光电效应实验报告.doc

1、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UAK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，UAK有一电压U0,当 时，电流为零，这个相对

2、于阴极的负值的阳极电压U0，被称为截止UAKU0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PUAKU0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 U0 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00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0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。 109按照爱因斯坦的光量子理论，光能并不像电磁波理论所

3、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）=1202+式中，A为金属的逸出功， 为光电子获得的初始动能。 1202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

4、电流才为零，此时有关系： （2）0=1202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0效应的最低频率（截止频率）是 =A/h。 0北京科技大学大学物理实验报告 将(2)式代入(1)式可得： （3）0=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0 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

5、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

6、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“20s/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。 10 131） 手动测量 使“手动/自动”模式键处于手动模式。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。此时电压表显示

7、 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UAK UAK“电流量程”。用电压调节键、可调节 的值，、键用于选择调节位，UAK、键用于调节值的大小。 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北京科技大学大学物理实验报告 ，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UAK U0 U0节时应从高位到低位，先确定高位的值，再顺次往低位调节。 依次换上365.0 nm，435.8 nm，546.1nm，404.7 nm的滤色片，重复以上测量步骤。2） 自动测量 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

8、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。 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

9、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，UAK并将数据记于表 1 中。表 1 U0 关系 光阑孔 = mm波长 i(nm) 365.0 404.7 435.8 546.1 577.0 频率 ( Hz) 1014 8.214 7.408 6.879 5.490 5.196 手动截止电压V)U0( 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。 UAK3、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

10、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。1010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。测伏安特性曲线可选用“手动/自动”两种模式之一，测量的最大范围为-150V。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。 UAK 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。北京科技大学大学物理实验报告 换上 546nm 的滤色片，重复上述实验步骤。 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

11、、光UAK阑分别为 2mm,4mm,8mm 时对应的电流值于数据记录表中。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UAK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U0 0光缆孔 m4波长 /nmi365.0 404.7 435.8 546.1 577.0频率 )10/(4i8.214 7.408 6.897 5.490 5.196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

12、光频率的关系曲线由 可知，上述直线的斜率为 ，则普朗克常量为：0= ehsJsJh 141914 0.6062.037.而由最小二乘法的得到的斜率的标准差为 ，则可知所求的普朗克常量 的35.bs hy = -0.3746x + 1.2673R2 = 0.9959-2-1.8-1.6-1.4-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9光 的 频 率 Vi/(1014Hz)截止电压Uoi/V北京科技大学大学物理实验报告 不确定度为： sJsetUbbh 34141995.0 07.0395.8062.)3(测得的普朗克常量 与公认值 的相对误差为：0h0

13、94.1062.3434340 sJsE实验得到的普郎克常数为： 。h)7(（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：关系AKUIVUAK/-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9)10(I0 1.5 2.7 4.1 6.3 7.5 8.6 10.2 11.8 13.6 14.8AK/10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20)(10I15.9 17.0 18.1 19.2 19.5 20.3 21.1 21.5 22.4 22.9 23.6VUAK/2

14、1 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31)10(I24.0 24.7 25.3 25.8 26.3 26.6 27.1 27.2 27.8 28.2 28.5AK/32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42)(10I28.8 29.0 29.4 29.7 30.1 30.3 30.5 30.8 31.1 31.1 31.4VUAK/43 44 45 46 47 48 49 50)10(I31.6 31.8 32.1 32.6 32.8 33.2 33.3 33.4对于 546.1nm 的滤色片，入射距离 L=400mm,光阑 4nm，数据记录为：关系

15、AKUIVUAK/-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9北京科技大学大学物理实验报告 )10/(AI-0.4 0.4 1.3 2.2 3.3 4.1 4.6 5.2 5.7 6.6 7.0VUK10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20)/(10I7.0 7.2 7.6 8.1 8.3 8.4 8.7 9.0 9.2 9.4 9.6AK21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31)10/(I9.8 10.0 10.1 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 11.0 11.0 11.0VUAK32 33 34 35 36 37 38 3

