光电效应测普朗克常量.docx
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光电效应测普朗克常量
光电效应测普朗克常量
篇一：
光电效应法测普朗克常量（已批阅）
实验题目：
光电效应法测普朗克常量
4
级学号姓名日期
实验目的：
了解光电效应的基本规律，并用光电效应的方法测量普朗克常量，并测定光电管的光电特性曲
线。
实验仪器：
光电管、滤波片、水银灯、相关电学仪器
实验原理：
在光电效应中，光显示出粒子性质，它的一部分能量被物体表面电子吸收后，电子逸出形成光电子，若使该过程发生于一闭合回路中，则产生光电流。
实验原理图：
图一：
原理图
光电流随加速电压差U的增加而增加，其大小与光强成正比，并且有一个遏止电位差Ua存在
（此时光电流I=0）。
当U=Ua时，光电子恰不能到达A，由功能关系：
12mv
2
?
eU
a
而每一个光子的能量?
?
h?
，同时考虑到电子的逸出功A，由能量守恒可以知道：
h?
?
12mv
2
?
A
这就是爱因斯坦光电效应方程。
若用频率不同的光分别照射到K上，将不同的频率代入光电效应方程，任取其中两个就可以解
出：
h?
Ah
e（U1?
U2）
?
1?
?
2
其中光的频率?
应大于红限?
0?
，否则无电子逸出。
根据这个公式，结合图象法或者平均值
法就可以在一定精度范围内测得h值。
实验中单色光用水银等光源经过单色滤光片选择谱线产生；使用交点法或者拐点法可以确定较
准确的遏止电位差值。
4
级学号姓名日期
实验内容：
1、在光电管入光口装上365nm的滤色片，电压为-3V，调整光源和光电管之间的距离，直到电
流为-0.3μA，固定此距离，不需再变动；
2、分别测365nm,405nm,436nm,546nm,577nm的V-I特性曲线，从-3V到25V，拐点出测量间
隔尽量小；3、装上577滤色片，在光源窗口分别装上透光率为25%、50%、75%的遮光片，加20V电压，测量饱和光电流Im和照射光强度的关系，作出Im-光强曲线；
4、作Ua-V关系曲线，计算红限频率和普朗克常量h，与标准值进行比较。
数据处理和误差分析：
本实验中测量的原始数据如下：
4
级学号姓名日期
表六：
在不同透光率下的饱和光电流（577nm光下）
电流单位：
μA
根据以上表一至表五的数据，可分别作出各种不同波长（频率）光下，光电管的V-I特性曲线：
4
级学号姓名日期
365nm光下光电管的伏安特性曲线
405nm光下光电管的伏安特性曲线
4
级学号姓名日期
436nm光下光电管的伏安特性曲线
546nm光下光电管的伏安特性曲线
篇二：
光电效应测普朗克常量实验报告
光电效应测普朗克常量实验报告
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
式中，
为普朗克常数，它的公认值是
=6.626
。
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。
爱因斯坦提出了著名的光电方程：
（1）
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
速度，
1mv2
为被光线照射的金属材料的逸出功，2为从金属逸出的光电子的
最大初动能。
由
（1）式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能必然也越大，所以即使阴极不加电压也会有光电子落入阳极而形成光电流，甚至阳极电位比阴极电位低时也会有光电子落到阳极，直至阳极电位低于某一数值时，所有光电子都不能到达阳极，光电流才为零。
这个相对于阴极为负值的阳极电位U0被称为光电效应的截止电压。
显然，有
（2）
代入
（1）式，即有
（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
低频率是
?
0?
W
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
（4）
上式表明，截止电压U0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?
0，没有光电子逸出。
图中的直线的斜率个正的常数：
（5）
由此可见，只要用实验方法作出不同频率下的
k?
h
e是一
U0?
?
曲线，并求出此曲线的
是电子的电
斜率，就可以通过式（5）求出普朗克常数h。
其中
量。
U0-v直线
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、强度为
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K、A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。
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。
伏安特性曲线
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–2～＋2V档，将“电流量程”选择开关置于
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的光阑和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U0，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
（1）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。
六、实验记录与处理
1、零电流法测普朗克常量h（光阑Ф=2mm）
第一次测量结果及处理：
篇三：
光电效应测定普朗克常量
利用光电效应测定普朗克常量
用光电效应测定普朗克常数是近代物理中关键性实验之一。
学习其基本方法，对我们了解量子物理学的发展及光的本性认识，都十分有益的。
根据光电效应制成的各种光电器件在工农业生产、科研和国防等各个领域有着广泛的应用。
通过本实验了解光的量子性和光电效应的基本规律，验证爱因斯坦方程，并由此求出普朗克常数。
[实验目的]
1．通过实验加深对光的量子性的了解。
2．通过光电效应实验，验证爱因斯坦方程，并测定普朗克常量。
[仪器和用具]
汞灯，干涉滤光片，光电管，微电流放大器，微机。
[实验原理]
当一定频率的光照射到某些金属表面上时，可以使电子从金属表面逸出，这种现象称为光电效应。
所产生的电子，称为光电子。
光电效应是光的经典电磁理论所不能解释的。
1905年爱因斯坦依照普朗克的量子假设，提出了光子的概念。
他认为光是一种微粒—光子；频率为v的光子具有能量ε=hv，h为普朗克常量。
根据这一理论，当金属中的电子吸收一个频率为v的光子时，便获得这光子的全部能量hv，如果这能量大于电子摆脱金属表面的约束所需要的脱出功W，电子就会从金属中逸出。
按照能量守恒原理有：
hv?
