用光电效应测定普朗克常数讲稿_光电效应测普朗克常数

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用光电效应测定普朗克常数

1887年，德国物理学家赫兹发现了光电效应现象。但是在当时，利用麦克斯韦经典电磁理论无法圆满地解释光电效应的一系列性质。直到1905年，爱因斯坦应用并发展了普朗克的量子理论，提出了“光量子”的概念，从而成功地解释了光电效应的规律，得出了光电效应方程。后来，密立根对爱因斯坦的光量子理论进行了大量的实验测量，于1915年准确地测定了普朗克常数h，有力地论证了爱因斯坦光量子理论的正确性。这二位物理学家都因光电效应等方面的杰出贡献先后获得了诺贝尔物理学奖。光电效应实验和光量子理论在物理学发展史上具有非常重要的意义。利用光电效应制成的各种光电器件在工业生产、科研、军用器材装备中有非常广泛的应用。如今我们重复前辈物理学家的实验，不仅可以从中学到物理理论与物理方法、物理思想，而且可以学习他们坚忍不拔的毅力、严谨的科学态度，进一步提高大家的实验能力和素质。

本次实验课的目的是：

1、加深对光的量子性的理解；

2、验证爱因斯坦光电效应方程，测量普朗克常数。

[实验原理] 1．基本知识：

光电效应：一定频率的光照射在某些金属表面上时，有电子从金属表面逸出，这种现象叫光电效应。所逸出的电子叫光电子，由光电子形成的电流叫光电流。

为了解释光电效应，爱因斯坦提出了“光量子”假说：在真空中传播的一束光就是一束以速度c运动的粒子流，这种粒子称为光量子，简称光子。他认为频率为ν的光的每一个光子所具有的能量为h，它不能再分割，而只能整个地被吸收或产生出来，h叫做普朗克常数。

爱因斯坦根据光量子假说理论，成功解释了光电效应现象。他认为，当光子入射到金属表面时，一个光子的能量hν一次地被金属中的一个电子全部吸收。这些能量，一部分用来克服金属表面对它的束缚而做功，即金属的逸出功A，其余的能量则成为该电子逸出金属表面后的动能，也就是光电子的初动能。这就是著名的爱因斯坦光电方程，即h逸出功A是一个常数。

12mv0A。对于确定的金属，2是不是任何频率的光照射在金属上就一定会产生光电效应现象呢？如果光子能量hυ＜金属的逸出功，光子的能量就不足以使电子从金属中逸出，就不会产生光电效应现象，因此当光子能量等于金属的逸出功时，就是产生光电效应的临界条件，这时的频率υ0就是产生光电效应的最低频率，通常称作光电效应的截止频率，即0数。

以上是有关光电效应的一些基本知识，下面我们分析实验原理。2．原理分析：

这就是实验原理图，它的核心是一个光电管，一束频率为的入射光照射到光电管的阴极K，会发生光电效应现象，就有电子从阴极K上逸出，这个回路就会产生光电流。当给光电管的阴极K和阳极A之间加一个反向电压UKA时，它对逸出的光电子起减速作用。调节滑线变阻器，逐渐增大光电管两端的反向电压，当反向电压UKA增至某一个值U0的时候，回路中的I光0，这说明反向电压U0刚好使阴极产生的光电子不能到达阳极，阴极光电子的初动能全部消耗于到达阳极的路上，全部用来克服反向电场而做了功，把这时候的反向电压U0叫做截止电压，即eU012mv0。当反向电压大于等于截止电压212mv0A以及截止频率2A，显然某种金属材料的截止频率υ0也是一个常h时，光电流就等于零。把这个关系式和光电方程h公式h0A联立，就得到截止电压的表达式U0h(0)。e我们对这个式子作几点分析。首先从这个关系式里可以看出，对于某一光电管，h、e、υ0都是常数，因此截止电压和入射光频率是线性关系，斜率为h/e。做出U0~的关系曲线，利用直线斜率求出普朗克常数。要做出U0~的关系曲线，需要测出不同频率光波入射时的截止电压。因此，实验的时候，首先要测出不同频率的光入射时所对应的截止电压，做出U0~的关系曲线，如果是直线，就验证了爱因斯坦的光电方程，并且根据直线的斜率就可以求出普朗克常数。所以，本实验的关键在于正确地测出不同频率光波入射时对应的截止电压。下面我们来分析截止电压的测量。这是光电管的伏安特性曲线，横轴是光电管两端的电压，纵轴是光电管阴极所产生的光电流，虚线部分是给光电管加正向电压时的曲线，随着正向电压的增大，光电流逐渐增大，当正向电压增大到某个值时，电流就达到了饱和，这个就是饱和电流，这是正向电压的部分曲线。随着反向电压的增大，光电流逐渐减小，那么当光电流刚好降为零时所对应的电压值就是我们要求的截止电压，而且当反向电压大于等于截止电压时，光电流始终是零，这部分应该是水平的。因此，要求某一频率的光入射时的截止电压，就要通过实验测出不同电压下的光电流的值，得到一系列对应的UKA和IKA，做出伏安特性曲线。对于这个实验，我们只要做出反向特性曲线就足够了，利用这段曲线就可以求出截止电压U0。

