YGP2普朗克常量实验装置改动

1、YGP-2型普朗克常量实验装置使用说明书天津港东科技发展股份有限公司目 录一、用途1二、仪器的构成和相关技术参数1三、原理33.1实验原理43.2工作原理5四仪器的调整64.1 聚光器的调节64.2单色仪的调整64.3调节测量放大器的零点7五、测光电管的伏安特性及测定普朗克常量8六、实验实例10附.选做实验13普朗克常量（公认值h=6.62619×10-34J·s）是自然界中一个重要的普(遍)适(用)的常量，是普朗克（18581947年）引入的与黑体发射和吸收相关的普适常量，它可以用光电效应法简单而又准确地测量出来。进行光电效应实验，并测出普朗克常量，有助于学生了解光的量子

2、性及量子理论的相关知识，更好的认识h这个普适常量。一、用途本装置用于高等学校普通物理实验，通过用减速场法，测量普朗克常量的实验过程，帮助学生了解光的量子性，学习与光电效应相关的实验技术和方法。1.测定光电管的伏安特性曲线2.作U的关系曲线3.用作图法或用一元线性拟合法计算出：A 普朗克常量 h B 光电管阴极材料的红限频率C 逸出功WsD 验证爱因斯坦方程 4.测出光电管在正电压下的伏安特性曲线 *5.测定光电管的光电特性曲线,即饱和光电流与照射光强度的关系注:*-需自购减光片二、仪器的构成和相关技术参数本仪器安装在一个700×290×80的底座上(图2-1)。在箱体内部有

3、AC220V/DC12V开关电源和-420V电源。1 2 3 4 5 6 7813 12 11 10 9图2-11 卤钨灯箱 2 聚光器 3 单色仪 4 零点调节 5 电压调节 6 电流倍率开关 7 正负转换开关 8 微安表 9 测量开关10电源开关 11直流电压表 12波长调节 13聚光器横向调节 1. 光源：卤钨灯： 12V 75W 辐射光谱 3502500nm 由开关电源供电2. 轴流风扇：DC 12V 0.17A 供电源散热3. 聚光器： L1与L2组成， L1 L2 其中f1=50mm,f2=70mm 图2-24. 单色器： 光栅单色仪 外形图（2-3）光学原理图（2-4） S1入射

4、狭缝；S2出射狭缝； S1入射狭缝； M1、M4平面反射镜；Ms螺旋测微器 M2、M3球面反射镜； G 光栅 S2出射狭缝 图2-3 图2-4 1） 波长范围：200800nm2） 焦距： 100mm3） 相对孔径： D/f=1/54） 光栅： 1200L/mm 500nm 闪耀5） 波长精度： ±3nm6） 波长重复性： ±1nm5. 光电管：石英侧窗不透明锑钾铯光电阴极。 1）工作电压：-4+20V连续可调，3位半数字显示 2）光谱响应范围：190700nm 3) 峰值波长：400±20nm 4) 极限工作条件： a :工作电压： 100V b :环境温度：

5、40 c :相对湿度： 80% 6. 测量放大器：采用高精度集成电路构成电流放大器，电流测量范围：10-210-5A,4档倍率转换，磁电式100A电流计。三、原理 饱和增加 （a） (b) 0斜率增加阈(c) (d) 图3-1对于光电效应早期所积累的基本事实是：光电发射率（光电流）与光强成正比（如图3-1，a,b）;光电效应存在一个阈频率（或称截止频率），当入射光的频率低于阈值时，不论光的强度如何，都没有光电子产生（图3-1，c）;光电子的动能与光强无关，但与入射光的频率成正比（图3-1，d）;光电效应是瞬时效应，一经光线照射，立刻产生光电子。而用麦克斯韦的经典电磁理论无法对上述实验事实作出圆

