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实验十五光电效应
实验十五-光电效应
实验十五光电效应和普朗克常数的测定
图l实验原理图
【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.测量普朗克常数h。
【实验原理】
光电效应的实验原理如图1所示。
当入射光照射到光电管阴极K上时,产生的光电子在电场的作用下向阳极A迁移构成光电流,改变外加电压UAK,测量光电流I的大小,即可得出光电管的伏安特性曲线。
1.光电效应的基本特点:
(1)对应于某一频率光的光电效应,I—UAK关系如图2所示。
可见,对一定的频率,存在一电压U0,当UAK≤U0时,电流为零,U0被称为截止电压,它与阴极材料的构成有关。
(2)
当UAK≥U0后,I迅速增加,然后趋于饱和,
(3)
(4)
(5)
克常数h。
爱因斯坦的光量子理论成功地解释了光电效应规律。
1汞灯电源2汞灯3滤色片4光阑5光电管6基座7实验仪
图5仪器结构图
【实验仪器】
ZKY-GD-4智能光电效应实验仪
【实验内容】
1.测试前准备
将实验仪及汞灯电源接通(汞灯及光电管暗箱遮光盖盖上),预热20分钟。
调整光电管与汞灯距离为约40cm并保持不变。
用专用连接线将光电管暗箱电压输入端与实验仪电压输出端(后面板上)连接起来(红—红,兰—兰)。
将“电流量程”选择开关置于所选档位,进行测试前调零。
实验仪在开机或改变电流量程后,都会自动进入调零状态。
调零时应将光电管暗箱电流输出端K与实验仪微电流输入端(后面板上)断开,旋转“调零”旋钮使电流指示为000.0。
调节好后,用高频匹配电缆将电流输入连接起来,按“调零确认/系统清零”键,系统进入测试状态。
若要动态显示采集曲线,需将实验仪的“信号输出”端口接至示波器的“Y”输入端,“同步输出”端口接至示波器的“外触发”输入端。
示波器“触发源”开关拨至“外”,“Y衰减”旋钮拨至约“1V/格”,“扫描时间”旋钮拨至约“20μs/格”。
此时示波器将用轮流扫描的方式显示5个存储区中存储的曲线,横轴代表电压UAK,纵轴代表电流I。
2.测普朗克常数h
测量截止电压时,“伏安特性测试/截止电压测试”状态键应为截止电压测试状态,“电流量程”开关应处于10-13A档。
(1)手动测量
使“手动/自动”模式键处于手动模式。
将直径4mm的光阑及365.0nm的滤色片装在光电管暗箱光输入口上,打开汞灯遮光盖。
此时电压表显示UAk的值,单位为伏;电流表显示与UAk对应的电流值I,单位为所选择的“电流量程”。
用电压调节键→、←、↑、↓可调节UAK的值,→、←键用于选择调节位数↑、↓键用于调节值的大小。
从低到高调节电压(绝对值减小),观察电流值的变化,寻找电流刚好为零时对应的UAK,以其绝对值作为该波长对应的U0的值,并将数据记于表一中。
为尽快找到U0的值,调节时应从高位到低位,先确定高位的值,再顺次往低位调节。
依次换上404.7nm,435.8nm,546.1nm,577.0nm的滤色片,重复以上测量步骤。
(2)自动测量
按“手动/自动”模式键切换到自动模式。
此时电流表左边的指示灯闪烁,表示系统处于自动测量扫描范围设置状态,用电压调节键可设置扫描起始和终止电压。
对各条谱线,我们建议扫描范围大致设置为:
365nm,-1.90~-1.50V;405nm,-1.60~-1.20V;436nm,1.35~-0.95V;546nm,-0.80~-0.40V;577nm,-0.65~-0.25V。
实验仪设有5个数据存储区,每个存储区可存储500组数据,并有指示灯表示其状态。
灯亮表示该存储区已存有数据,灯不亮为空存储区,灯闪烁表示系统预选的或正在存储数据的存储区。
、
设置好扫描起始和终止电压后,按动相应的存储区按键,仪器将先清除存储区原有数据,等待约30秒,然后按4mV的步长自动扫描,得到I随UAK变化,并显示、存储相应的电压、电流值。
扫描完成后,仪器自动进入数据查询状态,此时查询指示灯亮,显示区显示扫描起始电压和相应的电流值。
用电压调节键改变电压值,就可查阅到在测试过程中,扫描电压为当前显示值时相应的电流值。
读取电流为零时对应的UAK,以其绝对值作为该波长对应的U0的值,并将数据记于表一中。
按“查询”键,查询指示灯灭,系统回复到扫描范围设置状态,可进行下一次测量。
在自动测量过程中或测量完成后,按“手动/自动”键,系统回复到手动测量模式,模式转换前工作的存储区内的数据将被清除。
