实验要求与内容

实验要求

一、实验过程。

实验前认真记录实验设备及桌椅的初始状态，实验后复原。二、实验报告。

报告内容包括4个部分：

1、实验目的；

2、实验数据处理与误差分析，要有实验原理框图、实验数据

表及分析图；

3、降低误差的途径与实际结果；

4、实验收获与心得。

实验报告有雷同成绩最高为C。

三、实验报告上交方式。

1、时间：5月5日上午10点；

2、地点：E楼II区103；

3、学习委员统一收齐word格式的纸质打印版后上交，实验报告按学号排列，每个学生的实验报告按实验序号排列。

四、实验报告评分参考标准。

1、独立完成实验，了解实验原理，认识实验设备得“C”；

2、能够在实验现场计算误差并分析误差来源得“B”；

3、根据误差分析结果，能够提出问题并在实验现场验证提出的问题得“A”。

实验一 光电效应法测定普朗克常数实验

普朗克常量是在辐射定律研究过程中，由普朗克（1858-1947）于1900年引入的与黑体的发射和吸收相关的普适常量。普朗克公式与实验符合得很好。发表后不久，普朗克在解释中提出了与经典理论相悖的假设，认为能量不能连续变化，只能取一些分立值，这些值是最小能量的整数倍。1905年，爱因斯坦（1879-1955）把这一观点推广到光辐射，提出光量子概念，用爱因斯坦方程成功地解释了光电效应。普朗克的理论解释和公式推导是量子论诞生的标志。

1 实验装置

各器件安装在一个700×290×80mm 的底座上（图1）。在箱体内部有AC220V/DC12V 开关和±5V 电源。

1 卤钨灯箱

2 聚光器

3 单色仪

4 光电管盒

5 零点调节

6 电压调节

7 电流倍率开关

8 正负转换开关

9 微安表 10 测量开关 11 电源开关 12 直流电压表 13 波长调节 14 聚光器横向调节 另有遮光板2个

图1普朗克常量实验装置

1.1 光源：12V ,75W 卤钨灯；

1.2 风扇：DC12V 0.17A ，供光源散热用；

1.3 聚光器：由f’=50mm 和f’=70mm 两个透镜组成； 1.4 单色仪：WGD-100型，光栅式 波长范围：200-800nm 狭缝宽度：0.3mm 波长精度：±3nm 波长重复性：±1nm 1.5 光电管：GD31A 型；

1.6 直流稳压电源：±1.8V ，用数字电压表；

1

2

3

4

5

6 7

8

9

10

11 12 13

14

1.7 测量放大器：为电流放大，4档倍率转换，磁电式100μA 电流计。

图2 WGD-100小型光栅单色仪

2 工作原理

图3表示实验装置的光电原理。卤钨灯S 发出的光束经透镜组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 的阴极金属板K ，释放光电子（发生光电效应），A 是集电极（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。如果在AK 之间施加反向电压（集电极为负电位），光电子就会受到电场的阻挡作用，当反向电压足够大时，达到V 0，光电流降到零，V 0就称作遏止电位。V 0与电子电荷的乘积表示发射的最快的电子动能K max ，即

0max eV K = （1）

G

±2V

DC

A

V

K

μA

M

S

L

PT

A M

S ：卤钨灯；L ：透镜；M ：单色仪；G ：光栅；PT ：光电管；AM ：放大器

图3 普朗克常量实验装置光电原理

按爱因斯坦的解释，频率为ν的光束中的能量是一份一份地传递的，每个光子的能量

hv E = （2）

其中的h 就是普朗克常量。他把光子概念应用于光电效应，又得出爱因斯坦方程

max 0K E hv += （3）

并做出解释：光子带着能量hv 进入表面，这能量的一部分（E 0）用于迫使电子挣脱金属表面的束缚，其余（hv －E 0）给予电子，成为逸出金属表面后所具有的动能。

将式（1）代入式（3），并加以整理，即有

e

E e h

V 00-=ν （4）

这表明V 0与ν之间存在线性关系，实验曲线的斜率应当是

e h

。e

E 0是常量。因此，只要用几种频率的单色光分别照射光电阴极，做出几条相应的伏安特性曲线，然后据以确定各频率的截止电位，再作v V -0关系曲线，用其斜率乘以电子基本电荷e ，即可求得普朗克常量。

图4 光电管的伏安特性曲线

应当指出，本实验获得的光电流曲线，并非单纯的阴极光电流曲线，其中不可避免地会受到暗电流和阳极发射光电子等非理想因素的影响，产生合成效果。图4表示，实测曲线光电流为零处（A 点）阴极光电流并未被遏止，此处电位也就不是遏止电位，当加大负压，伏安特性曲线接近饱和区段的B 点时，阴极光电流才为零，该点对应的电位正是外加遏止电位。实验的关键是准确地找出各选定频率入射光的遏止电位。

3 实验方法与步骤

3.1 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（以电流表指示最大为准，×10-4档、500nm 可达50μA 以上）。 3.2 单色仪的调节

3.2.1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。

045

5

1

5小管

鼓轮

图5 单色仪的读数装置

3.2.2 单色仪输出的波长示值是利用螺旋测微器读取的。如图5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500 nm 。

3.3 通电预热20-30min 后，调节测量放大器的零点位置。先将电压表调至0V ，再将单色仪前的挡光板置于挡光位置，光电管的遮光罩要向左推到头，然后微调零点调节纽，使电流表指向零位。 3.4 测量光电管的伏安特性

3.4.1 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。

3.4.2 调节电压调节旋纽，改变光电管遏止电压。从-1.3V 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。 3.4.3 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