大学物理实验-拓展提高篇 课件 实验3.8-光电效应综合实验

光电效应综合实验第1节背景大学物理实验——拓展提高篇光电效应综合实验—背景初次实验:1887年，光电效应是赫兹于验证电磁波存在时意外发现的，然而这一现象是无法用麦克斯韦的经典电磁理论对其做出成功解释的。理论解释:1905年爱因斯坦在普朗克量子假设的基础，上提出了光量子概念，并由此圆满地解释了光电效应的各种实验规律。再次实验:10年后密立根以精湛的实验技术验证了爱因斯坦的光电效应方程。1.光电效应现象及其历史光电效应综合实验—任务目的训练理解光电效应及光的量子性；学习利用光电效应原理测量普朗克常数；了解光敏电阻、光电池、光电二极管的光照伏安特性；测量光电管的伏安特性曲线；测定普朗克常数；测量光敏电阻、光电池、光电二极管的特性曲线；2.实验任务3.实验目的光电效应综合实验第2节原理大学物理实验——拓展提高篇光电效应综合实验—原理1.光电效应与普朗克常数的测定光电效应：入射光照射到光电管的阴极K上，产生光电子，在电场作用下向阳极A迁移，构成光电流，改变外加电压UAK，测量出光电流I的大小，即可得出光电管的伏安特性曲线。爱因斯坦提出光电效应方程:

光子频率金属的逸出功初始动能(1)光电效应综合实验—原理1.光电效应与普朗克常数的测定入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能越大，因此，即使阳极电位比阴极电位低，也会有电子落入阳极而形成光电流。直至阳极A电位低于截止电压U0时，所有的光电子都不能到达阳极，光电流才为零。

(2)

(3)

光电效应综合实验—原理2.光敏电阻光敏电阻基于内光电效应工作，入射电磁波辐射到物体表面导致其内部产生电动势，光敏电阻具有伏安特性。3.光电池

短路时，U=0开路时，I=0光电效应综合实验—原理3.光电池在U=0的情况下，光电池外接负载电阻时，输出电压和电流均随RL的变化而变化。当RL取一定值时，输出功率达到最大值PM。

FF是表征光电池性能优劣的重要指标

光电效应综合实验—原理4.光电二极管光电二极管的PN结具有单向导电性，在工作时应加上反向电压。当无光照时，光电二极管处于截止状态；当有光照时，在反向电压作用下，光电流随入射光强度的变化而变化。光电效应综合实验第3节实验仪器大学物理实验——拓展提高篇光电效应综合实验—仪器汞灯刻度尺光电管光阑及滤色片1.实验仪器光电效应综合实验—仪器控制箱前面板1.实验仪器光电效应综合实验第4节实验内容大学物理实验——拓展提高篇光电效应综合实验—实验内容1.测试前准备（1）将控制箱及汞灯电源接通，预热20min。（2）把汞灯及光电管的暗箱遮光盖盖上,将汞灯暗箱光输出口对准光电管暗箱光输入口,调整光电管于刻度尺30cm处并保持不变。（3）用专用连接线将光电管暗箱电压输入端与控制箱的“光电管电压输出”端（后面板上）连接起来（红-红，黑-黑）；将控制箱后面板上的开关拨到“普朗克常数”一侧。（4）仪器在充分预热后，进行测试前调零操作：先将光电管暗箱电流输出端K与控制箱的“光电流输入”端（后面板上）断开，将“电压指示”开关打到“内电压”挡。在无光电管光电效应综合实验—实验内容1.测试前准备电流输入的情况下，将“电流量程”选择开关打至10-13挡，旋转“电流调零”旋钮，使电流指示为零，每次在开始新的测试时都应调零。（5）用高频匹配电缆将光电管暗箱电流输K与实验仪的“光电流输入端”（后面板上）连接起来。注意：在进行测量时，请在各表头数值完全稳定后记录，如此可减小人为读数误差。调零时如果采用10-13挡，则其精度较高，因此在转动旋钮时要缓慢；如果电流溢出，则可将电流量程挡位先调高、再降低。光电效应综合实验—实验内容2.测量光电管的伏安特性曲线（1）将滤色片旋转至365.0nm（也可任意选择一谱线），调光阑到8mm或10mm挡。（2）“电压量程”选择𝛪挡（电压可调节范围为-3~+20V），“电压指示”选择“内电压”挡，“电流量程”选择开关应置于10-10挡，从低到高调节电压，电压每变化一定值，记录相应的电流值，将数据填入表1中。365.0mmUAK/VI/(×10-10A)表1.光电管的伏安特性曲线测量数据记录光阑=