6、满解释。1950年，爱因斯坦大胆地把1900年M·普朗克在黑体辐射研究过程中提出的辐射能量不连续的观点应用与光辐射，提出了“光量子”的概念，从而给光电效应以正确的理论解释。他突破了光的能量连续分布于波阵面上的概念，认为从一点发出的光不是按麦克斯韦电磁理论指出的那样以连续分布的形式把能量传播到空间，而是频率为的光以h为能量单位（光量子）的形式一份一份地向外辐射。至于光电效应，是具有能量h的一个光子作用于金属中的一个自由电子，并把全部能量都传递给这个电子而造成的。如果电子脱离金属表面耗费的能量为Ws的话，则由于光电效应逸出金属表面的电子动能为： E=h-Ws 或 1/2mv2=h-Ws

7、（1）式中： h普朗克常量 入射光的频率m电子的质量 v光电子逸出金属表面的初速度Ws受光线照射的金属材料的逸出功在（1）式中，1/2mv2是没有受到空间电荷阻止，从金属表面逸出的光电子的最大初动能。由（1）式可见，入射到金属表面的光的频率（=c/）越高，逸出电子最大初动能必然也越大（Ws不变），（图3-1，d）.正因为光电子具有最大初动能，所以即使在加速电位差UAK=UA-UK=0时，仍然有光电子落到阳极而形成光电流。甚至当阳极的电位低于阴极的电位时，也会有光电子落到阳极，直到加速电位差为某一负值Us时，所有光电子都不能达到阳极，光电流才为零。（图3-1，a）。这个Us 被称为光电效应的截止

8、电位（或称截止电压）。 显然，此时有： eUS-1/2mv2=0 (2) 代入（1）式，即有：eUS= h -WS (3)由于金属材料的逸出功Ws是金属的固有属性，对于给定的金属材料，Ws是一个定值，与入射光的频率无关。令Ws= ho. o阈频率（红限频率）即具有阈频率o的光子的能量恰等于逸出功Ws，而没有多余的能量，将(3)式改写为： Us=h/e-ws/e=h(-0)/e (4)(4)式表明，截止电位Us是入射频率的线形函数。当入射光的频率=。时，截止电压Us=0，没有光子逸出。上式的斜率k=h/e是一个正常数。故：h=ek (5)可见，只要用实验方法作出不同频率下的Us直线，并求出直线的

9、斜率，就可以通过(5)式求出普朗克常数h的数值（其中电子的电量 e= 1.602×10-19库伦），依次可计算出光电管阴极材料的红限频率0及逸出功。3.1实验原理图3-2是用光电管进行光电效应实验，采用减速场法测量普朗克常量的实验原理图。 图3-2 频率为，强度为p的光线照射到光电管阴极K上，即有光电子从阴极逸出。如图3-2所示，在阴极K和阳极A之间加有反向电压UKA。它使电极K、A之间建立起的电场对阴极逸出的光电子起减速作用，随着电位UKA的增加，到达阳极的光电子将逐渐减小。当UKA=US时，光电流降为零（见图3-3虚线所示，光电管在UKA为负值的起始部分IV特性曲线）。然而，由于

10、阴极材料在使用中常会沉积到阳极上，有这种沉积的阳极在可反向电流暗电流实测曲线理想曲线 图3-3见光照射下也会发射光电子而形成一反向饱和电流，实际在实验中，虽然尽力避免光直射于阳极，但从阴极散射（反射）到阳极的光是避免不了的。再者，封闭在暗盒中的光电管在外加电压下仍因阴极和阳极之间绝缘电阻漏电而有微弱的电流流过，我们称之为暗电流，暗电流基本上与外加电压成线形变化。由于上述种种原因，实测的光电管伏安曲线与理想曲线有区别。图中的点划线表示反向电流及暗电流曲线，实际上实测曲线（实线）上的每一点的电流值是另外三个电流值的代数和。显然曲线上光电流为零的点所对应的电压值并不是截止电压，真正的截止电压应是实测

