浙江理工大学物理实验中心

1. 浙江理工大学物理实验中心 光电效应测普朗克常数

2. 用光电效应测定普朗克常数

3. 一.实验目的 1.加深了解光电效应的 基本规律。 2.学习用光电效应法测 定普朗克常数的方法。

4. 光照射 光 电 流 二.实验原理 实验现象：一束光照 到金属表面上（称为 阴极），会有电子从 金属内逸出。经阳极 收集，可形成光电流。 阴极 阳极 G V 电源 原理图

5. 实验现象解释的出发点 阴极内部 当 时，无论光强多 强，也无电子逸出。 阴极内部 当 时，即使光强很弱 ，也有电子逸出。 光是一种波 遵从能量守恒定律 无法解释的三个特点： 光电效应 （1）存在着“红限频率” ，照到阴极的光， 若频率 时，无论多强也不 产生光电效应。但频率 时，即便很弱，也能产生光 电效应。 如果光的本质是波，则 光能量与光强成正比，光强 大，则能使电子逸出。

6. 一 束 光 （2）光电效应的瞬时性 如果光电效应是波与 电子的相互作用，电子吸 收波的能量后，从阴极逸 出需一定时间，但事实上 ，光电效应是瞬时发生的。 一 束 光 根据经典理论，电子吸收足 够能量后。才能从金属内逸出。 （3）逸出电子的最大初 动能与入射光频率成正比 。同样表明，光的能量与 光的频率有关。 一经照射，即产生电子。

7. 实验现象解释的新的出发点 光子 能量守恒 爱因斯坦假定，光具有粒子性，光子的能量 。则对实验的三个特点解释为： （1）金属内对电子的吸引，使电子逸出金属表面，需要克服 吸引力作功（电子的逸出功W），若 使电子得到的能 量 ，不会有电子逸出，所以存在着一个频率红限 ，即 。 当 时，才有可能逸出电子。 （2）既然是光子与电子交换能量，和粒子间弹性碰撞一样， 能量的交换是瞬时完成的。 （3）光子能量越大（ ），光与电子相互作用时电子 得到的动能就越大,电子的动能 是光子能量 与逸出功 之差。 即 所以，电子最大初动能与入射光频率成正比。

8. 光电效应测普朗克常数 逸出电子的最大初动能 ，可通过在阴 极、阳极间加一反向电压V， 遏制向阳极飞来的电 子，从而光电流减小。当逐渐升高V反，使光电流恰 好刚等于0，这时的电压为与入射光频率相对应的反 向截止电压V0， 则有 即

9. 用不同频率光照到阴极上 时，（设 等） 通过组合测量有 u1 作 曲线。由 其斜率 确定普 朗克常数值h。 u2 u3

11. 三.实验仪器

12. 四.实验内容及步骤 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（红一红，蓝一蓝）。 （4）将“电流量程”选择开关置于所选档位（截止电压测试为10-13，伏安特性测试为10-10）。 （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“截至电压”测量，“手动”模式。

13. 2．示波器的连接与设置 （1）将实验仪的“信号输出”端口接在示波器的CH1,“同步输出”端口接至示波器的“外触发”输入端。开启电源，示波器“触发源”开关拨至“外”，“触发耦合”开关拨至“交流” （2）调节“Y衰减（VOLTS/DIV）”旋钮，使显示屏左下角指示CH1通道灵敏度约为: 200mv/div～500mv/div 。 （3）调节“扫描时间（TIME/DIV）”旋钮，使显示屏右下角指示Time约为20μs/div 。 （4）待信号输入（测试开始）调节垂直位移旋钮，使波形居中。 （5）待信号输入（测试开始）后，微调触发电平旋钮，使波形清晰、稳定。横轴代表电压UAK，纵轴代表电流I。

14. 3．测量截止电压 （1）将“伏安特性测试／截止电压测试”状态键调为截止电压测试状态。“电流量程”开关应处于×10－13A档。使“手动／自动”模式键处于手动模式。 （2） 将直径4mm的光阑及365mm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，↑、↓键用于调节值的大小，每次调节量为本调节位的一个单位值，最小步长为0.01V调节电压（从-2V到0V），观察电流值的变化，寻找电流为零时对应的UAK，以其绝对值作为该波长对应的U0的值，并将数据记于表中。 （3）按顺序依次换上405mm，436mm，546mm，577mm的滤色片，重复以上测量步骤，分别记录各自的截止电压。

15. 4．光电管伏安特性测试 （1）将“伏安特性测试／截止电压测试”状态键调为伏安特性测试状态。“电流量程”开关应拨至×10－10 A档 ，并重新调零。 （2）将直径4mm的光阑及365mm的滤色片装在光电管暗箱光输入口上，打开汞灯遮光盖。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，用电压调节键设置扫描起始和终止电压为（－1～50V），按动相应的存储区按键，仪器将先消除存储区原有数据，等待约30秒，然后按4mV的步长自动扫描，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。 （2）将直径 （3）按顺序依次换上405mm，436mm，546mm，577mm的滤色片，重复以上测量步骤，分别存储在相应的存储区内。

16. 五．数据处理 1.普朗克常数的测定 测量截至电压数据如表1： 根据表1的数据在坐标纸上作U0～ν直线，得出直线的斜率后求普朗克常数h，与公认值h0比较求相对误差。

17. 2.光电管伏安特性测试： Φ＝4mm， λ1＝ λ2＝ 选择两组数据在坐标纸上作UAK～I关系曲线。

18. 六．注意事项 １．滤色片是经精选和精加工的，更换时注意避免污染。 ２．更换滤色片时应先将光源出射孔遮盖，实验完毕后应用遮光罩盖住暗盒光窗，以免强光照射阴极缩短光电管寿命。 ３．测量放大器须充分预热，测量才能准确。 4 ．汞灯关闭后要等冷却后，才可以再次打开。

19. 七.光电效应的应用 • 光电管：玻璃泡里的空气已经抽出，有的管里充有少量的惰性气体（如氩、氖、氦等）管的内半壁涂有逸出功小的碱金属作为阴极K。管内另有一阳极A。光电管不能受强光照射，否则容易老化失效。 光控继电器：工业生产中的大部分光电控制设备都用光控继电器．它由电源、光电管、放大器、电磁继电器几部分组成。（当光照射光电管时，光电管电路中便产生电流，经放大器放大后，使电磁铁M磁化，把衔铁N吸住；没有光照射光电管时，电路中没有电流，衔铁N在弹簧的作用下就自动离开M．如果把衔铁N跟控制机构相连，就可以达到自动控制的目的。） • 太阳电池、光电探测器：(包括各种光敏二极管、光敏三极管和一些光敏晶体管) ： PN结光伏效应：是指半导体吸收光能在PN结区产生电动势的效应

20. 收获在于努力！