这是在理论上分析的利用反向伏安特性曲线测量截止电压的方法。实际实验中，当用光照射光电管的阴极时，阳极也会产生一些光电子，还有阳极光电流的存在。另外，光电管在没有光照的情况下还会产生暗电流，它们对测量得到的光电流的值都有影响。由于暗电流和阳极光电流的方向与阴极光电流的方向相反，这会使光电管的反向伏安特性曲线向下平移，实验中当反向电压等于截止电压时，光电流并不为零，而是一个负值电流。因此，实际实验时，光电流为零时的反向电压不是截止电压了。那截止电压在什么位置哪？截止电压仍然是曲线从接近水平的地方抬头的拐点处，也就是光电流从不变化到突变时的电压才是我们要测的截止电压U0。下边我们来看实验仪器。

[实验仪器] GD-III型光电效应实验仪主要由高压汞灯、光电管暗盒、微电流测量仪三部分组成。高压汞灯的谱线范围大约是300nm到870nm，为实验提供需要的光波。为了避免杂散光和外界电磁场对微弱光电流的干扰，把光电管安装在光电管暗盒里，在暗盒的窗口上安装有滤色镜和通光孔两个转盘，滤色镜用来从光源滤选出不同频率的光波；通光孔转盘可以选择不同的孔径，改变孔径就可以改变光强大小。微电流测量仪可以精确的测量微小电流，在本实验中它有两个的作用，一个是为光电管提供电压，一个是用来测量光电管产生的微弱光电流的大小。我们来详细看看微电流测量仪的结构。

先看它的背面板，背面有电源开关，电压输出接口给光电管提供电源，电流输入接口测量光电流的大小。正面板上有两个显示屏，一个显示待测光电流的值，它的左边是电流倍率调节旋钮，一个显示光电管两端的电压，利用电压调节旋钮可以连续调节电压的大小。中间是调零校准和测量转换开关，调零校准时，扳到调零校准档，把它扳到测量档，就可以测量。

[实验步骤] 1．开机预热。将光源、光电管暗盒、微电流放大器安放在适当位置，将微电流测量放大器面板上“电流倍率调节”旋钮置《短路》档，“电压调节”旋钮逆时针调到底。

然后打开微电流测量仪电源开关和高压汞灯预热，预热大约20min-40min。

2．调零校准。首先要将“调零校准、测量”转换开关置《调零校准》档，把“电流倍率调节”旋钮置《短路》档，调节“调零”旋钮，使电流表指示为零，再将“电流倍率调节”旋钮放在《校准》档，调“校准”旋钮使电流指示“-100”。因为调零和校准电路的互相影响，“调零”和“校准”应反复调整。仪器调整好，可以开始测量。

3．测量

（1）连线。将好光电管暗盒与微电流测量仪上的电压和电流输入输出插孔对应地连接起来。

（2）预置。使光源和暗盒间距在20~40 cm之间，使高压汞灯的光出射孔对准暗盒窗口。注意在放置实验仪器时，光电管暗盒入射窗口请勿面对其他强光源(如窗户等)以减少杂散光干扰。然后将微电流测量仪上的“调零校准-测量”换向开关放置在测量档，“电流倍率调节”旋钮置10-6档。调节光源和暗盒之间的距离以及通光孔的大小，使光电流显示屏在-40~-20数值之间。

（3）测量。改变光电管两端的反向电压，记录光电流的值。

第一步粗测。就是要观察一遍各频率光波入射时光电流明显变化的电压范围，记下来，然后再在这段电压范围内进行细测。注意不同频率光波入射时，光电流明显变化的电压范围是不同的，所以每个都要记下来。

第二步细测。先测短波365nm，为了准确地在曲线上找到截止电压，一定要在电流突变处应多测几个值，如每增加0.02V或0.01V测一次IKA，列表记录。应该测多少组值不是固定的，这要根据实际情况来定。并且用同样的方法依次测出405nm、436nm、546nm、577nm入射光的一系列的电流、电压值。

[数据处理] 1．绘图。根据每一频率光波入射时实验所测得的一系列电压电流的值，做出光电管的伏安特性曲线，找出截止电压U0。

2．列表。实验中给出的是光波的波长，把它转换成频率，列出截止电压U0和对应的频率的数据表格。

3．计算。根据这个表格的数据就可以做出U0~的关系曲线，如果是一条直线，就验证爱因斯坦的光电效应方程。然后利用一元线性回归法，根据所测的U0~数据就可以求出斜率kh，从而求出普朗克常数来。另外，和

e理论值比较求出误差。

用光电效应测定普朗克常数

一、实验目的二、实验原理]

1.基本概念（1）光电效应（2）“光量子”假说：

h

（3）光电效应方程： h12m20A（4）截止频率：

0Ah

2.原理分析：

遏止电压：eU012m20

Uh0e(0)

三、实验仪器

GD-III型光电效应实验仪

四、实验步骤

1.开机预热 2.调零校准 3.测量：（1）预置；

（2）测量：①粗测；②精测

五、数据处理

1．绘制光电管的伏安特性曲线，求遏止电压；2．作U0~的关系曲线，验证爱因斯坦光电

效应方程；

3．利用一元线性回归法求k； 4．计算普朗克常数h；

5．与理论值比较，计算相对误差。

用光电效应测定普朗克常数讲稿

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