大学物理光电实验讲义-A4-2017
大学物理实验：光电效应课件
光电效应现象的原理
影响准确测量的因素：
➢暗电流或本底电流：当光电管阴极没有受到光线照射时也会产生电子流， 称为暗电流。它是由电子的热运动和光电管管壳漏电等原因造成的。室 内各种漫反射光射入光电管造成的光电流称为本底电流。暗电流和本底 电流随着K 、A之间电压大小变化而变化。
➢阳极电流：阳极的光电子发射 是阳极材料在光照下发射的光 电子，对这些光电子而言，外 加反向电场是加速电场，因此 它们很容易到达阴极，形成反 向电流(阳极电流)。由于它
光电子的最大初动能
爱因斯坦光 电效应方程
入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能必然也越大，所以即使阴极 不加电压也会有光电子落入阳极而形成光电流，甚至阳极电位比阴极电位低 时也会有光电子落到阳极，直至阳极电位低于某一数值时，所有光电子都不 能到达阳极，光电流才为零。这个相对于阴极为负值的阳极电位US被称为光 电效应的截止电压(遏止电压)。
再次试验：10年后密立根(likan)以精湛 的实验技术验证了爱因斯坦的光电效应方程。 获得成就：爱因斯坦和密立根主要因光电效 应方面的杰出贡献分别荣获1921年和1923年 的诺贝尔物理学奖。
光电效应的发现和解释极大推动了量子力学的发展！
推动了现代科学技术的快速发展！
使得人类生活发生极大的变化！
本实验采用ZKY-GD-3型光电效应实验仪。由于其特殊结构使
暗电流大大降低，由此测定的光电管的伏安特性曲线与基本重
合。因而可以把实测电流为零时对应的光电管电压值作为截止
电压，此种方法称为零电流法。
23
普朗克常数的测量
1.测量普朗克常数、“红限”频率
将电压选择按键置于-2V~0V档，电流量程选择在10-13A挡，重新调节测试 仪零点。将直径为4mm的光阑及365.0nm的滤色片装在光电管暗盒光输入 口上。调节电压UAK ，使光电流指示为零，此时测试仪所显示的电压值即 为与入射光频率对应的截止电压。更换其余四个滤光片(注意：更换滤光 片时先将汞灯用遮光盖盖上！ )，测出各频率的光所对应的截止电压。重 复上述测量步骤，测量4组数据。
大学物理实验光电效应1
h
Ws
1 2
mm2
h 6.62621034 J S
普朗克常量h是一个重要的物理常量。凡是涉及 到h的物理现象都是量子现象。
h
Ws
1 2
mm2
若 h Ws 0 则没有光电子逸出
即光电效应存在一截止频率
0
Ws h
只有当 0 时才逸出光电子
光电效应基本规律
-1
-0.5
0
-500
U（V）
436nm伏安特性曲线
-1000
3000
2500
-2.5
-2
-1.5
-1
U（V）
3000
2500
2000
1500
1000
500
-0.5
0
0 -500
-1000
系列1
546nm伏安特性曲线
3000 2500
2000
2000
I（pA）
1500
1500
I（pA）
1000
系列1
2.验证爱因斯坦光电方程，测量普朗克常数。
h
Ws
1 2
mm2
h 6.62621034 J S
何为光电效应……
当光照射在物体上时，光的能量只有部分以 热的形式被物体所吸收，而另一部分则转换为物 体中某些电子的能量，使这些电子逸出物体表面， 这种现象称为光电效应。
爱因斯坦光子假说
实验后期数据处理
1.做各波长的I~U曲线（记录数据电脑作图），用反向电流趋
向饱和的拐点电位作为该波长的光对应的截止电压 U s (拐点
电位的确定)
2.四个截止电压 U s 和分别对应的入射光频率 做 U s 曲线
大学物理光学实验(部分)
0I ϕI ϕI )2(ΛΛΛλϕπβaSin =大学物理光学实验（部分）单缝衍射一、 实验目的1.观察单缝衍射现象，了解衍射特点；2.测量单缝衍射的相对光强分布。
二、 实验仪器激光器、单缝、检流计、硅光电池等 三、 实验原理照到狭缝上的波前上每一点都起着新波源的作用，从这个波前出发，光线迭加的结果是出现平行于狭缝的明暗相间的条纹。
亮条纹从中心往两侧依次是0级、1级、2级……n 级亮条纹。
暗条纹依次是1级、2级…..n 级。
设光轴上的光强为 屏上与光轴夹角 ϕ 为的一处光强为 220sin ββII = （1）1.当)0(0==ϕβ时，0I I =ϕ；称为主极大或零级亮条纹。
2.当)2,1(⋅⋅⋅⋅±±==m m πβ，即am Sin λϕ=时，0=ϕI ，出现暗条纹。
暗条纹在a m λϕ=的方向上。
主极大两侧暗条纹之间的夹角aλϕ2=∆，其余暗条纹间的间距为aλϕ=∆。
3.其他亮条纹的位置：()322/2ββββββββSin Cos Sin Sin d d -=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ 极大值。
取时，即 ,0I tg Sin Cos βββββ==-Θ 可得：⋅⋅⋅±±±=πππβ47.346.243.1，，即：)3(47.3,46.2,43.1ΛΛaa a λλλϕ±±±=亮条纹的光强是极值的0.047，0.017，0.008倍………4.总结：ϕSin-2a λ -1.43a λ -a λ 0aλ1.43aλ2aλ ϕI0 -0.047 00I0 0.047 0四、 实验内容和步骤1.按夫琅和费单缝衍射实验装置设计光路。