mm距离=

cm光电效应综合实验—实验内容3.验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比由于照射到光电管上的光强与光阑面积成正比，所以可以改变光阑大小，选择任意一谱线，记录光电管的饱和光电流（设置UAK=18V，电流表量程为10-10挡），将数据填入表2中，验证入射光强与饱和光电流成正比。光阑孔径/mm2481012I365.0nm/(×10-10A)表2.光电管的饱和光电流与入射光强测量数据记录光电效应综合实验—实验内容4.测定普朗克常数（1）拐点法将“电压量程”置于I(-3~+20V)挡，将“电流量程”选择开关置于10-13挡。将滤色片旋转至365.0nm,调整光阑到8mm或10mm挡。从低到高调节电压(电压范围为-3~0V)，电压每变化一定值，记录相应的电流值。依次换上404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm的滤色片，重复以上测量步骤，将数据填入表3中。根据数据绘制光电管的伏安特性曲线。根据画出的伏安特性曲线，分别找出每条谱线的截止电压(随着电压的缓慢升高，电流有较大变化的横坐标值)，并记录此值。光电效应综合实验—实验内容4.测定普朗克常数波长/nm365.0404.7435.8546.1577.0对应频率/Hz截止电压U0/V表3.拐点法测普朗克常数测量数据记录（2）零电流法将“电压量程”置于I挡；将“电流量程”选择开关置于10-13挡，将控制箱光电流输入电缆断开，调零后重新接上；调到直径4mm的光阑及365.0nm的滤色片。从低到高调节电压，光电效应综合实验—实验内容4.测定普朗克常数测量该波长对应的U0，记录数据。由于电流表在10-13挡时非常敏感，所以此时的电压调节一定要非常缓慢，一点一点地调节，尤其在零点附近时要特别注意。依次换上404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm的滤色片，重复以上测量步骤，将数据填入表4中。波长/nm365.0404.7435.8546.1577.0对应频率/Hz截止电压U0/V表4.零电流法测普朗克常数测量数据记录光电效应综合实验—实验内容4.测定普朗克常数（3）补偿法将“电压量程”置于I挡；将“电流量程”选择开关置于10-13挡，将控制箱光电流输入电缆断开，调零后重新接上；调到直径4mm的光阑及365.0nm的滤色片。从低到高调节电压，测量该波长对应的U0，记录数据。依次换上404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm的滤色片，重复以上测量步骤，将数据填入表5中。波长/nm365.0404.7435.8546.1577.0对应频率/Hz截止电压U0/V光阑孔径=

mm光电效应综合实验—实验内容5.光敏电阻的伏安特性（1）将实验仪及汞灯电源接通，预热20min。将“电压指示”拨到“内电压”挡，将“电流量程”选择开关置于10-5挡，将“电压量程”置于II档，将光敏电阻盒后面较大的孔套在光电管的盒子上并用螺钉锁死，将光敏电阻盒上的航空插座连接到控制箱后面板上的光敏输入端。将电压表和电流表通过旋钮调零。将控制箱后面板上的开关拨到光电综合一边。（2）旋转“电压调节”旋钮，调节加载电压，做测定伏安特性的实验。开始调节稳压源，给光敏电阻加外部电压，逐步升高加载电压，记下相应的电流值。注意:实验过程中应保证电流表电流在量程以内，没有溢出。光电效应综合实验—实验内容5.光敏电阻的伏安特性（3）前后移动光敏电阻盒，即可改变光强，按从近到远的位置重复上述实验过程，记录数据(光敏电阻盒位置可按后面光电管位置确定)并填入表6中。注意:每次改变位置后，电压数字会变化，需要重新调节。距离/cmIPH/AU=0VU=1VU=2VU=3VU=4VU=5V表6.光敏电阻的伏安特性测量数据记录光电效应综合实验—实验内容6.光电池的基本特性（1）将实验仪及汞灯电源接通，预热20min。（2）将“电压指示”置于外电压挡，将“电流量程”选择开关置于10-7挡(若溢出则切换到10-6挡)，将“电压量程”置于I挡，将光电池盒后面较大的孔套在光电管的盒子上并用螺钉锁死，将光电池盒上的航空插座连接到控制箱后面板上的光敏输入端。将光电池盒拔到明状态，此时电压表测量的是光电池盒上电位器的电压，将光电池盒尽量靠近汞灯;将控制箱后面板上的开关拨到光电综合一侧。（3）调节光电池盒上的电位器,由最大调到最小，可以看见光电流的变化，每调一次电阻值，都要记录下光电池的电压光电效应综合实验—实验内容6.光电池的基本特性和光电流，该位置的电阻值由R=U/I计算出来，把记录下的所有数据填在表7中。注意:在本次实验过程中，电流表测得的电流为负值，这仅表示电流方向，不包含实际意义，因此，在记录实验数据时，可以直接取绝对值。电压U/V光电流I/A表7.光电池的基本特性测量数据记录（一）光电效应综合实验—实验内容6.光电池的基本特性距离/cm短路电流ISC/A开路电压UOC/V表8.光电池的基本特性测量数据记录（二）

光电效应综合实验—实验内容6.光电池的基本特性

U0/VI/AU1/VU/V表9.光电池的基本特性测量数据记录（三）光电效应综合实验—实验内容7.光电二极管的基本特性

光电效应综合实验—实验内容7.光电二极管的基本特性（3）增大光电二极管与汞灯之间的距离，重复上述实验内容，将数据填入表10中。注意:当光照射到光电二极管时，会发现电压表显示负值，这是因为此时加载电压为0V,而光电二极管由于光伏特性存在一个反向的电压，可以将电压表调零。若电流表表头跳动，则切换到10-6

挡。距离/c