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1、光电效应实验郑州大学物理实验中心郑州大学物理实验中心 薛新莲薛新莲 当一定频率的光照射到某些金属表面上时当一定频率的光照射到某些金属表面上时，可以使电子从金属表面逸出，这种现象称可以使电子从金属表面逸出，这种现象称为为光电效应光电效应，所产生的电子称为光电子。，所产生的电子称为光电子。1887年赫兹发现了光电效应。年赫兹发现了光电效应。背景介绍 爱因斯坦（爱因斯坦（Albert Einstein,1879-1955Albert Einstein,1879-1955）因在理论物理方面的成就，尤其是发现了光电效因在理论物理方面的成就，尤其是发现了光电效应的规律，获得了应的规律，获得了1921192
2、1年度的诺贝尔物理学奖。年度的诺贝尔物理学奖。A.爱因斯坦爱因斯坦 密立根（密立根（Robert Andrews Millikan,1868-Robert Andrews Millikan,1868-1953)1953)因对基本电荷和光电效应的研究，获得了因对基本电荷和光电效应的研究，获得了19231923年度的诺贝尔物理学奖。年度的诺贝尔物理学奖。R.密粒根密粒根通过对实验现象的观测和分析，了解光电效应的规律和光的量子性。观测光电管的弱电流特性，找出不同光频率下的截止电压。了解光的量子性理论与波动理论，并验证爱因斯坦方程进而求出普朗克常数。实验目的光电效应实验原理图 光线照在光电管阴极K上（
3、如右图所示），便有电子逸出-光电子，光电子在电场作用下形成光电流，并且光照越强，光电流越大。在阴极K与阳极A之间加反向电场，则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。实验原理光电效应的实验规律饱和光电流与入射光强成正比；(频率相同）光电效应存在一个截止频率0，当入射光的频率 0 时，不论光的强度如何都没有光电子产生；光电子的初动能与光强无关，而与入射光的频率成正比；只要 0，无论光强如何，都会立即引起光电子发射。光子光子-爱因斯坦方程爱因斯坦方程爱因斯坦方程爱因斯坦方程光子的能量为光子的能量为（1 1）“光量子光量子”假设：假设：爱因斯坦受普朗克量子假设的启发，提出了光量子假设。爱因斯坦受普朗克
4、量子假设的启发，提出了光量子假设。（2 2）解释实验解释实验 对同一种金属，对同一种金属，W 一定一定，EK 与光强无关与光强无关爱因斯坦光量子理论圆满地解释了光电效应的各条实验规律。爱因斯坦光量子理论圆满地解释了光电效应的各条实验规律。逸出功与逸出功与材料有关材料有关当光子照射金属时，金属中的电子全部吸收光子的能量当光子照射金属时，金属中的电子全部吸收光子的能量hv，电子把光子能量的一部分变成它逸出金属表面所需的功电子把光子能量的一部分变成它逸出金属表面所需的功W，另一部分转化为光电子的动能另一部分转化为光电子的动能截止电压、截止频率 当 K、A 间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达
5、到某一值 Us 时，光电流恰为0。Us称反向截止电压。光电子动能转换成电势能。截止电压的大小反映光电子初动能的大小。根据爱因斯坦方程，只有当 hW 才会有光电子发射，即截止频率为0=W/h（0值随金属种类不同而不同）。实验中可用不同频率的入射光照射，分别找到相应的遏止电压Us，就可作出Us-的实验直线，此直线的斜率就是 。另外该直线与坐标横轴的交点，又可以求出光电阴极的截止频率 0。由爱因斯坦方程及截止频率截止电压定义式可得出Us与入射光频率 成直线关系。实际测量的光电管伏安特性曲线如下图所示。这是由于在实验进行时，光电管中还伴有三个现象，反向电流、暗电流和本底电流。曲线的下部转变为直线，转变
6、点B(抬头点)对应的外加电压值才是截止电压。GGQ50WHgGGQ50WHg高压汞灯高压汞灯高压汞灯高压汞灯 GDhGDh11型光电管型光电管型光电管型光电管 THQPC1THQPC1型微电流测试仪型微电流测试仪型微电流测试仪型微电流测试仪 实验仪器实验仪器实验步骤 按照光源、光电管暗盒和微电流测试仪的顺序将仪器安放在适当位置。将测定仪的“电流输入”端和“电压输出”端用屏蔽线与光电管暗盒上的“K”和“A”端连接。将光源上出光孔和暗盒上入光孔分别用挡光盖盖上，电源开关打开，让汞灯预热5分钟以上，然后再打开微电流测试仪电源开关预热20-30分钟。充分预热后，先调整零点，后校正满度（即100微安），
7、测量放大器“倍率”旋钮置10-11档。让光源出光孔与暗盒入光孔水平对准，二者间距取35-45cm并选用直径为5mm,10mm,20mm中的任意一个孔光栅。先选择短波通光片，电流测试仪上输出电压调为5V调起，缓慢增加先观察一遍不同滤色片下的电流变化情况，记下电流明显变化的电压值以便精确测量。在粗测的基础上进行精确测量记录。由短波到长波逐次换上五种不同波长的通光片，这样可记5组IU值，注意测量点应合理分配。并记录入表格，读数时在电流开始变化的地方多读几个值。较为准确地找出抬头点。数据处理数据处理一、根据测量数据在坐标纸上绘制不同波长的光照射下光电在坐标纸上绘制不同波长的光照射下光电管的管的IU伏安特性曲线，由此确定5种不同频率的照射光所对应截止电压值。二、作出 的实验直线，求此直线的斜率k；据此求出普朗克常数 hek（与公认值进行比较，计算相对不确定度）求该直线与横轴的交点即截止频率 。波波长长/nm/nm频频率率/Hz/Hz特性曲特性曲线线 截止截止电压电压 /v/v365.0365.0U/vU/vI/10I/10-11A404.7404.7U/vU/vI/10I/10-11A435.8435.8U/vU/vI/10I/10-11A546.1546.1U/vU/vI/10I/10-11A577.0577.0U/vU/vI/10I/10-11A参考表格：参考表格：