实验要求与内容.docx
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实验要求与内容
实验要求
一、实验过程。
实验前认真记录实验设备及桌椅的初始状态，实验后复原。
二、实验报告。
报告内容包括4个局部：
1、实验目的；
2、实验数据处理与误差分析，要有实验原理框图、实验数据表及分析图；
3、降低误差的途径与实际结果；
4、实验收获与心得。
实验报告有雷同成绩最高为C。
三、实验报告上交方式。
1、时间：
5月5日上午10点；
2、地点：
E楼II区103；
3、学习委员统一收齐word格式的纸质打印版后上交，实验报告按学号排列，每个学生的实验报告按实验序号排列。
四、实验报告评分参考标准。
1、独立完成实验，了解实验原理，认识实验设备得“C〞；
2、能够在实验现场计算误差并分析误差来源得“B〞；
3、根据误差分析结果，能够提出问题并在实验现场验证提出的问题得“A〞。
实验一光电效应法测定普朗克常数实验
普朗克常量是在辐射定律研究过程中，由普朗克（1858-1947）于1900年引入的与黑体的发射和吸收相关的普适常量。
普朗克公式与实验符合得很好。
发表后不久，普朗克在解释中提出了与经典理论相悖的假设，认为能量不能连续变化，只能取一些分立值，这些值是最小能量的整数倍。
1905年，爱因斯坦
（1879-1955）把这一观点推广到光辐射，提出光量子概念，用爱因斯坦方程成功地解释了光电效应。
普朗克的理论解释和公式推导是量子论诞生的标志。
1实验装置
各器件安装在一个700X290$0mm的底座上（图1）。
在箱体内部有
AC220V/DC12V开关和±电源。
123456789
1卤钨灯箱2聚光器3单色仪4光电管盒5零点调节6电压调节
7电流倍率开关8正负转换开关9微安表10测量开关11电源开关
12直流电压表13波长调节14聚光器横向调节另有遮光板2个
图1普朗克常量实验装置
光源：
12V,75W卤钨灯；
风扇：
，供光源散热用；
聚光器：
由f'50mm和f'70mm两个透镜组成;
单色仪：
WGD-100型，光栅式
波长范围：
200-800nm
狭缝宽度：
波长精度：
出nm
波长重复性：
±nm
光电管：
GD31A型；
直流稳压电源：
±.8V，用数字电压表；
测量放大器：
为电流放大，4档倍率转换，磁电式100卩A电流计。
入缝
图2WGD-100小型光栅单色仪
2工作原理
图3表示实验装置的光电原理。
卤钨灯S发出的光束经透镜组L会聚到单色仪M的入射狭缝上，从单色仪出射狭缝发出的单色光投射到光电管PT的阴
极金属板K，释放光电子〔发生光电效应〕，A是集电极邙阳极〕。
由光电子形成的光电流经放大器AM放大后可以被微安表测量。
如果在AK之间施加反向电压〔集电极为负电位〕，光电子就会受到电场的阻挡作用，当反向电压足够大时，到达Vo，光电流降到零，Vo就称作遏止电位。
Vo与电子电荷的乘积表示发射的最快的电子动能Kmax，即
Kmax二eV。
（1）
S:
卤钨灯；L:
透镜；M:
单色仪；G:
光栅；PT:
光电管；AM:
放大器
图3普朗克常量实验装置光电原理
按爱因斯坦的解释，频率为v的光束中的能量是一份一份地传递的，每个光子
（2）
的能量
E=hv
（3）
其中的h就是普朗克常量。
他把光子概念应用于光电效应，又得出爱因斯坦方程
hV=Eo'Kmax
并做出解释：
光子带着能量hv进入外表，这能量的一局部〔Eo〕用于迫使电子挣脱金属外表的束缚，其余〔hv—Eo〕给予电子，成为逸出金属外表后所具有的动能。
将式〔1〕代入式〔3〕，并加以整理，即有
（4）
这说明Vo与v之间存在线性关系，实验曲线的斜率应当是卫o殳是常量。
因
ee
