光电效应测普朗克常数.docx
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光电效应测普朗克常数
综合、设计性实验报告
年级
*****
学号
**********
女生^名****
时间
**********
成绩
一、实验题目
光电效应测普朗克常数
二、实验目的
1、通过实验深刻理解爱因斯坦的光电效应理论，了解光电效应的基本规律；
2、掌握用光电管进行光电效应研究的方法；
3、学习对光电管伏安特性曲线的处理方法，并用以测定普朗克常数。
三、仪器用具
ZKY—GD—3光电效应测试仪、汞灯及电源、滤色片（五个）、光阑（两个）、光电管、测试仪
四、实验原理
1、光电效应与爱因斯坦方程
用合适频率的光照射在某些金属表面上时，会有电子从金属表面逸出，这种现象叫做光电效应，从金属表面逸出的电子叫光电子。
为了解释光电效应现象，爱因斯坦提出了“光量子”的概念，认为对于频率为的光波，每个光子的能量
■为普朗克常数，它的公认值是;=6.626■:
-■o
式中，
爱因斯坦提出了著名的光电
式中，为入射光的频率，m为电子的质量,
V为光电子逸出金属表面的初
按照爱因斯坦的理论，光电效应的实质是当光子和电子相碰撞时，光子把全部能量传递给电子，电子所获得的能量，一部分用来克服金属表面对它的约束，其余的能量则成为该光电子逸出金属表面后的动能方程：
速度，二为被光线照射的金属材料的逸出功,
都不能到达阳极，光电流才为零。
这个相对于阴极为负值的阳极电位U。
被称为
光电效应的截止电压。
显然，有
12
eUc.—用皆=0
2
（2）
代入
（1）式，即有
二（3）
由上式可知，若光电子能量h:
:
W，则不能产生光电子。
产生光电效应的最
W
低频率是
h，通常称为光电效应的截止频率。
不同材料有不同的逸出功,
因而0也不同。
由于光的强弱决定于光量子的数量，所以光电流与入射光的强度成正比。
又因为一个电子只能吸收一个光子的能量，所以光电子获得的能量与光强无关，只与光子的频率成正比，，将（3）式改写为
hyW、
（4）
=-（r-ro）
玄
上式表明，截止电压Uo是入射光频率的线性函数，如图2,当入射光的频率=0时，截止电压U0，没有光电子逸出。
图中的直线的斜率e是一
个正的常数：
:
（5）
由此可见，只要用实验方法作出不同频率下的u°-曲线，并求出此曲线的斜率，就可以通过式（5）求出普朗克常数h。
其中51.；：
.-7是电子的电
量。
2、光电效应的伏安特性曲线
下图是利用光电管进行光电效应实验的原理图。
频率为二、强度为丄的光线
照射到光电管阴极上，即有光电子从阴极逸出。
如在阴极K和阳极A之间加正向电压Uak，它使kA之间建立起的电场对从光电管阴极逸出的光电子起加速作用，随着电压Uak的增加，到达阳极的光电子将逐渐增多。
当正向电压增加到Um时，光电流达到最大，不再增加，此时即称为饱和状态，对应的光电流即称为饱和光电流。
卜.l|
光电效应原理图
由于光电子从阴极表面逸出时具有一定的初速度，所以当两极间电位差为零时，仍有光电流I存在，若在两极间施加一反向电压，光电流随之减少；当反向电压达到截止电压时，光电流为零。
爱因斯坦方程是在同种金属做阴极和阳极，且阳极很小的理想状态下导出的。
实际上做阴极的金属逸出功比作阳极的金属逸出功小，所以实验中存在着如下问题：
（1）暗电流和本底电流存在，可利用此，测出截止电压（补偿法）。
（2）阳极电流。
制作光电管阴极时，阳极上也会被溅射有阴极材料，所以光入射到阳极上或由阴极反射到阳极上，阳极上也有光电子发射，就形成阳极电流。
由于它们的存在，使得I〜U曲线较理论曲线下移，如下图所示。
五、实验步骤
1、调整仪器
（1）连接仪器；接好电源，打开电源开关，充分预热（不少于20分钟）。
（2）在测量电路连接完毕后，没有给测量信号时，旋转“调零”旋钮调零。
每换一次量程，必须重新调零。
（3）取下暗盒光窗口遮光罩，换上365.0nm滤光片，取下汞灯出光窗口的遮光罩，装好遮光筒，调节好暗盒与汞灯距离。
2、测量普朗克常数h
（1）将电压选择按键开关置于乞〜+2V档，将“电流量程”选择开关置于In-'A档。
将测试仪电流输入电缆断开，调零后重新接上。
（2）将直径为4mm勺光阑和365.0nm的滤色片装在光电管电暗箱输入口上。
（3）从高到低调节电压，用“零电流法”测量该波长对应的U。
，并数据记录
（4）依次换上404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm的滤色片，重复步骤
（1）、
（2）、（3）。
（5）测量三组数据你，然后对h取平均值。
3、测量光电管的伏安特性曲线
⑴暗盒光窗口装365.0nm滤光片和4mm光阑，缓慢调节电压旋钮，令电压输出值缓慢由0V伏增加到30V,每隔1V记一个电流值。
但注意在电流值为零处记下截止电压值.