即入射到狭缝的光束是平行光，传播到观察点的各子波的光线也是平行光。
2.激光点亮并垂直于狭缝，观察屏放到较远处D>>a.3.观察单缝衍射现象 （1）调节狭缝又宽变窄，再由窄变宽，观察衍射图像的变化，估计出衍射图像刚出现可分辨条纹时的缝宽。
大学物理激光课件讲义
受激辐射
发光前 发光后
。
受激辐射的光放 大示意图
表明 ，处于低能级的电子数大于高能级的电子数， 这种分布叫做粒子数的正常分布.
1 粒子数正常分布和粒子数布居反转分布
二 激光原理
已知
叫做粒子数布居反转 , 简称粒子数反转或称布居反转.
1 自发辐射
原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发态的高能级 自动跃迁到低能级 ，这种跃迁称为自发跃迁. 由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射.
一 自发辐射 受激辐射
。
发光后
自发辐射
自发辐射
单击添加文本
单击添加文本
2 光吸收
原子吸收外来光子能量 , 并从低能级 跃迁到高能级 , 且 , 这个过程称为光吸收.
2 单色性好
激光的单色性比普通光高 倍.
能量集中
END
相干性好 普通光源的发光过程是自发辐射,发出的不是相干光 , 激光的发光过程是受激辐射, 它发出的光是相干光.
吸收后
。
吸收前
.
受激吸收
3 受激辐射
由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光.
原子中处于高能级 的电子, 会在外来光子 (其频率恰好满足 ) 的诱发下向低能级 跃迁, 并发出与外来光子一样特征的光子, 这叫受激辐射.
红宝石激光器的工作物质是棒状红宝石
。
。
全反射镜
半透射镜
红宝石棒
。
脉冲灯
红宝石激光示意图
。
01
02
03
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
04
激光器发展的主要方面
扩展了激光的波长范围.
激光的功率大大提高.
激光器能实现小型化.
大学物理实验报告系列之光电效应
17
3.9
4.1
8.5
4.6
3.4
18
4.1
4.3
8.8
4.8
3.5
19
4.3
4.4
9.1
4.9
3.5
20
4.4
4.6
9.4
5.0
3.6
21
4.6
4.7
9.6
5.1
3.7
22
4.8
4.8
9.9
5.2
3.7
23
4.9
4.9
10.2
5.5
3.8
24
5.1
5.1
10.4
5.5
3.8
25
5.2
5.2
ห้องสมุดไป่ตู้10.6
13.0
6.3
4.3
43
7.3
6.5
13.1
6.3
4.3
44
7.4
6.6
13.2
6.3
4.3
45
7.4
6.7
13.3
6.3
4.4
46
7.5
6.7
13.4
6.4
4.4
47
7.6
6.8
13.5
6.4
4.4
48
7.7
6.8
13.5
6.4
4.4
49
7.8
6.8
13.6
6.4
4.4
50
7.9
6.9
13.7
6.5
5.6
3.9
26
5.4
5.3
10.8
5.7
3.9
大物实验报告光电效应教材
试验名称:光电效应法测普朗克常量h 实验目的:是了解光电效应的基本规律。
并用光电效应方法测量普朗克常量和测定光电管的光电特性曲线。
实验原理光电效应实验原理如图8.2.1-1所示。
其中S 为真空光电管，K 为阴极，A 为阳极。
当无光照射阴极时，由于阳极与阴极是断路，所以检流计G 中无电流流过，当用一波长比较短的单色光照射到阴极K 上时，形成光电流，光电流随加速电位差U 变化的伏安特性曲线如图8.2.1-2所示。
1．光电流与入射光强度的关系光电流随加速电位差U 的增加而增加，加速电位差增加到一定量值后，光电流达到饱和值和值I H ，饱和电流与光强成正比，而与入射光的频率无关。
当U= U A -U K 变成负值时，光电流迅速减小。
实验指出，有一个遏止电位差U a 存在，当电位差达到这个值时，光电流为零。
2．光电子的初动能与入射频率之间的关系当U=U a 时，光电子不再能达到A 极，光电流为零。
所以电子的初动能等于它克服电场力作用的功。
即a eU mv =221 （1） 根据爱因斯坦关于光的本性的假设，每一光子的能量为hv =ε，其中h 为普朗克常量，ν为光波的频率。
所以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量h ν之后，一部分消耗于克服电子的逸出功A ，另一部分转换为电子动能。
由能量守恒定律可知 A mv hv +=221（2） 式（2）称为爱因斯坦光电效应方程。
3． 光电效应有光电存在实验指出，当光的频率0v v <时，不论用多强的光照射到物质都不会产生光电效应，根据式（2），hAv =0，ν0称为红限。
爱因斯坦光电效应方程同时提供了测普朗克常量的一种方法：由式（1）和（2）可得：A U e hv +=0，当用不同频率（ν1，ν2，ν3，…，νn ）的单色光分别做光源时，就有 A U e hv +=11 A U e hv +=22 ………… A U e hv n n += 任意联立其中两个方程就可得到 ji j i v v U U e h --=)( （3）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量h ，也可由ν-U 直线的斜率求出h 。
