光电效应物理实验报告

光电效应

实验目的：

(1)了解光电效应的规律，加深对光的量子性的理解

(2)测量普朗克常量h。

实验仪器：

ZKY-GD-4 光电效应实验仪

1 微电流放大器

2 光电管工作电源

3 光电管

4 滤色片

5 汞灯

实验原理：

原理图如右图所示：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迁移形成光电流。改变外加电压V AK，测量出光电流I的大小，即可得出光电管得伏安特性曲线。

1）对于某一频率，光电效应I-V AK关系如图

所示。从图中可见，对于一定频率，有一电压

V0，当V AK≤V0时，电流为0，这个电压V0叫做截止电压。

2)当V AK≥V0后，电流I迅速增大，然后趋于饱和，饱和光电流

IM的大小与入射光的强度成正比。

3）对于不同频率的光来说，其截止频率的数值不同，如右图：

4) 对于截止频率V0与频率ν的关系图如下所示。V0与ν成正比关系。当入射光的频率低于某极限值ν0时，不论发光强度如何大、照射时间如何长，都没有光电流产生。

5）光电流效应是瞬时效应。即使光电流的发光强度非常微弱，只要频率大于ν0，在开始照射后立即就要光电子产生，所经过的时间之多为10-9s的数量级。

实验内容及测量：

1 将4mm的光阑及365nm的滤光片祖昂在光电管暗箱光输入口上，打开汞灯遮光盖。从低到高调节电压（绝对值减小），观察电流值的变

化，寻找电流为零时对应的V AK值，以其绝对值作为该波长对应的V0值，测量数据如下：

频率和截止电压的变化关系如图所示：

由图可知：直线的方程是:y=0.4098x-1.6988 所以: h/e=0.4098×10-14 ,

h=1.6×10-19×0.4098×10-14=6.5568×10-34J·s

当y=0，即V0=0V时，ν=1.6988÷0.4098=4.1454×1014Hz，即该金属的截止频率为4.1454×1014Hz。也就是说，如果入射光如果频率低于上值时，不管光强多大也不能产生光电流；频率高于上值，就可以产生光电流。

根据线性回归理论：

k=v∙V0-v∙V0v2-v2

可得：k=0.40975，与EXCEL给出的直线斜率相同。

我们知道普朗克常量h0=6.626×10-34J∙s, 所以，相对误差：E=h-h0h0=-0.01044

2 测量光电管的伏安特性曲线

1）用435.8nm的滤色片和4mm的光阑

实验数据如下表所示：

435.8nm 4mm光阑 I-VAK的关系

2）用546.1nm的滤光片和4mm的光阑

数据如下表所示：

作两种情况下，光电管得伏安特性曲线：

由上图可知：

1）光电流随管压降的增大而逐渐增大。在增大的过程中，增长速度由快变慢最终达到饱和。这一点在546.1nm的伏安特性中可以清楚地看出。

2）当管压降相同时，比较两个不同波长的光电流可以发现：波长长的，即频率小的（546.1nm）光电流小；波长短的，即频率大的（435.8nm）光电流大。这也间接证明了爱因斯坦的光电流方程：hν=12mv02+A。对于同一种金属，溢出功A相等，频率高的就能得到更大的动能来克服金属的束缚，从而形成更大的光电流。

3. 保持管压降VAK=30.0V不变，调整光阑的直径，分别为：2mm, 4mm, 8mm。测量对应的电流如下：

作出两种不同波长的光电流随光强的变化图，如下：

我们可以看出：

1）同一种波长下，光电流随光阑直径的增大而增大。由于数据点有限，不能表明光阑面积（即光强的大小）同光电流的具体关系，是否是线性的，也就无从得知。所画出的图形如下：

2）不同波长下，若光阑直径相等，即光强相同，光的频率越大，光电流越大；并且，频率大的光变化也快。在光强较弱时，不同的光产生的光电流大小相差无几，但当光强变大后，两者差距逐渐变大。

4 在VAK=30.0V的情况下，保证光阑直径为8mm，测量两种光强下，光电流与入射距离的变化关系如下表和下图所示：

入射距离增大，光强势必会减小，由图可知，光电流变小，这样的结论和以上改变光阑直径所得结论相一致。对于不同的光波，频率大的光在相同的光强条件下，获得的光电流较大。

实验总结：

1）实验中改变入射距离处误差最大，所以只能做定性分析，不能用于定量计算。

2）通过实验得到了普朗克常数，也验证了爱因斯坦的光电效应方程。

3）EXCEL表格中所得到的线性方程也是利用了线性回归理论，可见线性回归理论在处理数据中有很重要的应用。

4）实验中由汞灯产生的不同波长的光的强度本身也应该有所差别，546.1nm和435.8nm的光的强度应该是不相同的。所以对于实验中的光强也无法做到定量研究。