16、9 40 41 42)/(10I11.1 11.2 11.2 11.3 11.4 11.4 11.6 11.6 11.6 11.6 11.6AK43 44 45 46 47 48 49 50)10/(I11.7 11.8 11.9 12.1 12.1 12.2 12.2 12.3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（3）由于照到光电管上的光强与光阑面积成正比，用中数据验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比；同样用中数据验证光电流与入射光强成正比。对于实验： 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UAK-505101

17、52025303540-10 0 10 20 30 40 50 60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 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：关系PIMVUAK50nmL40光阑孔 2mm 4mm 8mm435.8nm )10/(AI9.3 33.8 140.3光阑孔 2mm 4mm 8mm546.1nm )/(10I3.4 12.3 49.5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

18、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，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UAK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：关系PIMVUAK50nmL40435.8nm 入射距离 200 250 300 350 400y = 2.7923x - 0.2695R2 = 0.9998y = 0.9805x + 0.1715R2 = 10204060801001201401600 10 20 30 40 50 60光

19、 阑 面 积 S/(mm2)饱和光电流/(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 L/mm )10/(AI51.0 28.3 18.2 12.5 9.3入射距离L/mm 200 250 300 350 400546.1nm )/(10I19.0 10.4 6.8 4.6 3.4对于光阑面积 S 不变时，由于入射距离的变化，使同一波长光的光强发生改变。尝试将光源看做点光源，其发出的光为球状，则一定距离处的光强与距离的平方成反比，与距离的平方分之一成正比。若要验证光电流与入射光强成正比，可通过验证光电流与距离的平方分之一成线性关系而间接征得

20、。根据 关系，得到光电流与距离的平方分之一的PIM关系曲线如图所示:光电流强度与入射距离平方分之一的关系曲线由图可知，其间关系在实验误差允许的范围内，较好的符合了某种线性关系，证明了这种假设具有成立的可能性。从而也证明了光电流与入射光强成正比。【实验分析与误差讨论】1、阳极反向电流，暗电流，本底电流如何影响测量结果？答：阳极反向电流是由于光电管制造时由于光电管阳极沾上少数阴极材料，则在入射光照射或入射光从阴极反射到阳极后都会造成阳极电子发射。当 值为为负值时，阳极发射UAK的电子向阴极迁移形成阳极反向电流，从而当实验中测得电流为零时，对应的 并非截止UAK电压，对实验造成误差。而对于暗电流和本

21、底电流是热激发产生的光电流和杂质光散射光电管产生的光电流。y = 2.2344x - 5.8665R2 = 0.9951 y = 0.8338x - 2.2535R2 = 0.994401020304050600 5 10 15 20 25 30入 射 距 离 平 方 分 之 一 L-2/(M-2)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 它们的影响是：若产生的光电子的初动能大于光照产生的光电子的最大初动能，则会使测得的 的绝对值增大。UAK2、 在该实验中可能存在的误差有：（1） 在实际的测量中，由于光电管的阳极电流、暗电流

22、、本底电流及电极间接触电压的影响，给实验结果带来误差。（2） 实验中滤色片有一定的狭缝宽度，滤色片产生的光并不完全是单一的滤色光。（3） 实验中以汞灯作为光源，而汞灯在交变电压变化的情况下并不能完全稳定，产生的光也不稳定。（4） 在读数时，由于产生的光电流的变化，仪器示数会有微小的跳动，产生读数误差。（5） 装有阴极管的暗箱封闭不严，可能会受到杂光的影响。【实验结论】1、实验测得的普朗克常量为 ，与公认值sJh3410)7.6(sJh34062.的相对误差为-9.4%。2、由实验得到的伏安特性曲线可知，在光电效应中，随着光电管两侧正向电压的增大，光电流增大速度越来越慢，光电流的值逐渐趋于稳定，即饱和光电流。而随着反向截止电压的增大，光电流逐渐变为零。而光电流刚好为零时的电压成为反向截止电压。且波长短的光频率大，对应的光饱和电流的值越大，反向截止电压的值也越大。3、在光电效应中，光电管的饱和光电流与入射光强成正比，而且当光强相等时，波长越短，频率越大的光，产生的饱和光电流越大。并且在光电效应中，光电流与入射光强成正比，而光强可能与入射距离的平方成反比关系，但不能确切认定这一点。