光电效应实验教案

光电效应实验

实验目的：

1．了解光电效应的基本规律； 2．测量光电管的伏安特性曲线；

2．验证爱因斯坦方程，并测定普朗克常数。 实验原理：

1．光电效应的实验规律

金属在光的照射下释放出电子的现象叫做光电效应。

根据爱因斯坦的“光量子概念”，每一个电子具有能量E h ν=，当光照射到金属上时，其能量被电子吸收，一部分消耗于电子的逸出功W ，另一部分转换为电子逸出金属表面后的动能。由能量守恒定律可得：

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mv h W νν=- （1） （称为爱因斯坦光电方程） 光电方程圆满解释了光电效应基本实验事实：

（1）仅当光频高于某一阈值时，才能从金属表面打出光电子； （2）单个光电子的动能随光频提高而增大，与入射光强无关； （3）单位时间内产生光电子的数目仅与入射光强有关，与光频无关； （4）光电效应是瞬时完成的，电子吸收光能几乎不需要积累时间。

在理想光电管中，令光电子在反向电场中前进，当剩余的动能刚好被耗尽时，电子所经历的电势差U v 叫做遏止电势差，显然eU v =

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1

νmv ，代入（1）式可得 h W

U e e

νν=- （2）

（2）式表明，遏止电势差U v 是入射光频ν的一次函数，h/e 就是一次曲线的斜率。爱因斯坦方程预见了实验测算普朗克常数的可行方案。除了求出h 的量值以外，还可通过（2）式了解光电管的特性。令ν=0，可得理想阴极的逸出电势等于曲线的纵轴截距，U 0=-W /e ；令U v =0，可得理想阴极的截止频率等于曲线的横轴截距，ν0=W /h 。实际光电管的情况比较复杂，只能把两个截距U 0、ν0看作整体光电管的宏观参量。 2．验证爱因斯坦方程，求普朗克常数

图1是研究光电效应的简化电路。一束单色光照射真空光电管的阴极K ，设光频ν＞ν0，有光电子产生且有剩余动能。只要外电路闭合，即使电源分压U =0，光电子也能到达阳极

A

图1实验原理

图

形成光电流I A，I A的量值由μA表读出。

仪器简介：

本实验使用PC—Ⅱ型普朗克常数测定仪，它包括下列4部分：

（1）光源：GGQ—50W高压汞灯，在320.3~872.0nm范围内有若干种单色光供选用。

（2）ZD-Ⅱ型介质膜干涉滤色片，分别可从汞灯中滤选365.0nm、404.7 nm、435.8 nm、546.1 nm、577.0 nm的单色光。

（3）GD-27型光电管：阳极为镍圈，阴极为银—氧—钾材料，光谱响应范围320.0~700.0 nm，峰值波长350±20 nm，通光窗口为无铅多硼硅玻璃。光电管安装在铝质暗盒中，只要改变汞灯到暗盒的距离便可改变入射光的光强。不做实验时用遮光罩盖住暗盒光窗。

（4）PC—Ⅱ型微电流测试仪，即图1中的μA表，表头在面板左边，量程倍率为100×（10-8~10-12）A，分5档转换，并有改变表头极性的换向按钮，测到I A过零位置应及时换向；读数时不要漏记了量程。μA表用同轴电缆连接光电管，由于灵敏度极高，实验中不要触碰同轴电缆，以免接触不良或人体感应导致表针乱摆，尤其在10-7档随机误差更大。

实验内容：

1．测量I-U安伏安特性曲线：由短波到长波逐次换上五种不同的滤色片，分别记录I-U 值。

2．改变入射光强的强度，测量I-U特性曲线，测量饱和光电流与光的强度的关系。

操作步骤：

1.冷态准备。检查导线连接是否正确，档位预置是否合理（“测量范围”旋钮置于“短路”，“电流表极性”置“0”），电压调节旋钮逆时针旋到底，用遮光罩盖住暗盒光窗，令光源离开暗盒30—40cm。

2.热态准备。开启微电流测试仪电源开关，预热20分钟左右，调整μA表的零点和满度：将“测量范围”旋置“短路”档，电流表极性置于“+”档，调节“调零旋钮”使电流表为零；将“测量范围”旋置“满度”档，电流表极性置于“+”档，调节“满度旋钮”使电流表为100；重复上述过程几次，使之都达到要求。

3.观察暗电流。将“测量范围”旋置“10-12”档，调节工作电压观察暗电流的变化情况。测出-1.800V~+1.800V间若干电压下相应的电流值。

4.浏览光电流。将“测量范围”旋置“10-11”档，除去暗盒遮光罩，换上36

5.0nm滤色片，用汞灯照射。工作电压从-1.800V起调直到0V，浏览光电流变化情况。注意随时改变μA量程，使之既有示值，又不超偏；当电流趋零时应及时触按换向按钮，以免表针倒偏。电流如果太大或太小，则需调节汞灯距离，改变入射光强。

5.正式测量。将光源移至最远，将“测量范围”旋置“10-11”档，调节工作电压使μA表达到100，继续调节工作电压使电流减小，记录相应的电流、电压数据。注意电流的符号开始为正，逐渐趋零时要将电流极性按扭置于“-”端，此后电流为负，应及时记载符号。

6.更换单色光。测毕一种单色光后，要按照波长递增的顺序更换滤色片，重复步骤5，最大电流都取10-11安培。

7.善后工作。测量完毕，请教师检查数据。将仪器调节钮复位，断电；用遮光罩盖住暗盒光窗；经容许后离开实验室。

数据处理：

1．根据测量数据作出5种不同频率的照射光所对应的U-I伏安特性曲线，由此确定5种不同频率的照射光所对应的截止电压值Us。

2．作出s U ν-的实验直线图，求此直线的斜率k ，普朗克常数h e k =，与公认值（34

6.62610

h J s -=⨯⋅）比较计算百分比误差。该直线与横轴的交点即为“红限”频率0ν；与

纵轴相交点即为光电管的宏观逸出电势U 0 参考表格：

注意事项：

(1) 更换滤色片时注意避免污染，以免除不必要的折射光带来实验误差；

（2 ）更换滤色片时先将光源出光孔遮住，而且做完实验后也要用遮光罩盖住光电管入光孔，避免强光直接照射阴极而缩短光电管寿命； (3) 光电管入光孔勿对着其他强光源，以减少杂散光干扰。 (4) 汞灯光源外壳加热后温度较高，试验过程中不要接触到光源外壳。

（5）电压从大量程换为小量程要先调节旋钮使指针偏转到最小，以免损坏仪表。 【思考题】

1． 实验测得的光电流特性曲线与理想的光电流特性曲线有何不

同？为什么不同？

2． 为什么会出现反向光电流？如何减小反向光电流？

3． 你所测得的h 值是偏大还是偏小？试从实验现象中分析说明产生误差的原因。 4． 做实验时，如改变光电管上的照度，对U-I 曲线有何影响？

5． 光电管的阴极上涂有脱出功小的材料，而阳极上选择脱出功大的金属材料制造，为什么？

图1