26光电效应(修改)教案_学生用教案修改教案

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六、实验器材

YJP-1普朗克常数测定实验装置各器件安装在一个700×150×60mm的工作台上（在箱体内部有DC12V稳压电源和AC220V/8V变压器）。

图2.15.1表示实验装置的光电原理。光源：12V，75W卤钨灯；风扇：DC12V，0.17A，供光源散热用；聚光器：由f’=50mm和f’=70mm两个透镜组成；单色仪：1型，光栅式；光电管：GD31A型；直流稳压电源：±1.8V，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100μA电流计。

卤钨灯S发出的光束经透镜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的阴级金属板K，释放光电子（发生光电效应），A是集电级（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。

S：卤钨灯；L：透镜；M：单色仪；G：光栅；PT：光电管；AM：放大器

七、实验原理

图26.1普朗克常量实验装置光电原理

当一定频率的光照射到某些金属表面时，可以使电子从金属表面逸出，这种现象称为光电效应，所逸出的电子称为光电子。光电效应是光的经典电磁理论所不能解释的。1905年，Entein依据Planck的能量子假说提出了光子的概念，使光电效应所有的实验结果得以圆满解释。他认为光是一种粒子（即光子），频率为的光子具有能量Eh，当金属中的电子吸收一个频率为的光子时，便获得能量h，如果该能量大于电子摆脱金属表面约束所需要的逸出功A，电子就会从金属中逸出。根据能量导恒定律有：

h1mV2maxA（26-1）2上式称为Enstein方程，其中m,Vmax是光电子的质量和最大速度，1/2mV2maz是光电子逸出表面后所具有的最大功能。如果光子能量h小于A时，电子不能逸出金属表面，从而没有光电效应产生；产生光电效应的最低频率0=A/h，称为光电效应的截止频率（又称红限）。不同金属有不同的截止频率，因为它们的逸出功各不相同。

对于Enstein的假说，R.A.密立根从1905年Enstein的论文问世后经过十年左右艰苦卓绝的工作，1916年发表详细的实验论文，证实了Enstein方程，并精确测出了Planck常数。A.Enstein和R.A密立根都因光电效应等方面的贡献，分别于1921年和1923年获得诺贝尔奖金。

按照R.A.密立根实验思路，要求精确测定光电子最大动能和入射光频率之间的关系。实验采用图26.1所示的原理。用不同频率的单色光照射光电管阴极K，用“减速电位法”测定阴极发射光电子的最大动能：当阳极A的负电位较小时，光电子损失一部分功能后，仍然可以达到阳极，形成的光电流由微电流测试仪 G测出。阳极的负电位逐渐增大，光电流会随之变小；当阳极Ａ的负电位增大到某一值时，使动能最大的光电子刚好不能克服减速电场到达阳极，光电流降为零（如图6.2所示），这时有关系式：

12mVmaxeUc(26-2)2这个使光电流刚刚降为零的电压Uc称为截止电压。由此，方程（26-1）可改写成：

eUchA

hA即 Uc（26-3）

ee它表示UC与间存在线性关系，其斜率等于h/e，因而可以从对UC与的数据分析中求出Planck常数。

图26.2 实验原理图

图26.3 一定频率光下Ｉ－Ｕ曲线

图26.4 实测I-U曲线

光电效应实验验证Enstein方程，测定Planck常数，原理比较简单，但实际工作需要排除一些干扰，才能获得具有一定精度并且可以重复的结果。主要的影响因素有： 1．暗电流：光电管在没有受到光照时也会产生电流，称为暗电流，主要来自光电管极的热电子发射。

2．反向电流：光电管的两极材料不同，在工业制作过程时，阳极A往往溅有阴极材料。当光射到A上时，阳极A往往也有电子发射；此外来自阴极的电子也有被阳极表面反射的可能。当对阴极电子加负压使之减速时，对来自阳极的电子却起了加速的作用，从而使之到达阳极，形成反向电流。由于上述因素的干扰，实测光电效应为阴极电流、暗电流和反射电流之和（图26.3）。由于反向电流和暗电流的存在，使得截止电压的测定变得困难。对于不同的光电管，应根据I-U曲线的特点，选用不同的方法确定截止电压。这里介绍一种较为简单确定截止电压的方法。

本实验选取的GD31A型光电管，在截止电压附近阳极光电流上升很快，从I-U曲线中找出电流开始变化的“抬头点”，用来确定截止电压Uc。实验中一般采用切线交会法，即将变化缓慢的暗电流和反向电流的切线与光电流上升得快曲线的切线相交，对应的反向电压即为截止电压Uc。

八、实验内容

1.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。2.单色仪的调节（1）单色仪的参数波长范围 200-800nm 狭缝固定宽度0.3mm 波长精度 ±1nm 波长重复性 ±0.5nm（2）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。

图26.5 WGD-100小型光栅单色仪

图26.6 单色仪的读数装置

（3）单色仪输出的波长示值是利用螺旋测微器读取的。如图26.6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50 nm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1 nm。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。

4、切断“放大测量器”的电源，接好光电管与放大测量器之间的电缆，再通电预热20-30min后，调节该测量放大器的零点位置。3.测量光电管的伏安特性

（1）取下暗盒盖，让光电管对准单色仪出射狭缝（缝宽仍取较窄一档），按上述螺旋测微器与波长示值的对应规律，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；

（2）调节“放大测量器”的“旋钮1”可以改变外加直流电压。从－1V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；（3）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90×10-9A为止）；

（4）陆续选择适当间隔的另外5--7种波长光进行同样测量，列表记录数据。注意事项：

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别，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35×25cm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，部分测量可以重做；若电网电压波动较大，卤钨灯宜配接交流稳压器。

九、实验数据记录与处理

1.选择400-550nm之间适当间隔的任意波长作伏安特性曲线，将测量数据记录于表26.1中。

表26.1伏安特性数据记录表

序号 λ1/nm

λ2/nm λ3/nm

λ4/nm λ5/nm

V/v

I/uA

V/v