光电效应 物理实验报告

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光电效应

实验目的:

(1)了解光电效应的规律,加深对光的量子性的理解

(2)测量普朗克常量h。

实验仪器:

ZKY-GD-4 光电效应实验仪

1 微电流放大器

2 光电管工作电源

3 光电管

4 滤色片

5 汞灯

实验原理:

原理图如右图所示:入射光照射到光电管阴极K上,

产生的光电子在电场的作用下向阳极A迁移形成光电流。改

变外加电压V AK,测量出光电流I的大小,即可得出光电管

得伏安特性曲线。

1)对于某一频率,光电效应I-V AK关系如图所示。

从图中可见,对于一定频率,有一电压V0,当V AK≤V0

时,电流为0,这个电压V0叫做截止电压。

2)当V AK≥V0后,电流I迅速增大,然后趋于饱和,

饱和光电流IM的大小与入射光的强度成正比。

3)对于不同频率的光来说,其截止频率的数值不同,如右图:

4)

对于截止频率V0与频率ν的关系图如下所示。V0与ν成正比关系。当入射光的频率低于某极限值ν0时,不论发光强度如何大、照射时间如何长,都没有光电流产生。

5)光电流效应是瞬时效应。

即使光电流的发光强度非常微弱,只要频率大于ν0,在开始照射后立即就要光电子产生,所经过的时间之多为10-9s 的数量级。

实验内容及测量:

1 将4mm 的光阑及365nm 的滤光片祖昂在光电管暗箱光输入口上,打开汞灯遮光盖。从低到高调节电压(绝对值减小),观察电流值的变化,寻找电流为零时对应的V AK 值,以其绝对值作为该波长对应的V 0值,测量数据如下:

波长/nm 365 404.7 435.8 546.1 577 频率/×1014Hz 8.214 7.408 6.897 5.49 5.196 截止电压/V 1.679 1.335 1.107 0.557 0.434 频率和截止电压的变化关系如图所示:

由图可知:直线的方程是:y=0.4098x-1.6988 所以: h/e=0.4098×10−14 ,

h =1.6×10−19×0.4098×10−14=6.5568×10−34J ·s

当y=0,即V 0=0V 时,ν=1.6988÷0.4098=4.1454×1014Hz ,即该金属的截止频率为4.1454×1014Hz 。也就是说,如果入射光如果频率低于上值时,不管光强多大也不能产生光电流;频率高于上值,就可以产生光电流。

根据线性回归理论:

k =v̅∙V ̅0−v ∙V

0̅̅̅̅̅̅̅v̅2−v

2̅̅̅ 可得:k=0.40975,与EXCEL 给出的直线斜率相同。

我们知道普朗克常量ℎ0=6.626×10−34J ∙s , 所以,相对误差:

y = 0.4098x -1.6988

00.511.52

4

5

67

89V 0/V

ν/×10^14 Hz

V 0与ν的关系

E=ℎ−ℎ0

ℎ0

=−0.01044

2 测量光电管的伏安特性曲线

1)用435.8nm的滤色片和4mm的光阑实验数据如下表所示:

2)用546.1nm的滤光片和4mm的光阑

作两种情况下,光电管得伏安特性曲线:

由上图可知:

1)光电流随管压降的增大而逐渐增大。在增大的过程中,增长速度由快变慢最终达到饱和。这一点在546.1nm的伏安特性中可以清楚地看出。

2)当管压降相同时,比较两个不同波长的光电流可以发现:波长长的,即频率小的(546.1nm)光电流小;波长短的,即频率大的(435.8nm)光电流大。这也间接

mv02+A。对于同一种金属,溢出功A相等,证明了爱因斯坦的光电流方程:hν=1

2

频率高的就能得到更大的动能来克服金属的束缚,从而形成更大的光电流。

3. 保持管压降V AK=30.0V不变,调整光阑的直径,分别为:2mm, 4mm, 8mm。测量对应的电流如下:

作出两种不同波长的光电流随光强的变化图,如下:

我们可以看出:

1)同一种波长下,光电流随光阑直径的增大而增大。由于数据点有限,不能表明光阑面积(即光强的大小)同光电流的具体关系,是否是线性的,也就无从得知。

所画出的图形如下:

2)不同波长下,若光阑直径相等,即光强相同,光的频率越大,光电流越大;并且,频率大的光变化也快。在光强较弱时,不同的光产生的光电流大小相差无几,但当光强变大后,两者差距逐渐变大。

4 在V AK=30.0V的情况下,保证光阑直径为8mm,测量两种光强下,光电流与入射距

入射距离增大,光强势必会减小,由图可知,光电流变小,这样的结论和以上改变光阑直径所得结论相一致。对于不同的光波,频率大的光在相同的光强条件下,获得的光电流较大。

实验总结:

1)实验中改变入射距离处误差最大,所以只能做定性分析,不能用于定量计算。2)通过实验得到了普朗克常数,也验证了爱因斯坦的光电效应方程。

3)EXCEL表格中所得到的线性方程也是利用了线性回归理论,可见线性回归理论在处理数据中有很重要的应用。

4)实验中由汞灯产生的不同波长的光的强度本身也应该有所差别,546.1nm和435.8nm的光的强度应该是不相同的。所以对于实验中的光强也无法做到定量研究。

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