（2）在暗盒光窗口上换上404.7nm滤光片，仍用4mm的光阑，重复步骤
（1）<
（3）选择合适的坐标，分别作出两种光阑下的光电管伏安特性曲线U〜I。
斜率（k）:
4.01E-015
频率vtJ10E+l4Hz）
-斜率k
六、实验记录与处理
1、零电流法测普朗克常量h（光阑①=2mm）
波长入（nm）
365
405
436
546
577
频率v（x1014Hz）
8.214
7.408
6.879
5.490
5.196
截止电压u。
（V）
第一次
1.716
1.368
1.173
0.620
0.492
第二次
1.712
1.398
1.179
0.615
0.491
第三次
1.700
1.390
1,165
0.618
0.485
第一次测量结果及处理:
普朗克常数（h）:
6.43E-034
h=eke=1.602zl0E-19C
相对误差Ce）:
-2.93%
E二（h-ho）/he
ho=6.626x1OE-34T*S
成都世纪屮科仪器仃限公司
第二次测量结果及处理:
斜率（k）:
4.05E-015
_■-T_D_
21_u
【AvQnm©=plg
实验曲浅團
內光电效应（普朗克常数）实验结果计算——成都世纪中•…匚回冈
~遽长丸iYnn）
3Q5.O
404,7
435.7
45S?
1
-578,0
频率琴i（lOE+KHx）
8.21^
7.408
6.STS
5■曲0
5.193
褲止电EUoi（Y）
1.712塑|
1.398B]
1.li<-直
0,615a|
'0.491宣
iiS"讦STCi
、…
A关^
（1）
普朗克常数Ch）:
6.49E-034
h=ek
e=l.6O2xlOE-19C
相对误差（E）；
-1.99%
&=（h-ho）/ho
ho=6.626x1OE-34.T*S
成都世纪屮科仪器有限公司
第三次测量结果及处理:
波长AjCnm）
3S5.0
404.7
435.7
456,1
578.0
频率¥】（lOE+KHx）
8.214
7.408
6*879
5.490
5.196
裁止匍感応t—
l.7
l.39B|
丄.止5|B|
0.618~al|0.4筋
实验曲绒團
四光电效应（普朗克常数）实验结果计算——成都世纪中•…□□区
-斜率k|*实验数据
斜率3；
4.02E-015-
}_vUp-v_U0
普朋克常—
6.44E-034
h=ek
e=L602ilQE-19C
相对误差〔E）
1-2.85%
E=（h-ha）/hc
ho=6.626xlOE-34T*S
成都IX纪屮科仪器仃限公司
2、补偿法测普朗克常量h
波长入（nm）
365
405
436
546
577
频率v（X1014Hz）
8.214
7.408
6.879
5.490
5.196
截止电压u。
（V）
1.724
1.408
1.183
0.624
0.504
波长丸i（nm）
355,0
404.7
436.7
4旳*1
578.0
瞬¥i（10E+i4Hr）
&五4
7.406
6.STS
5.^90
5.19S
SiEBKiCv）
1.724-fflll
1.40SB
1.183B|
0.624g
「0.504星|
实验曲銭閣
A关闭“）
斜率
4.05E-015
普朗克常数Ch）»
6.49E-034
o-
01
8
-斜率k
敦实验数据
345S
频舉VCIDEtMHz）
相对误差CD:
10・2.05%
E=（h-ho）/ho
ho=6.626xlOE-34.T*S
冋光电效应（普朗克常数）实验结果计算——成都世纪中…
成都世纪中科仪器有限公司
3、测量光电管的伏安特性曲线（波长入=436nm光阑①=2mm
U（V）
I（X1011A）
U（V）
I（X1011A）
U（V）
I（X1011A）
-2
-0.2
9
44.3
「20
71.9
-1
0.4
10
48.0
21
73.7
0
4.2
11
51.4
22
75.1
1
11.1
12
54.9
23
76.6
2
17.8
13
57.9
24
77.8
3
24.0
14
60.3
25
79.6
4
26.9
15
62.5
26
81.4
5
30.1
16
64.5
27
82.5
6
33.5
17
66.5
28
82.8
7
37.0
18
68.3
29
83.4
8
40.8
19
69.9
30
85.2
光电管的伏安特性曲线
七、误差计算
由上面图表，零电流法三次测量的结果误差依次为:
E=-2.93%B=-1.99%E=-2.85%
补偿法测量的结果误差为：
E=-2.05%
八、实验分析讨论
本实验中应用不同的方法都测出了普朗克常数，但都有一定的实验误差，据
分析误差产生原因是：
1、暗电流的影响，暗电流是光电管没有受到光照射时，也会产生电流，它是由于热电子发射、和光电管管壳漏电等原因造成；
2、本底电流的影响，本底电流是由于室内的各种漫反射光线射入光电管所致，它们均使光电流不可能降为零且随电压的变化而变化。
3、光电管制作时产生的影响：
（1）、由于制作光电管时，阳极上也往往溅
射有阴极材料，所以当入射光射到阳极上或由阴极漫反射到阳极上时，阳极也有
光电子发射，当阳极加负电位、阴极加正电位时，对阴极发射的光电子起了减速的作用，而对阳极的电子却起了加速的作用，所以I—U关系曲线就和IKA、UKA曲线图所示。
为了精确地确定截止电压US,就必须去掉暗电流和反向电流的影响。
以使由1=0时位置来确定截止电压US的大小；制作上的其他误差。
4、实验者自身的影响：
（1）从不同频率的伏安特性曲线读到的“抬头电压
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