光电实验课件
实验四 电光调制
一、实验目的
1、掌握晶体电光调制的原理和实验方法; 2、学会用简单的实验装置测量晶体半波电压，以及电光常数的测量方法； 3、实现模拟光通讯。
二、实验仪器
1、光学导轨及滑动座 2、起偏器 3、检偏器 4、1/4波片 5、ZY607氦氖激光器 6、光电探测器 7、ZY605电光调制器 8、ZYEOM-Ⅱ-SS信号源 8、双踪示波器 9、音频信号源（收音机等） 1套 1个 1个 1个 1台 1个 1只 1台 1台 1台
二、实验内容
1、CCD驱动频率观测； 2、积分时间测量。
三、实验仪器
1、双踪同步示波器（20MHz以上） 2、CCD原理应用实验箱 1台 1台
四、实验步骤
打开CCD原理与应用实验箱的电源开关，观察积分时间显示窗口和驱动频率显示 窗口的显示数据，并用积分时间设置按钮调整积分时间档为0档（按红色按钮依次由 01230），用频率设置按钮调整频率为0档（按红色按钮依次由 01230）。然后打开示波器的电源开关，用双踪示波器检查CCD驱动器的各 路脉冲波形是否正确（参考实验箱面板上时序图）。如符合，则继续进行以下实验； 否则，应请指导教师进行检查。
负载（Ω） 电流（μA ）
2.4Ｋ （RL1）
5.6Ｋ （RL2）
10Ｋ （RL3）
51Ｋ（R1）
100Ｋ （R2）
电压（mV ）
（4）、作出光电池的光生电流和光生电压随负载变化的V-I曲线。 （5）、改变光照度为100Lx、200Lx、300Lx，重复上述步骤，分别填写表2.4、 2.5和2.6。 （6）、比较四条曲线有什么不同，并分析原因。
偏压(V) 光电流(μ A)
0 -2 -4 -6 -8 -10
（6）、作出50Lx照度下的光电二极管伏安特性曲线。 （7）、重复上述步骤。分别测量光电二极管在100Lx、200Lx和300Lx照 度下，不同偏压下的光生电流值，并分别作出伏安特性曲线。比较四条伏安 特性特性曲线有什么不同。 （8）、实验完毕，拆除所有连线。将“幅度调节”和“光照度调节”旋 钮都逆时针旋到底。
大学物理仿真实验-光电效应
实验名称：光电效应实验专业班级：核工程实验日期： 2021 年 5 月 25 日姓名：学号：光电效应实验简介：当光照在物体上时，光的能量仅局部的以热的形式为物体吸收，而另一局部那么转换为物体中某些电子的能量，使电子溢出物体外表，这种效应称为光电效应，溢出的电子称为光电子。
根据爱因斯坦理论，每个光子的能量为其中h为普朗克常数，是近代量子物理中的重要常数。
而本实验就是利用光电效应法来测得普朗克常数。
一．实验目的：1．了解光电效应的根本规律。
2. 验证爱因斯坦光电方程。
3．熟悉普朗克常数测定仪的操作比并用光电效应方法测量普朗克常数。
二．实验仪器：包括GD-5光电管、单色仪、水银灯、检流计、直流电源、直流电压表、滑线变阻器、临界电阻箱。
三．实验步骤：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。
假设连线正确，就可以正式开始实验，否那么需要继续连线。
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。
〔1〕检流计的调零。
〔2〕临界电阻箱的调节。
〔3〕调节单色仪，得到适宜波长的单色光，实验中将用到5770埃、5461埃、4358埃、4047埃四种波长的单色光。
四．测量内容及数据处理：〔1〕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。
5770埃正向伏安特性：5770埃反向伏安特性：5461埃正向伏安特性：5461埃反向伏安特性：4358埃正向伏安特性：4358埃反向伏安特性：4047埃正向伏安特性：4047反向伏安特性：伏安特性曲线图：5770埃5461埃：4358埃：4047埃：遏止电位差值。
根据此曲线确定遏止电位差值，计算普朗克常数值。
元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。
五：小结：结论：普朗克常量: h=6.63E-34(J.S)电子溢出功：W=2.82E-19 (J)红线：2.5E+14(HZ)建议：连接线路是应认真仔细。
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4.1 列表在数据处理中的应用 .......................................................................................................... 15 4.2 用作图法处理数据 ...................................................................................................................... 15 4.3 直线拟合方法概述 ..................................................................................................................... 17