11、曲线的C点，即斜直线部分与曲线部分相接处的点。3.2工作原理S:卤钨灯； L:透镜； M:单色仪； G:光栅； PT:光电管； AM:光电流放大器 图3-4图3-4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S1（图2-3）上，从单色仪出射狭缝S2（图2-3）发出的单色光投射到光电管PT的阴极金属板K，释放出光电子（发生光电效应），A是集电极（阳极），由光子形成的光电流经放大器AM放大后被微安表测量。在AK之间施加反向电压（集电极A为负电压），光电子就会受到电场阻挡（减速）作用。当反向电压足够大时，达到Us，光电流降到零。Us就是被称作的截止电压。如前所述，本实

12、验获得的光电流曲线，并非单纯的阴极光电流曲线。实际光电流为零处的A点（图3-3），阴极光电流并未被遏止，此处电位也就不是截止电压。当加大负压，伏安特性曲线接近C点时，阴极光电流才为零。该点对应的电位才是外加遏止电位。该实验的关键是较准确合理地找出各选定波长的入射光的遏止电位。四仪器的调整4.1 聚光器的调节321 （1） （a） (b)图4-11聚光器紧定螺丝； 2. 聚光器镜筒； 3.横向调节手钮； 4.聚光器套（A、B）两螺丝下椭圆形孔供聚焦点上下调整用）。A. 接通卤钨灯，松开图4-1中的聚光器紧定螺丝（1），伸缩聚光器镜筒，使光束会聚到单色器的入射狭缝的平面上，然后锁定螺丝（1）。B.

13、 松开聚光器的固定螺丝，图4-1(b)的A 、B，使光束的会聚光斑的中心对准入射狭缝的中央，然后紧定螺丝A和B（调光斑的高低）。C. 使用横向调节手钮（3），使会聚斑全部落在入射狭缝上。（调光斑的左右偏离）。4.2单色仪的调整（1）入射狭缝S1；（2）出射狭缝S2；（3）螺旋测微器MS； 图4-2A.零级谱位置的确定单色仪作为该实验中提供200800nm单色光的主要分光系统，其光路出厂前都经过严格的精确调整（在专用设备上），因此，希望用户不要轻易打开仪器的上下盖，擅动内部光路。此处所说调节主要指螺旋测微器（MS）的波数读数微分筒转动到零位，从出射狭缝出来的光不是衍射光谱的零级。具体做法是：将光

14、电管挡光板置于挡光位置。转动波长读数微分筒（图4-3），观察通过出缝到挡光板的从红到紫的各单色光谱，直到挡光板上出现零级谱（因所用光栅是闪耀光栅，其闪耀波长在500nm，所以呈橘红色）。其特征是清晰的矩形。这时观察微分筒（图4-3）的“0”与固定套筒上的“0”位线重合，可能发生的零位偏差，实验中应予以修正。B.螺旋测微器（1）测微螺杆；（2）固定套筒；（3）微分筒图4-3螺旋测微器的主要部件是一个高精度测微螺杆，螺距是0.5mm，根据螺旋推进原理，微分筒转过一周，测微螺杆位移0.5mm，所以微分筒转过一个分度（一周共50个分度），相当于测微螺杆位移0.5mm/50=0.01mm。通过传动机构，

15、经过精密设计，使测微螺杆位移量转化为光栅台的转动位移并与输出波长相对应。也就是说，测微螺杆位移0.01mm，恰好对应波长为1nm。测微螺杆位移0.5mm（微分筒转动一周），对应波长为50nm。即微分筒上的一个分度，对应波长1nm。当微分筒上的边缘与固定套筒的零位重合时，单色仪输出的是“0”级光谱，而当其边缘与“5”刻线重合时，波长示值是500nm。注意：逆时针转动微分筒，波长向长波方向移动，波长增加，反之，减少。4.3调节测量放大器的零点通过预热20-30min后，将单色仪狭缝前的挡板置于挡光位置，先将电压表调至“零”伏，然后微调零点调节钮，使电流表的指示为零。注意：在进行测量光电管的伏安特性

