光电效应和普朗克常数的测定[新版]
光电效应和普朗克常数的测定
【教学目的】
1(了解光电效应的规律，加深对光的量子性的理解。
2(测量普朗克常数h。
【教学重点】
测定普朗克常数;观测光电管伏安特性曲线。 【教学难点】
了解光电效应规律;理解光的量子性。 【课程讲授】
提问:1.什么是光电效应,如何解释实验现象,
2.如何测定普朗克常数,
一、实验原理
光电效应的实验原理如图1所示。入射光照射到光电管阴极k上，产生的光电子在电场
A的作用下向阳极迁移构成光电流，改变外加电压，测量出光电UAK
I流的大小，即可得出光电管的伏安特性曲线。
光电效应的基本实验事实如下:
(1)对一定的频率，有一电压U，当U,,U时，电流为零，AK00
这个相对于阴极的负值的阳极电压U，被称为截止电压。0图1实验原理图
IU,UI(2)后，迅速增加，然后趋于饱和，饱和光电流AK0M
P的大小与入射光的强度成正比。
(3)对于不同频率的光，其截止电压的值不同。
UU(vv4)作截止电与频率的关系如图2所示。与成线性关00
vv系。当入射光频率低于某极限值(随不同金属而异)时，不论光00
U图2截止电压的强度如何，照射时间多长，都没有光电流产生。
v与入射光频率
的关系图 (5)光电效应是瞬时效应。即使入射光的强度非常微弱，只要频
-9率大于，在开始照射后立即有光电子产生，所经过的时间至多为10秒的数量级。v0
按照爱因斯坦的光量子理论，光能集中在被称之为光子的微粒上，但这种微粒仍然保持
Ehv,h着频率(或波长)的概念，频率为的光子具有能量，为普朗克常数。当光子照v
射到金属
表
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面上时，一次为金属中的电子全部吸收，而无需积累能量的时间。电子把这能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力，余下的就变为电子离开金属表面后的动能，按照能量守恒原理，爱因斯担提出了著名的光电效应方程:
12 hv,m,，A (1)02
12式中，为金属的逸出功，为光电子获得的初始功能。 Am,02
由该式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能越大，所以即使阳极电位比阴极电位低时也会有电子落入阳极形成光电流，直至阳极电位低于截止电压，光电流才为零，此时有:
12 eU,m, (2)002
阳极电位高于截止电压后，随着阳极电位的升高，阳极对阴极发射的电子的收集作用越强，光电流随之上升;当阳极电压高到一定程度，已把阴极发射的光电子几乎全收集到阳极，
PI再增加时不再变化，光电流出现饱和，饱和光电流的大小与入射光的强度成正UIAKM
比。
光子的能量时，电子不能脱离金属，因而没有光电流产生。产生光电效应的最hv,A0
低频率(截止频率)是v,A/h。 0
将(2)式代入(1)式可得:
eU,hv,A (3)0
hK,U此式表明截止电压是频率v的线性函数，直线斜率，只要用实验
方法
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得出不同0e
h的频率对应在的截止电压，求出直线斜率，就可算出普朗克常数。 二、实验仪器
ZKY-GD-4智能光电效应实验仪。仪器由汞灯及电源，滤光片，光阑，光电管、智能测试仪构成。
实验装置图
三、实验
步骤
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1(测量准备
(1)将测试仪及汞灯电源打开，预热20分钟。(汞灯及光电管的暗箱用遮光罩罩住。)
(2)调整光电管与汞灯的距离，约为40厘米。并保持不变。 (3)用专用电缆将光电管暗箱电压输入端与测试仪电压输出端连接起来。
-134)将“电流量程”选择开关置于所选档位(截止电压测试为10，伏安特性测试为(
-1010)。
(5)调零:将光电管暗箱电流输出端k与测试仪微电流输入端断开，调节电压，使电流表指示为000.0。
(6)确认调零。按“调零确认/系统清零”按钮。 (7)选取“截止电压”测量，“手动”模式。 2(测量截止电压
(1)撤去光电管入口遮光罩，将4mm的光阑放入光电管入口处;
(2)撤去汞灯灯罩;
(3)将波长为365nm的滤波片套在光电管入口处，此时仪表所显示的就是对应波长的光电管电压与电流值;
(4)轻点“电压调整”周围的“<”和“>”以及“ ”和“ ”来改变电压，观察电流的变化，当电流指示约为“000.0”，此时的电压表指示就是该波长光所对应的截止电压。
(5)将365nm滤光片依次换成405nm、436nm、546nm、577nm的滤光片，重复3~4步骤。分别记录各自的截止电压。
3(光电管伏安特性测试
(1)按“系统清零/调零确认”按钮，重复1中步骤(4)~(6);
(2)选取“伏安特性”测量，“手动”模式。
(3)将某一波长的滤光片套在光电管入口处，改变电压，从-1v开始增加，最高电压
为50v，分别记录各电压下所对应的光电流。
(4)将电压为横坐标，光电流为纵坐标，在图中描绘出曲线，即为该波长伏安特性曲
线。
四、数据记录和数据处理
1. 测量截止电压记录
表格
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:
波长(nm) 365 405 436 546 577
14频率(×10hz) 8.214 7.408 6.879 5.490 5.196
截止电压(v) 2. 光电管伏安特性测试记录表格:
电压(V) -1.0 -0.5 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 -10电流(10A) 1)根据表1的数据在坐标纸上作~直线，得出直线的斜率后求普朗克常数h，与公认U,0
值h比较求相对误差。同时求红限频率。 v00
I2)根据表2的数据在坐标纸上作~关系曲线。 UAK
五、思考题
1、何谓光电效应,如果一种物质逸出功为2.0ev，那么它做成光电管阴极时能探测的波长红限是多少,
hchν,,W提示:当一定频率的光照射金属表面时有电子可以从金属中逸出的现象。 λ
2、金属的截止频率(红限)是什么,
提示:产生光电效应的光子最低频率称为截止频率。当光的频率小于截止频率时，不管光强如何，都没有光电子产生。
3、光电子的能量随光强变化吗,
提示:光电子的能量与光强无关，只与光频率有关，由爱因斯坦光电方程决定。当光的频率小于截止频率时，不管光强如何，都没有光电子产生。
4、光电流的大小随光强变化吗,
提示:光电流与光强有关，光强越大，产生的光电子越多，光电流越大。
6、何谓截止电压,
提示:当光电流等于零时光电管所加的反向电压。 7、光电管的反向电流是如何产生的,
提示:光电管阳极被污染，沾上了少许阴极
材料
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，人射光照射阳极或者人射光从阴极反射到阳极之后
都会造成阳极光电子发射，形成反向电流。 8、光电管的暗电流是如何产生的,
提示:热激发射的电子形成的电流。 9、光电管的本底电流是如何产生的,
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