大学物理实验教案(光电效应法测量普朗克常量(仿真实验))

HH实验项目教学目的

大学物理实验教案光电效应法测量普朗克常量（仿真实验）1．了解光电效应的基本规律，证爱因斯坦光电效应方程。2．掌握光电效应法测定普朗克量。3．用三种数据处理方法分析实结果。光电效应实验原理如下图所示中S为空光电管K阴极A为极，当无光照射阴极时，由于阳极与阴极是断路的，所以检流计G中无流流过；当用一波长比较短的单色光照射到阴极K上，阴极上的电子吸收了光子的能量后逸出金属阴极表面并被阳极所俘获，形成光电流。SA

K实验原理

VU1.光流与外加电压大小的关系光电流随加速电位差U的加而增加，加速电位差增加到一定量值后，光电流达到饱和值I，和流光强成正比，而与入射光的频率无关。当阳极和阴极之间加上反向电压时，光电流迅速减小。实验中发现，存在一个遏止电位差Ua，电位差达到个值时，光电流为零。2.光子的初动能与入射光频率之间的关系在一定频率的光的照射下，从阴极表面逸出的光电子具有初动能。当阴极K和阳极A之加反向电压（即K接正A接负），则KA之间电场将对阴极逸出的电子起减速作用着反向电压增加电流逐减小，当反向电压达到Ua时光电子能达到极光电流为零此时电子的初动能等于它克服电场力所作的功，即12

v

2

a根据爱因斯坦的光量子理论，光是运动着的粒子流，这些光粒子称为光子，每一光子的能量为

E

其中为朗克常量光的频率所不同频率的光波对应光子的能量不同。光电子吸收了光子的能

之后，一部分消耗于克服电子的逸出功可知

A

，另一部分转换为电子动能，由能量守恒定律h

1v2

上式称为爱因斯坦光电效应方程。由此可见，光电子的初动能与入射光频率呈线性关系，而与入射光的强度无关。3．光效应存在光电阈实验中发现，当光的频率

时，不论用多强的光照射到物质上都不1

会产生光电效应，根据上

Ah

，称为红限频率。0爱因斯坦光电效应方程提供了测普朗克常数的一种方法：

U

，当用不同频率,...1U,

）的单色光分别做光源时，有U…U;任意联立其中两个方程就可得到h

)ijij

。由此若测定了两个不同频率的单色光所对应的遏止电位差即可算出普朗克常数h，也可由

-U直线的斜率求出h。因此，用光电效应方法测量普朗克常数的关键在于获得单色光、测量光电管的伏安特性曲线和确定遏止电位差值。为了获得准确的截止电压值，本实验用的光电管应该具备下列条件：①对汞灯所有可见光谱都比较灵敏。②当阳极负电位的数值小于

a

时，大部分光电子仍能射到阳极。③阳极没有光电效应，不会产生反向电流。④暗电流很小。但是实际使用的真空型光电管并不完全满足以上条件于存在阳极光电效应所引起的反向电流和暗电(即无光照射时的电)，所以测得的电流值上括上述两种电流和由阴极光电效应所产生的正向电流三个部分，所以伏安曲线并不与U轴切，较理论曲线下移。暗电流是由阴极的热电子发射及光电管管壳漏电等原因产生，与阴极正向光电流相比，其值很小，且基本上随电位差U呈性变化，因此可忽略其对截止电压的影响。阳极反向光电流虽然在实验中较显著，但它服从一定规律，据此来确定截止电压值，可采用拐点法和补偿法。（）点法光电管阳极反向光电流虽然较大，但在结构设计上，若使反向光电流能较快地饱和，则伏安特性曲线在反向电流进入饱和段后有着明显的拐点，如下图所示，此拐点的电位差止电压。a2

iaiaiiaiajiaiaiiaiaji（）偿法由于本实验仪器的特点测各谱线的截止电压Ua不用难于操作的“拐点法”而“补偿法”补偿法是调节电压U使电流为零后保持U不遮汞灯光源此时得的电流为电接近遏止电压时的暗电流和本底电流。重新让汞灯照射光电管，调节电压UAK使电流值至I，将此时对应的电压U的对值作为截止电压Ua此法可补偿暗电流和本底电流对测量结果的影响。对于测量所得到的实验数据可以下三种方法来处理以得的斜率k，来进一步得出普朗克数h。（）性回归法根据线性回归理论，直的率的最佳拟合值为

-U直线

，其中1nni

i

表示频率的平均,

1ni

表示频平的平均值,1nUU表截止电压Ua的平值ni=1n表频率截电压Ua的乘的平均值。ni（）差根据

ij

，可用逐差法从数据中求出一个或多个k，将其平均值作为所求k的值。（）图法可用数据在坐标纸上作Ua-线，由图求出直线斜率k由以上三种方法求出直线斜率k，可用h=ek求普朗克常数，并与h的公认值h比较求出百分偏差：

h0h0

，式中电子电荷量3

C，h6.626

J

。教学重点与难点实验内容提要

重点：根据验要求正确操作计算机，正确连接电路；掌握光电效应原理与测量普朗克常量的方法。难点：仿真软件的使用。1．连接电路根据测量光电管正向特性的电路图将实验电路接好；根据测量光电管反向特性的电路图将实验电路接好。线路连接好后，鼠标右键单击，弹出主菜单，选中接线检查。若连线正确，就可以正式开始实验，否则需要继续连线。2．调整仪器通过接线检查后，双击各仪器弹出其放大窗口，调整该仪器。（）流计的调零。（）界电阻箱的调节。（节单色仪到合适波长单色光验将用到5770埃埃、4358埃4047埃四种波长单色光。测量与数据处理要求思考题

1.2.3.4.1.2.3.4.

线路连接时应认真仔细；分别对四种波长的光进行实验，得到光电管在各种波长的单色光照射下的正向、反向电压特性，一共八组数据，记录在表格中；作出伏安特性曲线；根据伏安特性曲线确定截止电压值，计算普朗克常数值。用线性回归法计算光电管阴极材料的红限值，逸出功及普朗克常数值。什么是截止频率，什么是截止电压，什么是光电管伏安特性曲线？如何通过光电效应测普朗克常数？能否根据实验数据得到阴极材料的逸出功？影响测量结果的主要因素是什么？参考资料评分标准

《大学物理实验》——马马宋设施洋主编《大学物理实验指导》——丁滢陈之前编《物理实验教程》——丁慎训张芳主编《大学物理实验》——霍青吴华等主编一、预习及操作评分标准85—95分1.预习充分；2.实验时能脱离讲义或稍看讲,独完;3.电路连接及参数设置快且准确;4.截止电压数据读取快速并且准合;4

5.读数有数字、单位记录正，作图标准。75—84分1.预习较充分;2.实验时对照讲义后能独立完成;3.电路连接及参数设置准确；4.截止电压数据读取准确合;5.读数的有效数字和作图要提醒60—74分1.有预习，但效果一般;2.边看讲义边实,虽然时完成但有依赖;3.电路连接及参数设置需要老师导完;4.截止电压数据读取不够合理准；5.读数的有效数字和作图要指导<60分1.无习；2.弄虚作假;3.在规定时间内未完成实验要求符合2，3其一条,操成绩不及格。二、实验报告评分标准1.实目