1
的．在实验中学生要做到四多(多观察、多动手、多分析、多判断)、三反对 ( 反对侥幸心理、 反对机械地操作、反对实验的盲目性 )． 调整仪器装置时要仔细认真，一丝不苟．还要注意满足测量公式所要求的实验条件．在 整个实验过程中， 要脑手并用， 头脑里要有清晰的物理图像， 对实验原理有比较透彻的理解， 对实验中出现的各种现象要仔细观测．一方面，要多动脑筋，在进行某些操作之前，先想想 可能会出现什么结果，然后再看看是否和预期的相符合．如果不相符合，要仔细分析原因， 找出改进措施． 要有意识地去学着分析实验， 对实验得到的结果要想一想是否合乎物理规律， 有没有道理， 绝不能拼凑数据． 实验中不要只是机械地按讲义上或教师要求的实验步骤一步 一步做完就算完事． 动手能力还表现在能否及时发现并排除实验中可能遇到的某些故障． 仪 器装置的小毛病，可以在教师指导下自己动手解决．实验中还要养成记录好原始数据 ( 就 是在测量时直接从仪器上读出来的数据 ) 的习惯，要一边测量，一边及时记录，记录要准 确、清楚、有次序并且要特别注意所记数据的有效位数．做完实验，要将实验数据交给教师 检查，得到认可签字后，将仪器归整复原好，方可离开实验室． ( 3 ) 实验报告 在实验预习报告的基础上，采用合适的数据处理方法，完成实验报告．实验中测得的数 据要用表格形式写入实验报告中（并将原始记录附在报告中） ，正确表示有效位数和单位， 按每个实验的数据处理与要求给出实验结果． 结果分析包括对测量结果的总结评价， 对难于 定量计算的误差因素的定性分析． 这就要求结合自己的实验数据做具体分析， 指出主要误差 产生的原因．此外，结果分析还包括对实验的看法、见解，以及需要与教师讨论的问题和完 成实验书中的思考题．
大学物理光电实验讲义
秦颖 等合编
大连理工大基础物理实验中心 2016 年 8 月
目
录
绪 论 ................................................................................................................................................. 1 第 1 章 测量与误差 .......................................................................................................................... 3 1.1 测量及分类 ....................................................................................................... 3 1.2 测量误差 ....................................................................................................................................... 3 1.3 误差的分类 ................................................................................................................................... 3 第 2 章 有效数字及其运算法则 ....................................................................................................... 6 2.1 直接测量的有效数字记录 ............................................................................................................ 6 2.2 有效数字的运算法则 .................................................................................................................... 7 第3章 不确定度与测量结果的评定.............................................................................................. 8
2
第 1 章 测量与误差
1.1 测量及分类
测量是用实验方法获得待测量量值的过程， 就是将待测物理量与选作计量标准的同类物 理量进行比较，并得出其倍数的过程．倍数值称为待测物理量的数值，选作的计量标准称为 单位．因此，一个物理量的测量值应由数值和单位两部分组成，缺一不可．物理实验离不开 对物理量的测量． 按测量对象和测量结果的关系来分类，测量可分为直接测量和间接测量． 直接测量：可以用测量仪器仪表或量具直接读出测量值的测量，称为直接测量．例如用 米尺测量长度、 用温度计测量温度、 用电压表测电压等都是直接测量， 所得的物理量如长度、 温度、电压等称为直接测量量． 间接测量： 有些物理量无法进行直接测量， 而需要依据待测物理量与若干个直接测量量 的函数关系求出，这样的测量就称为间接测量．大多数的物理量都是间接测量量．如用单摆 测重力加速度 g 时，T(周期)、L（摆长）是直接测量量，而 g 就是间接测量量． 在物理实验中， 不仅要明确测量对象， 选择恰当的测量方法， 正确完成测量的各个步骤， 还要学习误差理论的和实验数据处理的基本概念， 学会能够对多数测量表示出完整的测量结 果，包括表示出确定水平的不确定度．