16、及其他有关实验的过程中，电流表的零位一旦调好，千万不能再动此钮。五、测光电管的伏安特性及测定普朗克常量经过上述仪器的调整，该仪器已具备了测量光电管的伏安特性、测定普朗克常量的一切条件。1）由于单色仪所选用的衍射光栅的闪耀波长是500nm，因此，波长在500nm左右的强度较强，所以建议选择（可以避免光电流曲线交叉，使曲线更美观）400550nm之间的任意波长。2）精确校正零级光谱位置： 将螺旋测微器的微分筒转到“0”位左右，电压置于零位观察微安表（+）指示值。轻微左右转动微分筒，使微安表（在合适的倍率）的指示值最大。然后读出测微器的示值。微分筒上的零线与固定套筒的横线在“零”上重合，说明零级光谱

17、位置正确，当二者不重合时，要判断误差的正负，在实验中予以修正。3）将正负转换开关置于“-”，逆时针转动微分筒到选定的波长位置，转动电压调节旋钮，改变光电管遏止电位，从-0.5V起缓慢调高外加直流负压，先注意观察一遍电流变化情况，记住电流开始明显升高的电压值。根据微安表的指示，直到直流负压增加而微安表指示不增加为止。倍率选择一般在10-4A或10-5A档,使微安表的指示值在的范围内，如超过满刻度可调整入射狭缝，宽度分为两档，0.15mm和0.3mm，改变入射光强，以确保实验的精度。同时，为避免因更换倍率造成误差，尽量在测量某一波长的光电流曲线时，不变更倍率。4）针对各阶段电流变化情况。分别以不同

18、的间隔施加遏止电压，读取对应的电流值。在上一步观察到电流明显升起的点附近，要增加监测密度，比较小的间隔采集数据。电流指示在由负到零再到正的过程中。注意要适时调整正负转换开关，电流转正后，可适当加大测试间隔。5）陆续选择适当间隔的另外3-4种波长的光进行同样测量。6）列表记录数据 234V(伏)I(A)VIVIVI12i 7) 画出伏安特性曲线，并确定截止电压 A 选定纵、横轴所表示的物理量 一般以自变量作X轴，应变量作Y轴。本实验应以电压做X轴，电流做Y轴。 B 定坐标纸的大小 依据实验曲线和实验点的范围，选定作图用的坐标纸（方格纸）图幅。本实验建议采用30×25cm或25×

19、;20cm的毫米方格纸。 C 画坐标轴，标物理量、单位和整数分度值。注意电压分度值与电流分度值选择要比较合适。尽量做到长宽协调。 D 画实验数据点：用较细的标记清楚标出实测数据点，如可用“+”、“×”等，不宜用实心圆表示。 E 画平滑关系曲线： 用细线描画平滑的曲线，勿令曲线过所有点。在画直线时，应使各实验点大致均布于直线两侧（有些点可落在直线上）。使直线两侧的点到直线的距离之和接近最小，且使两侧的距离和接近相等。拟合曲线及用曲线板进行作图时要求与此类似。 F 找出各个光电流曲线的截止电位。根据实验原理：截止电位应是实测曲线的斜直线部分与曲线部分的相接处。因此，应选择光电流开始变化时

20、的数据点为起点，按画直线的要求画出一条斜直线（或用一元回归的方法，以此点为始点，选择离光电流变化较大的数据点有一定间隔的数个或十数个点，作出直线拟合方程，然后以此方程作出直线及相应的曲线），那么直线与曲线的相接处的点即是截止电位对应的点，此处对应的电压值即为该光电流曲线的“拐点”，也就是该频率下的截止电压。找出截止电位 Vo后，填入下表：波长1=2=3=4=频率(Hz)×1014×1014×1014×1014截止电压Us (V) G 根据上表数据作Us关系图 以X轴表示光的频率，以Y轴表示截止电位。然后依据前述画直线或直线拟合法，做一直线。说明了实验结果