1
m?
m2?
2
W
（1）
上式称为爱因斯坦方程，其中m和?
m是光电子的质量和最大速度，1/2m?
m2是光电子逸出表面后所具有的最大动能。
它说明光子能量hv小于W时，电子不能逸出金属表面，因而没有光电效应产生；产生光电效应的入射光最低频率v0=W/h，称为光电效应的极限频率（又称红限）。
不同的金属材料有不同的脱出功，因而υ0也是不同的。
我们在实验中将采用“减速电势法”进行测量并求出普朗克常量h。
实验原理如图
图1图2
图1
1所示。
当单色光入射到光电管的阴极K上时，如有光电子逸出，则当阳极A加正电势，K加负电势时，光电子就被加速；而当K加正电势，A加负电势时，光电子就被减速。
当A、K之间所加电压（U）足够大时，光电流达到饱和值Im，当U≤-U0，并满足方程
eU0=1mvm2
（2）
2
时，光电流将为零，此时的U0称为截止电压。
光电流与所加电压的关系如图2所示。
将式
（2）代入式
（1）可得
eU0=hv-W
即U0=hv?
W（3）
e
e
它表示U0与v间存在线性关系，其斜率等于h/e，因而可以从对U0与v的数据分析中求出普朗克常量h。
实际实验时测不出U0，测得的是U0与导线和阴极间的正向接触电势差Uc之差U0ˊ，
即测得的U0ˊ是
U0ˊ=U0-Uc将此式代入式（3），可得
U0ˊ=hv?
（Uc?
W）（4）
e
e
由于Uc是不随v而变的常量，所以U0ˊ与v间也是线性关系（图3），
图
3
测量不同频率光的U0ˊ值，可求得此线性关系的斜率b，由于b=h
e
所以h?
be（5）
-19
即从测量数据求出斜率b，乘以电子电荷e（=1.602×10C）就可求出普朗克常量。
由光电效应测定普朗克常量h，需要排除一些干扰，才能获得一定精度的可以重复的结果。
主要影响的因素有：
1．暗电流和本底电流：
光电管在没有受到光照时，也会产生电流，称为暗电流，它是由热电流、漏电流两部分组成；本底电流是周围杂散光射入光电管所致，它们都随外加电压的变化而变化，故排除暗电流和本底的影响是十分必要的。
2．反向电流：
由于制作光电管时阳极A上往往溅有阴极材料，所以当光射到A上或由于杂散光漫射到A上时，阳极A也往往有光电子发射；此外，阴极发射的光电子也可能被A的表面所反射。
当A加负电势，K加正电势时，对阴极K上发射的光电子而言起了减速作用，而对阳极A发射或反射的光电子而言却起了加速作用，使阳极A发出的光电子也到达阴极K，形成反向电流。
这样实测的光电流应为阴极电流、暗电流和本底电流以及反向电流之和。
图4
实验仪器
智能光电效应仪由汞灯及电源，滤色片，光阑，光电管、智能实验仪构成。
实验仪有手动和自动两种工作模式，具有数据自动采集，存储，实时显示采集数据，动态显示采集曲线（连接计算机），及采集完成后查询数据的功能。
实验内容
2．测试前准备
仔细阅读光电效应实验指导及软件操作说明书。
将实验仪及汞灯电源接通（汞灯及光电管暗箱遮光盖盖上），预热20分钟。
调整光电管与汞灯距离为约40cm并保持不变。
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）。
将“电流量程”选择开关置于所选档位（测截止电压时处于10-13A档，测伏安特性时处于10-10A档），进行测试前调零。
实验仪在开机或改变电流量程后，都会自动进入调零状态。
调零时应将高低杠暗箱电流输出端K与实验仪微电流输入端断开，旋转“调零”旋钮使电流指示为000.0。
调节好后，用专用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。
3．测普朗克常量h
在测量各谱线的截止电压U0时，可采用零电流法，即直接将各谱线照射下测得的电流为零时对应的电压UAK的绝对值作为截止电压U0。
此法的前提是阳极反向电流、暗电流和本底电流都很小，用零电流法测得的截止电压与真实值相差较小。
且各谱线的截止电压都相差ΔU对U0～v曲线的斜率无大的影响，因此对h的测量不会产生大的影响。
测量截止电压：
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10-13A档。
a.手动测试
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箱光输入口上，打开汞灯遮光盖。
此时电压表显示UAK的值，单位为伏；电流表显示与UAK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UAK的值。
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UAK，以其绝对值作为该波长对应的U0的值。
依次换上404.7nm，435.8nm，546.1nm，577.0nm的滤色片，重复以上测量步骤。
b.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。
对各条谱线，扫描范围大致设置为：
365nm，-1.90～1.50V；405nm，-1.60～-1.20V；436nm，-1.35～0.95V；546nm，-0.80～-0.40V；577nm，-0.65～-0.25V。
实验仪设有5个数据存储区，每个存储区可存储500组数据，并有指示灯表示其状态。
灯亮表示该存储区已有数据，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UAK，以其绝对值作为该波长对应的U0值。
将测量数据记于表一中。
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。
4．测光电管的伏安特性曲线
将“伏安特性测试/截止电压测试”状态键切换到伏安特性测试状态。
“电流量程”开关拨至10-10A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箱光输入口上。
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-1～50V，自动测量时步长为1V，仪器功能及使用方法如前所述。
记录所测UAK及I的数据到表二中，在坐标纸上作对应于以上波长及光强的伏安特性曲线。
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