实 验 部 分
实验 1 示波器、函数信号发生器的原理及使用 ............................................................................... 24 实验 2 光电探测之光电二极管特性测试 ........................................................................................... 29 实验 3 霍尔效应与磁场测量 ............................................................................................................... 36 实验 4 巨磁电阻效应及其应用 ........................................................................................................... 46 实验 5 迈克尔逊和法布里-珀罗两用干涉仪的调节和使用 .............................................................. 53 实验 6 分光计的调节和介质折射率的测量 ....................................................................................... 60 实验 7 光电探测实验--硅光电池特性测试 ......................................................................................... 69
绪 论
１. 物理实验课的特点和目的 物理学是实验的科学．人们通过观察物理现象，定量测量或测定物理量，并根据测量结 果分析这些物理量之间的关系， 从而实现对物理规律的认识和证实． 物理实验在物理学的建 立发展过程中起着重要的和直接的推动作用，它是物理学的基础． 物理实验是用实验的方法去研究物理学的规律． 物理实验课的一个显著特点是它的实践 性．做实验的时候，要充分考虑到各种实际的情况，得出的结论要尽量符合实际．实践性的 另外一层意思是动手能力的培养和锻炼， 这在实验课中占有重要的地位． 物理实验是大学生 接受科学实验能力培养和训练的先期课程，对于培养学生的动手能力、观察分析能力、综合 运用各方面知识的能力以及创新精神具有十分重要的意义． 在谈了物理实验的重要作用和物理实验课的特点之后， 再来谈谈开设大学物理光电实验 课的目的以及怎样才能学好这门课程． 首先，针对软件学院学生的专业特点，以及学时少（24 学时） ，我们在实验项目的设置 上以光电实验为主， 以便更好地满足学生将来专业学习的需求， 同时还要保证学生学到实验 的基本知识、基本方法和基本技能．学生通过这些实验的训练，学会观察分析实验现象，了 解测量误差的理论知识，学会正确地记录和处理数据，正确地表达实验结果，对实验结果进 行正确的分析评价．还设置了综合研究性的实验，强化学生综合实践能力的训练，提高实验 技能，为以后的科学研究工作或其他科学技术工作打下良好的实验基础． 第二， 逐步培养起严肃认真、 实事求是的科学态度和工作作风， 养成良好的实验习惯． 良 好的实验习惯是做好实验的重要条件，一旦形成不好的习惯，以后就很难改正．要在每次实 验中有意识地锻炼自己． 第三 , 通过实际的观察和测量，加深对物理理论知识的理解和掌握．同时激发大 家对学习物理科学的兴趣． 培养和提高学生的科学实验素养， 要求学生具有理论联系实际和 实事求是的科学作风，严肃认真的工作态度，主动研究的探索精神和遵守纪律、爱护公物的 优良品德． 2. 物理实验课的 3 个教学环节及基本要求 ( 1 ) 预习 实验课前要认真预习，明确本实验要到达的目标，学习该实验的基本思想、基本测量方 法．在此基础上，课前要认真写好实验预习报告中的实验目的、实验原理和内容（简要阐明 实验的理论依据，以及要测量的是什么量，写出待测量计算公式的简要推导过程，画出有关 的原理图、电路图、光路图等） 、列出主要实验仪器的名称、型号、规格等，扼要地说明实 验的关键步骤及主要注意事项， 并在实验数据记录纸上画好实验数据记录表格． 凡预习不合 格者不允许做实验． ( 2 ) 实验 到实验室后要遵守有关的规章制度，爱护仪器设备，注意安全．动手之前要先了解仪器 的性能、规格、使用方法和操作规则． 实验环节是物理实验的核心，其内容非常丰富，同时也是学生主动研究、积极探索的好 时机．一堂课收获的大小，将取决于学生实验过程中思想状态是积极主动的, 还是消极被动