光电效应实验报告材料.doc

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科学技术学院
实 验报 告
课程名称实验项目
专业班级学 号
指导教师成绩 日 期年 月 日
一、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．测量光电管的伏安特性曲线；
3．学习验证爱因斯坦光电效应方程的实验方法，测量普朗克常数。
二、实验仪器
光电效应（普朗克常数）实验仪（详见本实验附录A），数据记录仪。
三、实验原理
1．光电效应及其基本实验规律
当一定频率的光照射到某些金属表面时，会有电子从金属表面即刻逸出，这种现象称为光电效应。从金属表面逸出的电子叫光电子，由光子形成的电流叫光电流，使电子逸出某种金属表面所需的功称为该金属的逸出功。
图1 光电效应实验示意图
研究光电效应的实验装置示意图如图1所示。GD为光电管，它是一个抽成真空的玻璃管，管有两个金属电极，K为光电管阴极，A为光电管阳极；G为微电流计；V为电压表；R为滑线变阻器。单色光通过石英窗口照射到阴极上时，有光电子从阴极K逸出，阴极释放出的光电子在电场的加速作用下向阳极A迁移形成光电流，由微电流计G可以检测光电流的大小。调节R可使A、K之间获得连续变化的电压，改变，测量出光电流I的大小，即可测出光电管的伏安特性曲线，如图2(a)、(b)所示。
图2 光电效应的基本实验规律
光电效应的基本实验规律如下：
（1）对应于某一频率，光电效应的关系如图2(a)所示。从图中可见，对一定的频率，有一电压，当时，光电流为零，这个相对于阴极的负值的阳极电压，称为截止电压。
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（2）当后，迅速增加，然后趋于饱和，饱和光电流的大小与入射光的强度成正比，如图2(b)所示。
（3）对于不同频率的光，其截止电压的值不同，如图2(a)所示。
（4）截止电压与频率v的关系如图2(c)所示。与成正比。当入射光频率低于某极限值（随不同金属而异）时，无论光的强度如何，照射时间多长，都没有光电流产生。
（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秒的数量级。
2．爱因斯坦光电效应方程
上述光电效应的实验规律无法用电磁波的经典理论解释。为了解释光电效应现象，爱因斯坦根据普朗克的量子假设，提出了光子假说。他认为对于频率为的光波，每个光子的能量为，为普朗克常数。当光子照射到金属表面上时，一次性为金属中的电子全部吸收，而无须积累能量的时间。电子把该能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力，另一部分就变为电子离开金属表面后的动能，按照能量守恒原理，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程
（1）
式中，为被光线照射的金属材料的逸出功，为从金属逸出的光电子的最大初动能。
由式（1）可知，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（即加反向电压）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，此时有关系
（2）
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，再增加时再变化，光电流出现饱和，饱和光电流的大小与入射光的强度成正比。
光子的能量时，电子一次性吸收的能量不足以使之脱离金属，此时光强再大也没有光电流产生。因此产生光电效应的最低频率是，该频率称为截止频率。
3．普朗克常数的测量
将式（2）代入式（1）可得
（3）
此式表明，对于同一种金属而言，电子的逸出功是一定的，截止电压是频率的线性函数，直线斜率，如图2(c)所示。因此，只要用实验方法得出不同的频率光照时对应的截止电压，求出直线斜率，就可算出普朗克常数。
爱因斯坦的光量子理论成功地解释了光电效应规律。
四、实验容与步骤
1．测试前的准备
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（1）将测试仪及汞灯电源接通（汞灯一旦开启不要随意关闭），预热20分钟。
（2）把汞灯及光电管暗箱遮光盖盖上，将汞灯暗箱光输出口对准光电管暗箱光输入口，调整光电管于汞灯距离约30cm并保持不变。
（3）用专用连接线将光电管暗箱电压输入端与测试仪电压输出端（后面板上）连接起来（红-红，黑-黑）。
（4）仪器在充分预热后，进行测试前调零，将“电流倍率”选择开关拨至零点挡位，旋转“调零”旋钮，。将