若仪器与示波器连接,则可观察到UAK为负值时各谱线在选定的扫描范围内的伏安特性曲线。
V直线的斜率k,即可用h=ek求出普朗克常数,并与h的公认值h0比较求出相对误差E=(h-h0)/h0·100%,式中e=1.602×10-19C,h0=6.626×10-34J·S。
3.测光电管的伏安特性曲线
测量时,“伏安特性测试/截止电压测试”状态键应为伏安特性测试状态。
“电流量程”开关应拨至10-10A档,并重新调零。
将直径4mm的光阑及所选谱线的滤色片装在光电管暗箱光输入口上。
测伏安特性曲线可选用“手动/自动”两种模式之一,测量的最大范围为-1~50V,自动测量时步长为1V,仪器功能及使用方法如前所述。
(1)可同时观察5条谱线在同一光阑、同一距离下伏安饱和特性曲线。
记录所测UAK及I的数据到表二中,在座标纸上作对应于以上波长及光强的伏安特.性曲线。
(2)可同时观察某条谱线在不同光阑(即不同光通量)、同一距离下的伏安饱和特性曲线。
由此可验证光电管饱和光电流与入射光强成正比(选做)。
在UAK为50V时,将仪器设置为手动模式,测量并记录对同一谱线、同一入射距离,光阑分别为2mm、4mm、8mm时对应的电流值于表三中,验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比。
(3)可同时观察某条谱线在不同距离(即不同光强)、同一光阑下的伏安饱和特性曲线。
也可在UAK为50V时,将仪器设置为手动模式,测量并记录对同一谱线,同一光阑时,光电管与入射光在不同距离,如300mm、400mm等对应的电流值于表四中,同样验证光电管的饱和电流与入射光强成正比。
【实验数据】
(1)普朗克常数测量
电流测量范围:
10-13A,L=400mm,光阑孔径ϕ=4mm。
波长λ(nm)
365.0
404.7
435.8
546.1
577.0
频率ν(*1014Hz)
8.214
7.408
6.879
5.490
5.196
截止电压U0(V)
-1.772
-1.436
-1.206
-0.658
-0.534
(2)伏安特性测量(饱和曲线测量)
电流测量范围:
10-10A,L=400mm,光阑孔径。
波长λ(nm)
365.0
404.7
435.8
546.1
577.0
电流I(*10-10A)
电压U(V)
0
4.8
1.1
1.3
0.9
0.7
2
14.3
3.2
5.5
2.7
1.5
4
23.0
6.3
9.5
3.8
2.8
6
28.0
7.5
10.8
4.2
3.2
8
33.4
8.4
12.3
4.5
3.3
10
38.4
9.2
13.9
4.9
3.5
12
42.9
10.0
15.4
5.2
3.6
14
47.0
10.8
16.8
5.6
3.7
16
50.9
11.5
18.1
5.9
3.8
18
54.7
12.4
19.4
6.3
4.0
20
58.3
13.2
20.8
6.7
4.3
22
61.8
14.1
22.0
7.0
4.5
24
65.0
14.9
23.1
7.3
4.7
26
68.0
15.6
24.0
7.6
4.8
28
70.5
16.2
24.9
7.8
5.0
30
72.9
16.8
25.6
8.0
5.1
32
75.2
17.2
26.2
8.2
5.2
34
77.3
17.6
26.8
8.4
5.3
36
79.2
18.1
27.3
8.5
5.3
38
81.0
18.4
27.8
8.6
5.4
40
82.7
18.8
28.6
8.8
5.4
42
84.3
19.1
28.8
8.9
5.5
44
86.7
19.4
29.2
9.0
5.5
46
88.1
19.7
29.5
9.1
5.6
48
89.5
20.0
29.9
9.3
5.6
50
90.9
20.3
30.3
9.4
5.6
(3)在波长λ=365nm,L=400mm,U=20V,不通光阑直径下的电流
光阑直径ϕ(mm)
2
4
8
电流I(*10-10A)
17.9
59.8
224
(4)在波长λ=365nm,ϕ=4mm,U=20V,不通距离下的电流
距离L(mm)
300
350
400
电流I(*10-10A)
116.2
82.2
61.0
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- 实验 十五 光电效应