21、与爱因斯坦方程相同，从而证明爱因斯坦方程的正确。8）数据处理A. 求h：由Us 关系图，得一直线，用该直线的斜率kk=Vo/，乘以电子电荷e（1.602×10-19C）得：h=ke=e.Vo/ 由直线拟合法得到的直线方程：U=A+B 中的B乘以e即：h=B·eB. 求金属材料的逸出功 利用公式 eUs=h-ws ws =h- eUs任一频率 Us任一频率下的截止电压C. 求阴极材料的红限频率具有阀值频率o的光子的能量等于逸出功ws ho= ws o=ws/h或者从Uoo关系图在=0时的频率直接读出。六、实验实例1 实测5种波长在不同电压下的光电流数据，如下表（本实验所用光电

22、管只是众多中的一只，因光电管每只的参数不可能完全一致，所以所测数据及数据处理方法仅供参考）：波长400nm430nm460nm490nm520nmV(V)I(×10-11A)V(V)I(×10-11A)V(V)I(×10-11A)V(V)I(×10-11A)V(V)I(×10-11A)13.5041.83.5066.03.5083.83.5095.73.5099.723.4041.53.4065.73.4083.63.4095.43.4099.533.3041.23.3065.53.3083.43.3095.23.3099.343.2041.0

23、3.2065.33.2083.23.2095.03.2099.253.1040.83.1065.03.1083.03.1094.83.1099.163.0040.63.0064.73.0082.73.0094.63.0099.072.9040.42.9064.42.9082.42.9094.42.9098.882.8040.22.8064.02.8082.12.8094.22.8098.692.7040.02.7063.62.7082.02.7094.12.7098.4102.6039.72.6063.32.6081.72.6094.02.6098.2112.5039.52.5063.02.5

24、081.52.5093.72.5098.0122.4039.32.4062.52.4081.12.4093.32.4097.7132.3039.02.3062.02.3080.72.3093.02.3097.4142.2038.72.2061.52.2080.32.2092.52.2097.2152.1038.42.1061.02.1080.02.1092.02.1097.0162.0038.02.0060.52.0079.42.0091.52.0096.6171.9037.71.9060.01.9079.21.9091.01.9096.3181.8037.41.8059.41.8079.01

25、.8090.51.8096.0191.7036.01.7058.31.7078.51.7090.01.7095.5201.6035.01.6558.01.6078.01.6089.51.6095.1211.5034.01.6057.51.5077.51.5089.01.5094.5221.4533.01.5056.01.4277.01.4088.01.4094.0231.4032.01.4055.01.3576.01.3387.01.3093.5241.3731.01.3554.01.3075.01.2586.01.2092.5251.3430.01.3053.01.2373.01.1785.

26、01.1095.0261.3229.01.2552.01.1770.01.1284.01.0190.0271.3028.01.2050.01.1268.01.0783.00.9689.0281.2927.01.1748.01.0766.01.0382.00.9288.0291.2826.01.1446.01.0664.01.0081.00.8686.0301.2524.01.1142.01.0362.00.9680.00.8182.0311.2322.01.0940.01.0060.00.8974.00.7778.0321.2220.01.0635.00.9552.00.8670.00.737

27、0.0331.1817.01.0330.00.9144.00.8464.00.7164.0341.1512.01.0022.00.8730.00.7950.00.6642.0351.090.00.940.00.810.00.700.00.610.02.用一元回归（最小二乘直线拟合）求出对应5个波长的光电流曲线的斜直线部分的直线方程。（方法仅供参考）令： I=A+BU依据最小二乘法得其中：A: 1=400nm12345678910U(V)3.53.43.33.23.13.02.92.82.72.6I(×1011A)41.841.541.241.040.840.640.440.240.039.7B=2 A=-34.62 I1=-34.62+2U 同理：B 2=430nm I2=-54.60+3.27UC 3=460nm I3=-74.83+2.56UD 4=490nm I4=-87.60+2.43UE 5=520nm I5=-92.8+2