光电效应1

4光电流与入射光强的关系
电压量程：-2v~30V电流量程： 电压：2.0V波长：546nm
光阑口径D（mm）
2
4
8
光阑口径 ( )
4
16
64
光电流大小I（ ）
13.5
51.8
198.5
因为光强P与光阑入口面积成正比，即P ，所以为了讨论I与光强P关系，可以作I~ 散点图
线性拟合以后，得I=3.0756 +1.817
因为交点法误差较大，故可以使用补偿法从而使系统误差控制在一个较小范围。本试验通过几次调零，最大限度的降低系统误差。但是由于测试仪示数始终无法稳定，且照射高压汞灯之后的最小电流比无光时的本地电流及暗电流小，所以可能产生误差。
在测量截止电压的过程中，同一实验室的不同仪器的截止电压不同，但其在图像上的平行移动并不影响到拟合直线的斜率，从而保证h值的精确；只会影响到截距进而使得各仪器测得的溢出功不同。
K为光电管阴极，A为光电管阳极，G为微电流计，V为电压表，R为滑线变阻器。使用换向开关T，调节R可使A、K之间获得从-U到0到+U连续变化的电压。当光照射光电管阴极时，阴极释放出的光电子在电场的作用下向阳极迁移，并且在回路中形成光电流。
在光电效应实验中可发现：
1.当入射光的波长不变时，光电流的大小与入射光的强度成正比；
5.49
5.20
光电流大小（ ）
298
73.3
116.0
91.8
28.9
注：滤色光波长为365nm时由于仪器关系，将电流量程换成 ，调零后继续测量
由上面数据及散点图可发现光波长与光电流大小并无简单的线性关系，但大体趋势是随着波长的增大，光电流先减小然后增大，然后再减小。
3光电管的伏安特性曲线与入射光波长的关系
150.5
19.5
187.2
173.9
155.3
21.0
192.0
177.6
158.8
22.5
196.0
182.2
161.5
24.0
199.2
185.3
165.8
25.5
201.6
187.9
169.0
27.0
204.0
193.8
173.3
28.5
206.4
196.5
175.3
30.0
208.0
196.9
2.改变入射光的波长研究光电流大小变化关系。将电压按键置于-2V—+30V档；将“电流量程”选择开关置于合适档位，将测试仪电流输入电缆线断开，调零后重新接上。将4mm的光阑放到光电管的入射孔中，选取适合的电压使得光电流大于0。更换不同波长滤色片，记录滤色片波长和对应光电流大小。
3.测量不同波长入射光照射下光电管的伏安特性曲线。将电压按键置于-2V—+30V档；将“电流量程”选择开关置于合适档位，将测试仪电流输入电缆线断开，调零后重新接上。选用4mm的光阑，测量546.1nm滤色片对应的光电管的伏安特性曲线。测量其他波长滤色片对应的光电管的伏安特性曲线。
电压大小（V）
15.0
16.5
18.0
19.5
21.0
22.5
电流大小（ ）
155.0
165.1
169.3
173.9
177.6
182.2
电压大小（V）
24.0
25.5
27.0
28.5
30.0
31.0
电流大小（ ）
185.3
187.9
193.8
196.5
196.9
198.7
电压量程：-2v~30V电流量程： 波长：577nm光阑：4mm
三．实验装置及过程
【1】实验装置
1.高压汞灯附电源
2.光电管及实验仪
3.导轨
4.滤色片（365.0nm、404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm）
5.孔径光阑（2mm、4mm、8mm）
【2】实验过程
1测量普朗克常数h。将电压按键置于-2V—+2V档；将“电流量程”选择开关置于档，将测试仪电流输入电缆线断开，调零后重新接上。将4mm光阑和滤色片放到光电管的入射孔中。依次更换不同波长的滤色片，记录对应的截止电压。画出截止电压和入射光频率的关系图，拟合并计算普朗克常数h。
2.光电子的最大动能与入射光的强度无关；
3.对于任何光阴极的金属材料都有一个相应的截止频率 （也称红限），当入射光的频率小于 （时，不论光强多大，照射时间多长，也不会产生光电流。
对于上述现象，爱因斯坦认为光是由光子组成的粒子流，每个光子的能量为 。光子的多少决定光的强弱。当光照射金属表面时，金属中的电子只有吸收了光子能量后，才能逸出表面成为光电子。因此，光子能量的一部分转化为使电子从金属表面逸出时必需作的功W–逸出功；另一部分能量便转换成光电子的最大动能。于是便有了爱因斯坦方程 ，式中m为电子质量， 为光电子的最大速度。
