实验20光电管特性测定

大学物理实验教案

实验名称：光电管特性测定

1 实验目的

1）掌握光电管的伏安特性和光电特性的测定方法。 2）进一步理解光电效应。

2 实验仪器

双路输出直流稳压电源、微电流测量仪、TH-V 型直流数字电压表、GD 型光电效应实验暗箱

3 实验原理

（一） 光电管的光电效应及伏安特性曲线

用一定频率的光照射在金属（或半导体）表面上时，会有电子从金属表面逸出，这种现象叫做光电效应，从金属表面逸出的电子叫做光电子，光电子定向流动形成光电流。本实验用的光电管是由光敏物质做阴极，金属网做阳极，封闭在玻璃管内而成。

按照爱因斯坦“光量子”的理论，光电效应的实质是当光子和电子相碰撞时，光子把全部能量传递给电子。电子所获得的能量一部分用来克服金属表面对它的束缚，其余的能量则成为该光电子逸出金属表面后的能量。光电方程如下式

A u m hv +=

2

021 （1）

式中h 为普朗克常数，v 为光电子频率，hv 为光子能量，A 为金属的逸出功，u m 2

21为

光电子初动能。由式中可知，若光子能量A hv <时，则不能产生光电子，刚好能使金属发射电子的照射光的最低频率h A

v =

0，称为该金属的“红限”，不同的金属材料有不同的“红

限”。

实验发现，照射光的频率在“红限”以上，如果照射光越强，发射光电子数则越多，光电流也越大。在照射光强度一定情况下，加速电压增大则光电流也随着增加。

图38-1是光电管伏安特性曲线。图38-2是测试伏安特性曲线电路原理图。曲线（1）、（2）分别表示照射光强度不同的伏安特性曲线，曲线（1）照射光比（2）强，光电流较大。伏安特性曲线可分段解释，光电流随着加速电压增加而增加，到饱和点后，加速电压增加但光电流不再增加，此时的光电流被称为饱和光电流I H 。当加速电压0=V 时仍有光电流，这说明从阴极逸出的电子具有初动能，在没有加速电压作用仍有一部分光电子跑向阳极而形成电流。要使光电流为零必须加反向电压，光电流为零时的反向电压（负值）V a 称为截止（遏止）电压。

r

P A 2=

（二）光电流和照射光强度的关系

实验发现，饱和光电流强度I H 与照射光强度P 成正比。要测定光电流和照射光强度的关系有两种办法：一是改变照射光的强度；二是保持照射光的强度不变而改变照射光源与光

电管阴极K 间的距离。若光源可 视为点光源，根据照射第一定律 (A 是点光源光线垂直照在物体表面上的照度，P 是光源的发光强度，r 2

是被照射面到光源的距离平方)。

在光源发光强度P 不变（即灯泡工作电压不变）

21

r I H ∝

，因而在实验中测定r 和I H

对应值，然后以r 2

1

为横坐标，I H 为纵坐标，便可得出饱和光电流和照度的关系曲线，即光电特性曲线，如图38-3所示。

4 教学内容

1．简要讲解实验原理（光电效应现象，光电管的伏安特性和光电特性）。 2．介绍有关仪器及其使用方法（微电流表，电压表，电源，暗箱），在讲解仪器时结合提问题检查学生的预习情况。

3．讲解实验操作要领及操作难点。 ①微电流表，电压表使用之前要先调零

②接线时注意分清光源电源和加速电压电源。

③按照图38—2连接电路，并演示如果调节加速电压。 ④讲解如何测定截止电压。

4．检查学生实验状况及测量结果，并给出相应的评定结果。 5．根据评分标准批改实验报告并给出成绩。

5 实验教学组织及教学要求

1． 教学组织

1） 检查学生的预习实验报告，同时给学生5-10分钟时间熟悉仪器，对本实验有

一定的感性认识。

2） 讲解实验要点及注意事项，同时以提问的方式检查学生的预习情况，加深学生

对实验原理的理解。

3）随时注意学生的实验操作过程，及时指导并解决学生实验中出现的突发情况。

4）检查每个学生的实验数据，记录实验情况。

2．教学要求

1）初步了解光电效应现象。

2）研究光电管的伏安特性。

3）研究光电管的光电特性

4）掌握如何使用双路输出直流稳压电源，微电流测量仪以及电压表。

6 实验教学重点及难点

1）重点：光电管伏安特性和光电特性的测定。

2）难点：①电路的连接。

②加速电压的调节。

③截止电压的测量。

7 实验中容易出现的问题

1）在调节加速电压的时候没有分清光源电压和加速电压导致灯泡烧坏。

2）测量截止电压的时候，没有理解截止电压的意义导致接线错误。

8 实验参考数据

表一光电管伏安特性测定数据（以r=15cm为例）

U（v）I（×10－8A）U（v）I（×10－8A）U（v）I（×10－8A）

0.2 11.8 3.8 42.9 17.0 47.9

0.4 19.8 4.0 43.0 18.0 48.0

0.6 23.4 4.2 43.1 19.0 48.0

0.8 28.4 4.4 43.2 20.0 48.1

1.0 3

2.9 4.6 4

3.3 21.0 48.2

1.2 35.1 4.8 43.6 2

2.0 48.4

1.4 37.4 5.0 43.9 23.0 48.5

1.6 39.5 6.0 44.5 24.0 48.6

1.8 40.4 7.0 45.2 25.0 48.7

2.0 40.7 8.0 45.8 26.0 48.8

2.2 41.1 9.0 46.4 27.0 48.9

2.4 41.3 10.0 46.8 28.0 49.0

2.6 41.5 11.0 47.2

2.8 41.8 12.0 47.6 －0.24 0.0

3.0 42.0 13.0 47.7

3.2 42.3 1

4.0 47.9

3.4 42.5 15.0 48.0

3.6 42.7 16.0 47.9

表二光电管光电特性测定数据

r（cm）1/r2（cm-2）I H（×10－8A）

25.00 0.0016 28.5

23.00 0.0019 31.5

21.00 0.0023 34.7

19.00 0.0028 38.7

17.00 0.0035 43.3

15.00 0.0044 48.5

13.00 0.0059 54.4