此，只要用几种频率的单色光分别照射光电阴极，做出几条相应的伏安特性曲线，然后据以确定各频率的截止电位，再作Vo-v关系曲线，用其斜率乘以电子
根本电荷e,即可求得普朗克常量。
图4光电管的伏安特性曲线
应当指出，本实验获得的光电流曲线，并非单纯的阴极光电流曲线，其中
不可防止地会受到暗电流和阳极发射光电子等非理想因素的影响，产生合成效
果。
图4表示，实测曲线光电流为零处〔A点〕阴极光电流并未被遏止，此处电位也就不是遏止电位，当加大负压，伏安特性曲线接近饱和区段的B点时,
阴极光电流才为零，该点对应的电位正是外加遏止电位。
实验的关键是准确地找出各选定频率入射光的遏止电位。
3实验方法与步骤
接通卤钨灯电源，松开聚光器紧定螺丝，伸缩聚光镜筒，并适当转动横向调节纽，使光束会聚到单色仪的入射狭缝上〔以电流表指示最大为准，X10-4档、500nm可达50卩A以上〕。
单色仪的调节
小管
将光电管前的挡光板置于挡光位置。
转动波长读数鼓轮〔螺旋测微器〕观察通过出射缝到达挡光板的从红到紫的各种单色光斑，直到波长度数鼓轮转到零位置，挡光板上出现白光。
可能发生的零位偏差，实验读数中应予以修正
051
llllllllll
J
5
0
--.-
iiiiiiiin
=
■-
45
$./说
鼓轮
图5单色仪的读数装置
单色仪输出的波长示值是利用螺旋测微器读取的。
如图5所示，读数装置
的小管上有一条横线，横线上下刻度的间隔对应着50nm的波长。
鼓轮左端的
圆锥台周围均匀地划分成50个小格，每小格对应1nm。
当鼓轮的边缘与小管上的“0刻线重合时，单色仪输出的是零级光谱。
而当鼓轮边缘与小管上的“5〞
刻线重合时，波长示值为500nm。
通电预热20-30min后，调节测量放大器的零点位置。
先将电压表调至0V，
再将单色仪前的挡光板置于挡光位置，光电管的遮光罩要向左推到头，然后微调零点调节纽，使电流表指向零位。
测量光电管的伏安特性在可见光范围内选择一种波长输出，根据微安表指示，找到峰值，并设置适当的倍率按键。
调节电压调节旋纽，改变光电管遏止电压。
从起，缓慢调高外加直流电压，先注意观察一遍电流变化情况，记住使电流开始明显升高的电压值。
针对各阶段电流变化情况，分别以不同的间隔施加遏止电压，读取对应的电流值。
在上一步观察到的电流起升点附近，要增加监测密度，以较小的间隔
采集数据（电流转正后，可适当加大测试间隔，电流可测到9OX1O-11A为止）。
陆续选择适当间隔的另外3~4种波长光进行同样测量，列表记录数据。
4使用Excel处理数据
分别做出被测光电管在4~5种波长（频率）光照射下的伏安特性曲线，并从这些曲线找到和标出Iak的遏止电位，填入下表。
提示：
作GD31A型光电管伏安特性曲线，假设用到红光波段，随着频率的降低，遏止电位倾向于从曲线的拐
点〞逐渐向上偏移。
波长入（nm）
频率v（X!
014Hz）
遏止电位V0（V）
根据上表数据作V0-v关系图，可得一直线，说明光电效应的实验结果与爱
因斯坦光电方程是相符合的。
用该直线的斜率
：
V0h
■■:
ve
乘以电子电荷e（1.602X0-19C），求得普朗克常量。
普朗克常量与公认值作比拟，分析误差。
5实验图例
实测光电管伏/安特性的I-V曲线V。
-v图及所得普朗克常量
注：
1〕GD-31A型光电管属高灵敏度光电管，但产品个体之间灵敏度可能会有较大差异，其中该指标较低的光电管，不同频率单色光的几条伏安特性曲线容易靠得太近。
这时可在一张35X25cm格纸上分作两图，使曲线间有适当距离。
2〕测微电流时必须确认表针停稳后才可以读数。
3〕实验中要注意可能出现的微电流计指针的漂移现象。
遇短时间的漂移，实验可暂停片刻；对数据有较大影响时，局部测量可以重做；假设电网电压波动较大，卤钨灯宜配接交流稳压器。
参考文献：
?