100.1
88.3
7.5
122.0
114.3
99.8
9.0
134.4
125.3
110.0
10.5
142.8
136.2
122.3
12.0
151.6
142.1
127.8
13.5
162.0
147.8
134.8
15.0
167.2
155.0
139.0
16.5
177.2
165.1
144.3
18.0
182.8
169.3
由爱因斯坦方程Uo= ,可以得到h=（ ）* J.s,
相对误差 =0.45%。由截距可得逸出功为w=(1.44 )ev
2滤色片波长和对应光电流的关系
电压量程：-2v~30V电流量程： 电压：5.0V光阑直径：4mm
滤色片波长（mm）
365
405
436
546
577
入射光频率（ hz）
8.22
7.41
6.88
175.8
31.0
209.2
198.7
177.5
由上图及实验数据可知，
3条曲线趋势近似相同，基本可以证实推测。仔细观察发现三曲线间仍有差异，且差异随着电压的增大而增大。经过分析可知，产生误差的原因是：
在数据处理时我直接将数据按照理论所示分别乘上、除以4，而通过计算可发现三者间相邻两项的比值小于4，约为3.6，可知产生误差（误差分析见第五部分的实验分析）。
电压量程：-2v~30V电流量程： 波长：546nm光阑：4mm
电压大小（V）
-0.5
0.5
1.5
2.5
3.5
4.5
电流大小（ ）
2.8
19.7
41.4
59.9
74.8
87.9
电压大小（V）
6.0
7.5
9.0
10.5
12.0
13.5
电流大小（ ）
100.1
114.3
125.3
136.2
142.1
147.8
为了进一步更精确的分析不同曲线之间的趋势异同.由实验4的结论可知光电流大小与光强成正比，所以经过理论分析不同孔径的光阑透过的光引起的光电流之间的比值应与孔径的平方的比值相同。因为相邻两光阑的孔径恰为2倍关系，所以推测光电流应为4倍关系。所以可以将8mm光阑的示数除4，将2mm光阑的示数乘4，观察此时三者的变化趋势图。
五．分析和讨论
①实验分析：
实验一：截止电压和入射光频率的关系，测量普朗克常数
测量普朗克常量试验中，在测量不同频率的光对应的截止电压时，采用“交点法”。
交点法：交点易找，也能比较精确确定，但由于暗电流与电压大小有关；阳极光电流的饱和电流与光强有关，故由交点法确定的截止电压Uc，不再仅仅与光的波长有关,而且也将与光的光强以及反向电压的大小有关,由此误差很大,也难以分析以加于剔除。
44.0
48.9
51.1
53.9
电压大小（V）
15.0
16.5
18.0
19.5
21.0
22.5
电流大小（ ）
55.6
57.7
60.2
62.1
63.5
64.6
电压大小（V）
24.0
25.5
27.0
28.5
30.0
31.0
电流大小（ ）
66.3
67.6
69.3
70.1
70.3
71.0
电压量程：-2v~30V电流量程： 波长：546nm光阑直径：2mm
4.改变入射光的强度研究光电流大小变化关系。将电压按键置于-2V—+30V档；将“电流量程”选择开关置于合适档位，将测试仪电流输入电缆线断开，调零后重新接上。在光电管入射孔上套上546.1nm滤色片，选取适合的电压使得光电流大于0，更换不同口径的光阑来改变入射光强度。记录光阑口径对应光电流大小。
5.测量不同强度入射光照射下光电管的伏安特性曲线。将电压按键置于-2V—+30V档；将“电流量程”选择开关置于合适档位，将测试仪电流输入电缆线断开，调零后重新接上。选用546.1nm滤色片，更换不同光阑，测量相应的光电管的伏安特性曲线。
48.7
50.5
51.2
51.4
52.5
53.4
电压大小（V）
25.0
26.5
28.0
29.5
31.0
电流大小（ ）
55.1
55.6
56.4
56.5
56.6
注：在改变电压探求光电流变化规律时测完“10.0v”对应情况后应该测“12.0V”，而我在操作时测的是“13.0v”，并导致以后的每个电压都相对于第一组大了1.0v。但是经过分析，这并不影响绘出伏安特性曲线的大致趋势，所以并不会影响实验结果。