2024年大物仿真实验实验报告

物理仿真试验试验汇报光電效应和普朗克常量确实定一、试验简介19，年仅26岁的愛因斯坦提出光量子假說，刊登了在物理學发展史上具有裏程碑意义的光電效应理论，後被具有不凡才能的物理學家密裏根用光辉的试验证明了。两位物理大師之间微妙的默契配合推進了物理學的发展，他們都因光電效应等方面的杰出奉献分别于19和19获得诺贝尔物理學奖。光電效应试验及其光量子理论的解释在量子理论确实立与发展上，在揭示光的波粒二象性等方面都具有划時代的深遠意义。运用光電效应制成的光電器件在科學技术中得到广泛的应用，并且至今還在不停開辟新的应用领域，具有广阔的应用前景。二、试验目的（1）理解光電效应基本规律，加深對光量子论的认识和理解；（2）理解光電管的构造和性能，并测定其基本特性曲线；（3）验证愛因斯坦光電效应方程，并测量普朗克常量。三、试验原理當光照在物体上時，光的能量仅部分地以热的形式被物体吸取，而另一部分则转换為物体中某些電子的能量，使電子逸出物体表面，這种現象称為光電效应，逸出的電子称為光電子。在光電效应中，光显示出它的粒子性质，因此這种現象對认识光的本性，具有极其重要的意义。光電效应试验原理如图1所示。其中S為真空光電管，K為阴极，A為阳极。當無光照射阴极時，由于阳极与阴极是断路，因此检流计G中無電流流過，當用一波長比较短的單色光照射到阴极K上時，形成光電流，光電流随加速電位差U变化的伏安特性曲线如图2所示。1.光電流与入射光强度的关系光電流随加速電位差U的增長而增長，加速電位差增長到一定量值後，光電流到达饱和值，饱和電流与光强成正比，而与入射光的频率無关。當变成负值時，光電流迅速減小。试验指出，有一种遏止電位差存在，當電位差到达這個值時，光電流為零。2.光電子的初動能与入射光频率之间的关系光電子從阴极逸出時，具有初動能。在減速電压下，光電子在逆著電場力方向由K极向A极运動。當時，光電子不再能到达A极，光電流為零。因此電子的初動能等于它克服電場力所作的功。即(1)根据愛因斯坦有关光的本性的假设，光是一粒一粒运動著的粒子流，這些光粒子称為光子。每一光子的能量為，其中為普朗克常量，為光波的频率。因此不一样频率的光波對应光子的能量不一样。光電子吸取了光子的能量之後，一部分消耗于克服電子的逸出功A，另一部分转换為電子動能。由能量守恒定律可知(2)式（2）称為愛因斯坦光電效应方程。由此可見，光電子的初動能与入射光频率成线性关系，而与入射光的强度無关。3.光電效应有光電阈存在试验指出，當光的频率時，不管用多强的光照射到物质都不會产生光電效应，根据式（2），，称為紅限。愛因斯坦，光電效应方程同步提供了测普朗克常量的一种措施：由式（1）和（2）可得：。當用不一样频率（）的單色光分别做光源時，就有任意联立其中两個方程就可得到由此若测定了两個不一样频率的單色光所對应的遏止電位差即可算出普朗克常量，也可由直线的斜率求出h。因此，用光電效应措施测量普朗克常量的关键在于获得單色光、测得光電管的伏安特性曲线和确定遏止電位差值。试验中，單色光可由水银灯光源通過單色仪选择谱线产生。水银灯是一种气体放電光源，點燃稳定後，在可見光区域内有几条波長相差较遠的强谱线，如表1所示。單色仪的鼓轮讀数与出射光的波長存在一一對应关系，由單色仪的定標曲线，即可查出出射單色光的波長（有关單色仪的构造和使用措施請参阅有关阐明書），也可用水银灯（或白炽灯）与滤光片联合作用产生單色光。