1、物電學院09級電子（2）學號 200940620219 姓名 劉杰阜陽師范學院 大學物理實驗報告【實驗名稱】：光電效應及普朗克常數的測量【實驗目的】：實驗目的（1） 了解光的量子性；（2） 驗證了愛因斯坦方程，測量普朗克常數h；（3） 學習單色光的獲得，弱電流的測量等實驗技術。【實驗儀器】GD-型光電效應實驗儀由濾色片、GP-50W高壓汞燈光源、光電接收盒、微電流放大器組成。GD-型光電效應實驗儀（普朗克常數測定儀）【實驗原理】：在光的照射下，電子從金屬表面逸出的現象稱為光電效應，從金屬表面逸出的電子稱為光電子。光電效應的基本規律如下：（1） 光電流的大小與光強成正比；、（2） 確定材料的光電

2、效應存在一個閾頻率0，當入射光的頻率低于閾頻率0時，無論入射光強度如何，均不產生光電效應。（3） 光電子的初動能與光強無關，而與入射光的頻率成正比。由于根據麥克斯韋的經典電磁理論無法解釋上述現象，愛因斯坦大膽地把普朗克在黑體輻射研究中提出的輻射能量不連續的觀點應用于光輻射中，提出了光量子概念，從而在理論上圓滿地解釋了光電效應現象。愛因斯坦認為：發光點發出的光，是以頻率為，能量為h的光量子（光子）形成一份一份地向外輻射。當光照射到金屬上時，光子與金屬中的電子發生非彈性碰撞，其能量被電子吸收（一次碰撞電子只能吸收一個光子能量），按能量守恒定律得h=1/2m+ (1)上式稱為愛因斯坦方程，應用這個方

3、程可以正確地解釋上述光電效應的三條規律。其含義是：電子吸收光子的能量以后，一部分作為逸出功，另一部分使本身具有初動能（最大）。 2從式（1）中可知，當h時將沒有光電流。即存在一截止頻率0=/h。只有入射光的頻率0時產生光電流。不同的金屬逸出功的數值不同，所以截止頻率也不相同。圖3 實驗原理線路圖 圖4 光電管的伏安特性曲線實驗將采用“減速電位法”來驗證愛因斯坦方程，并由此求出h。實驗原理如圖所示， K為光電管的陰極，A為陽極。光子h射到K上，就會有光電子逸出。由于逸出的光電子有一定的功能，它們將向陽極A運動。若在陰極K和陽極A之間加以反向電壓UKA（K為正，A為負），它將使電極K，A之間建立起

4、的電場對陰極逸出的光電子起減速作用，隨著電壓UKA的增加，到達陽極光電子將逐漸減小，因而光電流減小，當UKA=US時，光電流降為零。稱US為外加截止電壓（即未修正接觸電勢差時的截止電壓）。如果逐點測出反向電壓和電流的對應值，即可作出上圖所示的I-U特性曲線（見圖中虛線所示的曲線的UKA為負值的起始部分）。從圖中可以看出，當UKA=0時，光電流IKA尚未飽和，這說明逸出的光電子尚未全部到達陽極，其原因是：光電管陰極與陽極之間存在一個遏止光電子向A運動的接觸電位差UC，因此，總的截止電壓為US=US+UC （2）US也稱為真實截止電壓。顯然，光電子的最大動能為1/2m將式（3）代入式（1）可得（4

5、）對于確定的光電管，UC和都是常數。由于UC不隨入射光的頻率變化，作為常數并不影響I-U特性曲線的斜率，只是使IKA坐標向右平移了一段距離（見前圖），這對求h不產2max=e US=e（US+UC） （3）生影響。由式（4）看出產生光電效應的入射光頻率與外加截止電壓成線性關系，改變入射光頻率，測得不同頻率所對應的I-U曲線，再由這些曲線確定對應各頻率的一組外加截止電壓，然后作US-曲線，如果這是一直線就驗證了愛因斯坦方程，由方程知該直線的斜率=h/e，-19因此由圖中求出直線斜率即可算出普朗克常數h=e，式中電子電量e=-1.6010C。（1） 【實驗內容與步驟】打開兩儀器的電源開關預熱203

6、0min。（2） 將微電流計“倍率”開關置“短路”，電流極性置“+”，先調整零點（萬用表讀數為0.00），后校正滿刻度即“倍率”開關旋到“滿度”（萬用表讀數為100.0），倍率開關旋至各檔，指針應處于零位，如不符合再重復作“零點”與“滿度”的調整。（3） 將GD-型普朗克常數測定儀“波長選擇”置“暗”，加速電壓選擇置“-”，緩慢旋轉“加速電壓調節”旋鈕，從-20V之間，每隔0.2V或0.1V記下一次相應的電壓和電流值。這時微電流計“倍率”置10uA，適當改變電流極性開關，此時所讀得的電流值即為光電管的暗電流值。（4） GD-型中的“波長選擇”旋鈕從短波長起逐次更換，每換一次波長，記錄一組電壓和

7、電流值。實驗過程注意適當選擇和改變微電流計的倍率、電流極性開關。（5） 在坐標紙上，作出不同波長的I-U特性曲線，并用作圖法在光電管的I-U特性曲線上逐點將暗電流減去，以消除它的影響，修正后的I-U特性曲線可用虛線來表示，再用交點法從曲線中認真找出不同頻率的光所對應的外加截止電壓。（6） 以US為縱坐標，為橫坐標進行描圖。（7） 由定出的直線斜率，求出普朗克常數h，并算出與公認值之間的百分誤差。（8） 實驗完畢，關機前需注意幾點：1） GD-型普朗克常數測定儀的“波長選擇”旋至“暗”檔。數字萬用表的開關撥到“OFF”，關閉電源。2） 微電流測試儀：將“測量范圍”開關旋至“短路”，將“極性”開關

8、撥至“0”，關閉電源。 -6【數據處理】、在3525cm或2520cm坐標紙上分別做出被測光電管在不同波長（頻率）光照射下的伏安特性曲線，并從這些曲線中認真找出電流開始變化的“抬頭點”，標出IAK的截止電壓Uo，填入下表。光闌為4mm濾光片距汞燈約400mm由于這是一條直線，所以它驗證了愛因斯坦方程，由和k=Us/v知 k=h/e, 因此由圖中求出直線斜率即可算出普朗克常數h=e，式中電子電量e=-1.60-1910C。所以求的h=6.72*10(-34)J/s二、測量光電管的IV特性測量5條譜線在同一光闌，同一距離下的伏安飽和特性曲線。 數據如下：光闌為4mm，濾光片距汞燈約400mm【小結與討論】暗電流：當光電管不受任何光照射，在外加電壓下光電管仍有微弱電流流過，稱為光電管的暗電流，形成暗電流的主要原因其一是陰極和陽極之間的絕緣電阻（包括管座以及光電管玻璃殼內外表面的漏電阻）不可能為無限大，其二是陰極在常溫下的熱電子發射。 本底電流：是因為周圍雜散光照射光電管而產生的。它們均使光電流不易為零，并隨電壓改變而改變。反向電流：由于制作時陽極A上往往濺有陰極材