光电效应

示范 实验名称 光 电 效 应 一.目的与要求 1.加深对量子理论的理解。 2.验证爱因斯坦光电效应方程，测量普朗克常数 h。 二.原理 一定频率的入射光照射到光电管的阴极 K上，产生的光电子在电场的作用下向阳极 A 迁移，构成光电流（见图一）。改变外加电压 UAK测量出光电流 I的大小，即可获得光电管 的伏安特性曲线。随 UAK的增加，光电流趋向饱和。 1.对一定频率的入射光，其饱和电流 Im的大小与入射光的强度成正比，如图二所示； 2.光电效应有一个阈值频率υ0，称为截止频率。当入射光的频率υ＜υ0，无论入射光 的光强如何，均不能产生光电效应。不同频率的光有不同的截止频率； 3.在阳极 A 与阴极 K 之间加一反向电压后，反向电场将对光电子流起减速作用。当反 向电压达到某一值 U0时，光电流为零，U0称为遏止电压（见图二）。此时，电场力对光电 子作的功 eU0等于光电子的初动能 2 2 1 mV ； 4.光电效应是瞬时效应，即使入射光强很弱，只要频率大于υ0。从开始照射即有光电 子产生，所经过的时间至多为 10-9秒的数量级。 根据爱因斯坦光电效应方程 AhmV  2 2 1 式中 2 2 1 mV 是光电子的初动能， h 是一个光电子的能量，A为金属面逸出功。 产生光电效应时， 2 2 1 mV ≥0，即 h -A≥0， h ≥A， ≥ h A ，即有截止频率 h A 0 。 用不同频率的光入射光电管，分别测出各自的遏止电压 U0，作 U0～关系曲线，由 eU0= 2 2 1 mV = Ah  得 e A e h U  0 由直线的斜率 tgθ= e h 可算出普朗克常数 h ；根据直线与横坐标轴交点，可得到截止频率 0 ；根据直线与纵坐标轴交点，可得到阴极金属的逸出电势 U 。 三.仪器 GD-1光电效应测量仪， 滤色片（365.0、404.7、435.8、546.1和 578.0nm） ，减光片 示范报告 （75％、50％、25％） 四.实验内容与步骤 1.汞灯预热 15~20分钟。在无入射光的情况下，电压从-3V升高到 30V，观察暗电流的 变化。 2.调节光源与光电管暗箱的距离。 3.依次换上为 365.0、404.7、435.8、546.1 和 578.0nm的滤色片，分别测量光电管的伏 安特性曲线。 电压先选择“3V”档，“电流量程”选择“1μA”档，“电压极性”选择“－”，起始电 压为－3V,不加减光片（即透光率为 100％）。分别由－3V到＋30V间调节电压 UAK，每隔 1 V 测一个点，记录光电流大小。在－2V~0V 内，测量点适当多一些，以便于找出“抬头电 压”即相应的遏止电压。 4.在每个波长的入射光测得饱和电流的情况下，依次在光源的出射孔上加上减光片（分 别为 75％、50％、25％），观测入射光强与饱和电流的关系。 五.数据记录 1.不同入射光的伏安特性 365.0 /nm U/V -3.00 -2.00 -1.80 -1.70 -1.65 -1.60 -1.55 -1.50 -1.40 -1.20 -1.00 I/μA -0.3 -0.3 -0.3 -0.3 -0.2 -0.2 -0.2 -0.1 -0.0 0.2 0.6 U/V -0.80 -0.60 -0.40 -0.20 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 I/μA 1.1 1.6 2.3 2.9 3.7 7.8 8.6 9.2 9.5 9.9 10.3 U/V 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00 26.00 28.00 30.00 I/μA 10.1 10.0 10.0 9.9 10.1 10.3 10.3 10.2 10.3 404.7 /nm U/V -3.00 -2.00 -1.50 -1.15 -1.10 -1.00 -0.80 -0.60 -0.40 -0.20 0.00 I/μA -0.1 -0.1 -0.1 -0.1 -0.0 0.0 0.2 0.7 1.2 1.8 2.3 U/V 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 I/μA 4.7 5.1 5.2 5.3 5.3 5.3 5.4 5.4 5.5 5.5 5.5 U/V 24.00 26.00 28.00 30.00 I/μA 5.5 5.5 5.4 5.5 435.8 /nm U/V -3.00 -2.00 -1.50 -1.20 -1.10 -1.00 -0.80 -0.60 -0.40 -0.20 0.00 I/μA -0.1 -0.1 -0.1 -0.1 -0.0 -0.0 1.0 0.3 0.8 1.4 1.8 U/V 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 I/μA 4.2 4.4 4.7 4.6 4.5 4.5 4.6 4.5 4.6 4.6 4.6 U/V 24.00 26.00 28.00 30.00 I/μA 4.5 4.4 4.4 4.4 546.1 /nm U/V -3.00 -2.00 -1.70 -1.50 -1.20 -1.00 -0.80 -0.60 -0.40 -0.20 0.00 I/μA -0.1 -0.1 -0.1 -0.1 -0.0 -0.0 -0.0 -0.0 0.3 0.8 1.3 U/V 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 I/μA 3.1 3.3 3.5 3.6 3.7 3.7 3.7 3.7 3.9 3.9 3.9 U/V 24.00 26.00 28.00 30.00 I/μA 3.9 3.9 3.9 4.0 577.0 /nm U/V -3.00 -2.00 -1.00 -0.80 -0.60 -0.50 -0.40 -0.20 0.00 2.00 4.00 I/μA -0.0 -0.0 -0.0 -0.0 -0.0 0.0 0.1 0.4 0.7 1.4 1.5 U/V 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00 26.00 I/μA 1.6 1.7 1.7 1.7 1.7 1.7 1.7 1.8 1.9 1.9 1.9 U/V 28.00 30.00 I/μA 1.8 1.8 示范报告 2.饱和光电流与光强的关系 相对光强 100％ 75％ 50％ 25％ 光 电 流 I365.0/μA 10.2 9.6 4.5 2.2 I404.7/μA 5.5 4.2 2.4 1.2 I435.8/μA 4.5 3.3 1.9 0.9 I546.1/μA 3.9 3.2 1.9 1.0 I578.0/μA 1.8 1.5 0.9 0.5 六.数据处理 遏止电压 U0与频率关系  /nm  /×1014HZ U0 /V 1 365.0 8.216 2 404.7 7.410 3 435.8 6.882 4 546.1 5.492 5 578.0 5.198 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 -2.0 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 Y = 1.58501 -0.42065 * X U 0 /V /10 14 Hz U0~曲线 由上图可知：斜率 tgθ=   0U = e h =-0.4206 14 ,所以普朗克常数 h=6.738758×10-34J•s. 百分误差 E=(6.738758×10 -34 -6.6260755×10 -34 )/( 6.738758×10 -34 ) ×100%=1.6722%