為了获得精确的遏止電位差值，本试验用的光電管应當具有下列条件：（1）對所有可見光谱都比较敏捷；（2）阳极包围阴极，這样當阳极為负電位時，大部分光電子仍能射到阳极；（3）阳极没有光電效应，不會产生反向電流；（4）暗電流很小。不過实际使用的真空型光電管并不完全满足以上条件。由于存在阳极光電效应所引起的反向電流和暗電流（即無光照射時的電流），因此测得的電流值，实际上包括上述两种電流和由阴极光電效应所产生的正向電流三個部分，因此伏安曲线并不与U轴相切。由于暗電流是由阴极的热電子发射及光電管管壳漏電等原因产生，与阴极正向光電流相比，其值很小，且基本上随電位差U呈线性变化，因此可忽视其對遏止電位差的影响。阳极反向光電流虽然在试验中较明显，但它服從一定规律。据此，确定遏止電位差值，可采用如下两种措施：（1）交點法：光電管阳极用逸出功较大的材料制作，制作過程中尽量防止阴极材料蒸发，试验前對光電管阳极通電，減少其上溅射的阴极材料，试验中防止入射光直接照射到阳极上，這样可使它的反向電流大大減少，其伏安特性曲线与图2拾分靠近，因此曲线与U轴交點的電位差近似等于遏止電位差，此即交點法。（2）拐點法：光電管阳极反向光電流虽然较大，但在构造设计上，若是反向光電流能较快地饱和，则伏安特性曲线在反向電流進入饱和段後有著明显的拐點，如图3所示，此拐點的電位差即為遏止電位差。四、试验仪器及使用措施1.试验仪器光電管，光源（汞灯），滤波片组（577.0nm,546.1nm,435.8nm,404.7nm,365nm滤波片），50%、25%、10%的滤光片，直流電源、检流计（或微電流计）、直流電压计等。2.仪器的使用措施（1）光源（汞灯）：双击试验桌上光源小图標弹出光源的调整窗体，單击调整窗体的光源開关可以关闭或打開光源。光電管：双击试验桌上光電管的小图標，弹出光電管的调整窗体；再單击调整窗体中的光電管會弹出调整光電管的方向键。←键：光電管水平向左移動，→键，光電管水平向右移動，↑键：光電管垂直方向增長高度，↓键：光電管垂直方向減小高度。双击调整窗体中光電管的背面(侧面中的背面)，即可弹出显示光電管背面信息的窗体，以便完毕试验中的线路连接。（3）滤波片组盒子：双击试验桌上的滤波片组盒子，弹出滤波片组盒子的调整窗体。盒子中寄存有（577.0nm,546.1nm,435.8nm,404.7nm,365nm滤波片以及50%,25%,10%的滤光片）。（4）電源及测试系统：双击试验桌上的電源及测试系统，弹出電源及测试系统的调整窗体。單击電源開关可以打開或关闭電源；左击電流档，電流调小，右击電流档，電流调大；左击電压档，電压调小，右击電压档，電压调大；單击電源极性按钮可以变化電源输出极性。五、试验内容1.接线電路图如图4所示。在577.0nm、546.1nm、435.8nm、404.7nm四种單色光下分别测出光電管的伏安特性曲线，并根据此曲线确定遏止電位差值，计算普朗克常量。试验中光電流比较微弱，其值与光電管类型，單色光强弱等原因有关，因此应根据实际状况选用合适的测量仪器。例如，选用GD-4、GD-5、或1977型光電管，选用的检流计的分度值应在A/分度左右。假如要测量更微弱的電流可用微電流计，可测量A的電流。由于光電管的内阻很高，光電流如此之微弱，因此测量中要注意抗外界電磁干扰。并防止光直接照射阳极和防止杂散光干扰。作的关系曲线，用一元线性回归法计算光電管阴极材料的紅限频率、逸出功及值，并与公认值比较。2.测定光電管的光電特性曲线，即饱和光電流与照射光强度的关系，试验室提供有透光率50%，25%，10%的滤光片，請用577.0nm波長為光源，在光電管、光源位置固