物理光学实验?
杨志文主编pp213-223
实验二光电探测器探测度的测量实验
探测度是衡量光电探测器对于微弱信号的极限探测能力的一个重要指标。
这一性能指标对光电探测器在弱光探测和军事方面的应用具有重要意义。
探测度这一参数最初是从噪声等效功率NEP引出的。
NEP的定义如下：
当探测器输出的基频信号电压的有效值Vs等于噪声均方根电压Vn时，投射到探测器上的已调制辐射频率Ps〔基频分量的均方根值〕，称作光电探测器的噪声等效功率。
用公式表示，那么为
NEP=Vs/Vn
这里，NEP的单位为W。
噪声等效功率又称为最小可测功率，因此光电探测器的NEP值越小，其探测本领越强，这显然不符合人的心理习惯。
人们习惯认为探测器的性能越好，表征他性能的参数应越大。
因此通常由NEP的倒数定义探测度D，用公式表示，那么为
探测度D可以理解为每单位〔瓦〕辐射功率照射在探测器上的信噪比。
D
越大，说明探测器的探测能力越强。
D的单位为W-1o
理论与实验均说明，噪声等效功率与探测器的光敏面积Ad和测量系统的带宽廿乘积的平方根成正比，即
i
NEP尤Adf2
亦即
i
Ad・f?
=常数
其中Ad为探测器的光敏面积，单位为cm2;f为测量系统的带宽，单位为
Hzo为了消除光敏面积和测量带宽的影响，便于对不同类别的探测器进行比拟，
1
人们引入归一化探测度D*〔又称为比探测度〕。
D*被定义为D与Ad「f2的乘积，即卩
1
D*的单位是cmHz2・WJ。
它表示探测器接受面积为1cm2,工作带宽为
1Hz时，在单位入射辐射功率照射下所输出的信噪比。
为简化起见，通常也把
D*叫做探测度。
通常在D*后将测量条件一并标出，如所用的黑体光源的温度、调制频率、测量系统的带宽等，测量值以D“T,f：
f标出。
例如，D*（800,500,1）。
为了描述光电探测器对不同单色光的探测能力强弱，还引入光谱探测度
D；。
它表示器件对波长为入的辐射的探测度。
D；的测量结果以D；（氛f,Af）标
/uJr'-f/u
出。
一、实验目的
（1）掌握光电探测器探测度的测试方法；
（2）深入了解光导探测器的探测度与调制频率的关系。
二、实验内容
（1）利用黑体辐射测量PbS光导探测器的积分响应度、最小可探测功率及探测度；
（2）测量响应度和探测度与调制频率的关系。
三、根本原理
根据定义，探测度可表示为
其中，探测器的接收面积Ad和放大器的工作带宽f在一定的测量系统中为定
值，因此，只要测得探测器输出信噪比VS/Vn，便可根据计算得到的Ps求出D*本实验用500K黑体做辐射源。
根据普朗克公式，黑体在单位面积上，在单位波长间隔内发射的辐射功率为
2兀he2-1「、
LB，-5~~he/'kT-（7）
扎e'-1
式中，普朗克常数h=6.62510“4J;玻尔兹曼常数k=1.3810^J*K‘;
光速c=3108m・s‘；■为辐射波长；T为绝对温度
黑体在■!
〜2波段范围内的辐射功率为
PbS光敏元件的响应波段为1〜3卩m在此波段内的辐射功率为
经数值积分计算得LPbs=6.43910〞W/cm2.sr。
探测器接收到的功率Ps为
Ad八
Ps-LPbS2Ab；m
二r
式中，Ad为探测器面积；Ad/r2为接收视场立体角；Ab为黑体光阑孔径面积；r为黑体光阑孔径至探测器灵敏面的距离；&为辐射系数，取;m为调制转换系数，这里取0.28〔三角波调制〕。
当黑体辐射炉和探测器确定后，上述参
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