普朗克常数的测定

普朗克常数的测定 课 题 普朗克常数的测定 1(了解光电效应的规律，加深对光的量子性的理解; 教 学 目 的 2(利用光电效应测量普朗克常数h; 3(学会用最小二乘法处理数据。 重 难 点 1(通过作图法找到光电效应的截止电压; 2(用实验法作出不同频率下的Ua, 直线，并求出直线的斜率。 教 学 方 法 讲授、讨论、实验演示相结合。 学 时 3个学时 一、前言 量子论是近代物理的基础之一，给予量子论以直观、鲜明物理图像的是光电效应。随着科学技术的发展，光电效应已广泛应用于工农业生产、国防和许多科技领域。普朗克常数是自然界中一个很重要的普适常数，它可以用光电效应法简单而又较准确地求出。所以，进行光电效应实验并通过实验求取普朗克常数有助于我们了解量子物理学的发展及对光的本性认识。目前，普朗克常数的公认值是h 6.626176 10,34J s。 二、实验仪器 YGP-2型普朗克常量实验装置(包括汞灯及电源，滤色片，光阑，光电管、智能测试仪构成)。 三、实验原理 光电效应的实验原理如图1所示。入射光照射到光电管阴极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，改变外加电压UAK，测量出光电流I的大小，即可得出光电管的伏安特性曲线。 光电效应的基本实验事实如下: (1) 对应于某一频率，光电效应的I,UAK关系如图2所示。从图中可见，对一定的频率，有一电压U0，当UAK U0时，电流为零，这个相对于阴极的负值的阳极电压U0，被称为截止电压。 (2)UAK U0后，I迅速增加，然后趋于饱和，饱和光电流IM的大小与入射光的强度P成正比。 (3)对于不同频率的光，其截止电压的值不同，如图3所示。 (4)作截止电U0与频率v的关系如图4所示。U0与v成正比关系。当入射光频率低于某极限值v0(v0随不同金属而异)时，不论光的强度如何，照射时间多长，都 没有光电流产生。 (5)光电效应是瞬时效应。即使入射光的强度非常微弱，只要频率大于v0，在 开始照射后立即有光电子产生，所经过的时间至多为10-9秒的数量级。 图1实验 原理图 图2同一频率，不同光强时光电管的伏安特 性曲线 图3不同频率时光电管的伏安特性曲 图4截止电压U与入射光频率v 的关系图 按照爱因斯坦的光量子理论，光能并不像电磁波理论所想象的那样，分布在波阵面上，而是集中在被称之为光子的微粒上，但这种微粒仍然保持着频率(或波长)的概念，频率为v的光子具有能量E hv，h为普朗克常数。当光子照射到金属表面上时，一次为金属中的电子全部吸收，而无需积累能量的时间。电子把这能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力，余下的就变为电子离开金属表面后的动能，按照能量守恒原理，爱因斯担提出了著名的光电效应方程: 2,A (1) hv m 012 2式中，A为金属的逸出功，m 0为光电子获得的初始功能。 1 2 由该式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能越大，所以即使阳 极电位比阴极电位低时也会有电子落入阳极形成光电流，直至阳极电位低于截止电 压，光电流才为零，此时有关系: 2 eU0 m 0 (2)1 2 阳极电位高于截止电压后，随着阳极电位的升高，阳极对阴极发射的电子的收集作用越强，光电流随之上升;当阳极电压高到一定程度，已把阴极发射的光电子几乎全收集到阳极，再增加UAK时I不再变化，光电流出现饱和，饱和光电流IM的大小与 入射光的强度P成正比。 光子的能量hv0 A时，电子不能脱离金属，因而没有光电流产生。产生光电效应的最低频率(截止频率)是v0 A/h。 将(2)式代入(1)式可得: eU0 hv,A (3) 此式表明截止电压U0是频率v的线性函数，直线斜率K ，只要用实验方法得出不同的频率对应在的截止电压，求出直线斜率，就可算出普朗克常数h。 爱因斯坦的光量子理论成功地解释了光电效应规律。 四、实验内容与步骤 (一)仪器的调整 按照说明书对聚光器、单色仪、测量放大器的零点进行调节。 (二)测光电管的伏安特性及测定普朗克常量 1(由于单色仪所选用的衍射光栅的闪耀波长是500nm，因此，波长在500nm左右的强度较强，所以建议选择400,500nm之间的任意波长。 2(精确校正零极光谱位置。 3(将正负转换开关置于“,”，逆时针转动微分筒到选定的波长位置，转动电压调节旋钮，改变光电管遏止电压，从,0.5V起缓慢调高外加直流负压，先注意观察一遍电流变化情况，记住电流开始明显升高的电压值。根据微安表的指示，直到直流负压增加而微安表不增加为止。 4(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。 5(陆续选择适当间隔的另外3,4种波长的光进行同样测量。 6(列表数据，画出伏安特性曲线，并确定截止电压。根据实验原理:截止电压应是实测曲线的斜直线部分与曲线部分的相接处。 五、数据表格及数据处理 1(实测5种波长在不同电压下的光电流数据，如下表(本实验所用光电管只是众多中的一只，因光电管每只的参数不可能完全一致，所以所测数据及数据处理方法仅供参考): 2(用一元回归(最小二乘直线拟合)求出对应5个波长的光电流益线的斜直线部分的直线方程((方法仅供参考) 令: I=A+BU 依据最小二乘法得 A: 1 400nm 同理: I1 ,34.62,2U B: C: D: E: 2 430nm I2 ,54.60,3.27U 3 460nm I3 ,74.83,2.56U 4 490nm I4 ,87.60,2.43U 5 520nm I5 ,92.8,2U 3(作V—I关系图(伏安特性曲线) 4(作V— 关系图 依V—I关系曲线，从图中可得出各波长的截止电压的数据如下表: A(依据上述表中的V与I，数据用最小二乘法拟合。 以y为X轴，V为Y轴，设 y=A+B 得 V 1.31,4.17 10,15 B(作V— 关系图 5(数据处理(方法仅供参考) A(求普朗克常量 a(根据截止电压与相应频率拟合的直线方程的斜率可知: B=4.17 10-15 h=Be=4.17 10-15 1.60 10-19 6.67 10-34j s b(根据V— 关系图可知: B=1.8-0=4.14 10-15 (7.5-3.15) 10 h Be 4.14 10-15 1.60 10-19 6.62 10-34j s 六、注意事项 1(仪器需要预热20,30分钟。 2(在实验中应确定零极谱位置，观测微分筒的“0”与固定套筒上的“0”位线重合，可能发生的零位偏差，实验中应予以修正。 3(测微螺杆位移0.01nm，恰好对应波长为1nm，逆时针转动微分筒，波长向长波方向移动，波长增加，反之，减小。 4. 调节测量放大器的零点，在进行测量光电管的伏安特性及其有关实验的过程 • 5. 电流表的倍率选择一般在10,4 A或10,5 A档，使微安表的指示值在30,100,的范围内，如超过满刻度可调整入射狭缝，尽量在测量某一波长的光电流曲线时，不变更倍率。 6(本实验的关键是较准确合理地找到选定波长的入射光的截止电压，真正的截止电压在实测曲线的斜直线部分与曲线部分的相接处，因此，需用最小二乘法处理数据。 七、教学后记 1(本实验要测量的数据较多，耗时较多，作为选作实验要求学生能够理解原理，记录数据，并处理数据即可，因此未让学生测5组数据。 2(学生在实验中一般未考虑零位修正。 3(选作实验学生在态度上就不重视，因此出现急于完成，抄数据的现象。