物理实验报告流的大小与入射光的强度P成正比。光子的能量A时，电子不能脱离金属，因而没有光电流产生。产生光电效应的最低频率（截止频率）是=A/h。将(2)式代入(1)式可得：（3）此式表明截止电压是频率的线性函数，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。【实验步骤】1、测试前准备1）将实验仪及汞灯电源接通（汞灯及光电管暗盒遮光盖盖上），预热20min。2）调整光电管与汞灯距离为约40cm并保持不变。3）用专用连接线将光电管暗箱电压输入端与实验仪电压输出端（后面板上）连接起来（红—红，蓝—蓝）。4）将“电流量程”选择开关置于所选档位，进行测试前调零。调零时应将光电管暗盒电流输出端K与实验仪微电流输入端（后面板上）断开，且必须断开连线的实验仪一端。旋转“调零”旋钮使电流指示为000.0。5）调节好后，用高频匹配电缆将电流输入连接起来，按“调零确认/系统清零”键，系统进入测试状态。如果要动态显示采集曲线，需将实验仪的“信号输出”端口接至示波器的“Y”输入端，“同步输出”端口接至示波器的“外触发”输入端。示波器“触发源”开关拨至“外”，“Y衰减”旋钮拨至约“1V/格”，“扫描时间”旋钮拨至约“20μs/格”。此时示波器将用轮流扫描的方式显示5个存储区中存储的曲线，横轴代表电压，纵轴代表电流I。2、测普朗克常数h：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A档。1）手动测量①使“手动/自动”模式键处于手动模式。②将直径4mm的光阑及365.0nm的滤色片装在光电管暗盒光输入口上，打开汞灯遮光盖。北京科技大学大学物理实验报告此时电压表显示的值，单位为伏；电流表显示与对应的电流值I，单位为所选择的“电流量程”。用电压调节键→、←、↑、↓可调节的值，→、←键用于选择调节位，↑、↓键用于调节值的大小。③从低到高调节电压（绝对值减小），观察电流值的变化，寻找电流为零时对应的，以其绝对值作为该波长对应的的值，并将数据记于表1中。为尽快找到的值，调节时应从高位到低位，先确定高位的值，再顺次往低位调节。④依次换上365.0nm，435.8nm，546.1nm，404.7nm的滤色片，重复以上测量步骤。2）自动测量①按“手动/自动”模式键切换到自动模式。此时电流表左边的指示灯闪烁，表示系统处于自动测量扫描范围设置状态，用电压调节键可设置扫描起始和终止电压。（注：显区左边设置起始电压，右边设置终止电压）实验仪设有5个数据存储区，每个存储区可存储500组数据，由指示灯表示其状态。灯亮表示该存储区已存有数据，灯不亮为空存储区，灯闪烁表示系统预选的或正在存储数据的存储区。②设置好扫描起始和终止电压后，按动相应的存储区按键，仪器将先清除存储区原有数据，等待约30秒，然后按4mV的步长自动扫描，并显示、存储相应的电压、电流值。扫描完成后，仪器自动进入数据查询状态，此时查询指示灯亮，显示区显示扫描起始电压和相应的电流值。用电压调节键改变电压值，就可查阅到在测试过程中，扫描电压为当前显示值时相应的电流值。读取电流为零时对应的，以其绝对值作为该波长对应的U的值，并将数据记于表1中。表1U0—关系光阑孔Φ=mm波长λi(nm)365.0404.7435.8546.1577.0频率(×Hz)8.2147.4086.8795.4905.196截止电压V)手动自动按“查询”键，查询指示灯灭，系统回复到扫描范围设置状态，可进行下一次测量。将仪器与示波器连接，可观察到为负值时各谱线在选定的扫描范围内的伏安特性曲线。3、测光电管的伏安特性曲线：此时，将“伏安特性测试/截止电压测试”状态键切换至伏安特性测试状态。“电流量程”开关应拨至A档，并重新调零。将直径4mm的光阑及所选谱线的滤色片装在光电管暗盒光输入口上。测伏安特性曲线可北京科技大学大学物理实验报告选用“手动/自动”两种模式之一，测量的最大范围为-1～50V。手动测量时每隔0.5V记录一组数据，自动测量时步长为1V。记录所测及I的数据。①从低到高调节电压，记录电流从零到非零点所对应的电压值并作为第一组数据，以后电压没变化一定值（可选为1V）记录一组数据到数据记录表中。换上546nm的滤色片，重复上述实验步骤。②在为50V时，将仪器设置为手动模式，测量记录同一谱线、同一入射距离、光阑分别为2mm,4mm,8mm时对应的电流值于数据记录表中。③在为50V时，将仪器设置为手动模式，测量并记录同一谱线、同一光阑、不同入射距离时对应的电流值于数据记录表中。【实验数据处理】（1）求普朗克常数实验中测得的数据如下表所示：与关系数据记录表光缆孔mm4波长i/nm365.0404.7435.8546.1577.0频率)10/(14i8.2147.4086.8975.4905.196截止电压U0i/V-1.838-1.460-1.326-0.812-0.668由实验数据得到的截止电压U0与光频率的关系如下图所示：截止电压与光频率的关系曲线y=-0.3746x+1.2673R2=0.9959-2-1.8-1.6-1.4-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.200123456789光的频率Vi/(10^14Hz)截止电压Uoi/V北京科技大学大学物理实验报告由可知，上述直线的斜率为eh，则普朗克常量为：sJsJh141914100.610602.1103746.0而由最小二乘法的得到的斜率的标准差为013945.0bs，则可知所求的普朗克常量h的不确定度为：sJseteUUbbh34141995.0107.010013945.018.310602.1)3(测得的普朗克常量h与公认值0h的相对误差为：094.010626.610626.6100.634343400sJsJsJhhhE实验得到的普郎克常数为：sJh3410)7.00.6(。（2）做出两种波长及光强的伏安特性曲线实验中，得到的实验数据记录表如下：对于435.8nm的滤色片，入射距离L=400mm,光阑4nm，数据记录为：AKUI关系VUAK/-10123456789)10/(10AI01.52.74.16.37.58.610.211.813.614.8VUAK/1011121314151617181920)10/(10AI15.917.018.119.219.520.321.121.522.422.923.6VUAK/2122232425262728293031)10/(10AI24.024.725.325.826.326.627.127.227.828.228.5VUAK/3233343536373839404142)10/(10AI28.829.029.429.730.130.330.530.831.131.131.4VUAK/4344454647484950)10/(10AI31.631.832.132.632.833.233.333.4北京科技大学大学物理实验报告对于546.1nm的滤色片，入射距离L=400mm,光阑4nm，数据记录为：AKUI关系VUAK/-10123456789)10/(10AI-0.40.41.32.23.34.14.65.25.76.67.0VUAK/1011121314151617181920)10/(10AI7.07.27.68.18.38.48.79.09.29.49.6VUAK/2122232425262728293031)10/(10AI9.810.010.110.310.410.510.610.711.011.011.0VUAK/3233343536373839404142)10/(10AI11.111.211.211.311.411.411.611.611.611.611.6VUAK/4344454647484950)10/(10AI11.711.811.912.112.112.212.212.3由实验得到的数据绘制出的两种波长及光强的伏安特性曲线如下：不同波长及光强下的伏安特性曲线-50510152025303540-100102030405060阴极电流为零时对应电压V/v光电流I/(10^-10A)波长为435.8nm波长为546.1nm北京科技大学大学物理实验报告（3）由于照到光电管上的光强与光阑面积成正比，用②中数据验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比；同样用③中数据验证光电流与入射光强成正比。对于实验②：在为50V时，将仪器设置为手动模式，测量记录同一谱线、同一入射距离、光阑分别为2mm,4mm,8mm时对应的电流值，数据记录表如下：PIM关系VUAK50nmL400435.8nm光阑孔2mm4mm8mm)10/(10AI9.333.8140.3546.1nm光阑孔2mm4mm8mm)10/(10AI3.412.349.5由实验数据得到饱和光电流与光阑面积的关系曲线如下：饱和光电流I与光阑面积S的关系曲线图由图可知，饱和光电流I与光阑面积S在入射光波长不变时成正比例关系，而光强又与光阑面积成正比，从而验证了光电管的饱和电流与入射光强成正比。对于实验③，在为50V时，将仪器设置为手动模式，测量并记录同一谱线、同一光阑、不同入射距离时对应的电流值，来验证光电流与入射光强成正比。数据记录表如下：y=2.7923x-0.2695R2=0.9998y=0.9805x+0.1715R2=1020406080100120140