26光电效应(修改)教案

实验26光电效应测定普朗克常数一、教学目的：1．通过光电效应实验加深对光的量子性的了解。2．验证Enstein方程，并测定Planck常数。二、重点与难点：重点：获得单色光、测得光电管的伏安特性曲线和确定遏止电位差值。难点：准确合理地找出各选定波长的入射光的截止电压。三、实验教学内容及学时分配：1、单色仪的参数波长范围200-800nm狭缝固定宽度0.3mm波长精度±1nm波长重复性±0.5nm2、测量光电管的伏安特性四、教学方法：先由教师先讲解实验内容、目的、原理及实验注意事项，然后在教师指导下分组实验。五、教学过程设计：实验背景自古以来，人们就试图解释光是什么，到17世纪，研究光的反射、折射、成象等规律的几何光学基本确立。牛顿等人在研究几何光学现象的同时，根据光的直线传播性，认为光是一种微粒流，微粒从光源飞出来，在均匀物质内以力学规律作匀速直线运动。微粒流学说很自然的解释了光的直线传播等性质，在17、18世纪的学术界占有主导地位，但在解释牛顿环等光的干涉现象时遇到了困难。1856年-1865年，麦克斯韦建立了电磁场理论，指出了光是一种电磁波，光的波动理论得到确立。1887年赫兹在用两套电极做电磁波的发射与接收的实验中，发现当紫外光照射到接收电极的负极时，接收电极间更易与产生放电，赫兹的发现吸引许多人去做这方面的研究工作。光电效应的实验规律与经典的电磁理论是矛盾的，按经典理论，电磁波的能量是连续的，电子的接受光的能量获得动能，应该是光越强，能量越大，电子的初速度越大；实验结果是电子的初速与光速无关；按经典理论，只要有足够的光强和照射时间，电子就应该获得足够的能量逸出金属表面，与光波频率无关；实验事实是对于一定的金属，当光波频率高于某一值时，金属一经照射，立即有光电子产生；当光波频率低于该值时，无论光强多强，照射时间多长，都不会有光电子产生。光电效应使经典的电磁理论陷入困境，1900年，普朗克在研究黑体辐射问题时，先提出了一个符合实验结果的经验公式，为了从理论上推导出这一公式，他采用了玻尔兹曼的统计方法，假定黑体内的能量是由不连续的能量子构成，能量子的能量为hv。能量子的假说具有划时代的意义，但是无论是普朗克本人还是他的许多同时代人当时对这一点都没有充分认识。爱因斯坦以他惊人的洞察力，最先认识到量子假说的伟大意义并予以发展，1905年，在其著名论文《关于光的产生和转化的一个试探性观点》中写道：“在我看来，如果假定光的能量在空间的分布是不连续的，就可以更好的理解黑体辐射、光致发光、光电效应以及其他有关光的产生和转化的现象的各种观察结果。根据这一假设，从光源发射出来的光能在传播中将不是连续分布在越来越大的空间之中，而是由一个数目有限的局限于空间各点的光量子组成，这些光量子在运动中不再分散，只能整个的被吸收或产生”。作为例证，爱因斯坦由光子假设得出了著名的光电效应方程，解释了光电效应的实验结果。爱因斯坦的光子理论由于与经典电磁波抵触，一开始受到怀疑和冷遇。一方面是因为人们受传统观念的束缚，另一方面是因为当时光电效应的实验精度不高，无法验证光电效应方程。密立根从1904年开始光电效应实验，历经十年，用实验证实了爱因斯坦的光量子理论。两位物理大师因在光电效应等方面的杰出贡献，分别于1921年和1923年获得诺贝尔物理学奖。密立根在1923年的领奖演说中，这样谈到自己的工作：“经过十年之久的实验、改进和学习，有时甚至还遇到挫折，在这以后，我把一切努力针对光电子发射能量的精密测量，测量它随温度，波长，材料改变的函数关系。与我自己预料的相反，这项工作终于在1914成了爱因斯坦方程在很小的实验误差范围内精确有效的第一次直接实验证据，并且第一次直接从光电效应测定普朗克常数h”。光量子理论创立后，在固体比热、辐射理论、原子光谱等方面都获得成功，人们逐步认识到光具有波动和粒子二象属性。光子的能量E=hr与频率有关，当光传播时，显示出光的波动性，产生干涉、衍射、偏振等现象；当光和物体发生作用时，它的粒子性又突出了出来。后来科学家发现波粒二象性是一切微观物体的固有属性，并发展了量子力学来描述和解释微观物体的运动规律，使人们对客观世界的认识前进了一大步。牛顿-------麦克斯韦-------赫兹-------普朗克-------爱因斯坦------密立根17世纪19世纪1887年20世纪初（诺贝尔物理学奖）光是一种微粒流电磁场理论电磁波的发射与接收研究黑体辐射问题时，最先认识到量子假说历经十年，解释了光的直线光是一种电磁波发现当紫外光照射到假定黑体内的能量是的伟大意义，由用实验证实了传播等性质电磁波的能量接收电极的负极时，由不连续的能量子构成，光子假设得出了爱因斯坦的是连续的接收电极间更易与产生放电能量子的能量为hv著名的光电效应方程光量子理论六、实验器材YJP-1普朗克常数测定实验装置各器件安装在一个700×150×60mm的工作台上（在箱体内部有DC12V稳压电源和AC220V/8V变压器）。图2.15.1表示实验装置的光电原理。光源：12V，75W卤钨灯；风扇：DC12V，0.17A，供光源散热用；聚光器：由f’=50mm和f’=70mm两个透镜组成；单色仪：1型，光栅式；光电管：GD31A型；直流稳压电源：±1.8V，用数字电压表；测量放大器：为电流放大，4档倍率转换，磁电式100μA电流计。卤钨灯S发出的光束经透镜L会聚到单色仪M的入射狭缝上，从单色仪出射狭缝发出的单色光投射到光电管PT的阴级金属板K，释放光电子（发生光电效应），A是集电级（阳极）。由光电子形成的光电流经放大器AM放大后可以被微安表测量。S：卤钨灯；L：透镜；M：单色仪；G：光栅；PT：光电管；AM：放大器七、实验原理当一定频率的光照射到某些金属表面时，可以使电子从金属表面逸出，这种现象称为光电效应，所逸出的电子称为光电子。光电效应是光的经典电磁理论所不能解释的。1905年，Entein依据Planck的能量子假说提出了光子的概念，使光电效应所有的实验结果得以圆满解释。他认为光是一种粒子（即光子），频率为的光子具有能量hE，当金属中的电子吸收一个频率为的光子时，便获得能量h，如果该能量大于电子摆脱金属表面约束所需要的逸出功A，电子就会从金属中逸出。根据能量导恒定律有：AmVhmax221（26-1）图26.1普朗克常量实验装置光电原理上式称为Enstein方程，其中m,Vmax是光电子的质量和最大速度，1/2mV2maz是光电子逸出表面后所具有的最大功能。如果光子能量h小于A时，电子不能逸出金属表面，从而没有光电效应产生；产生光电效应的最低频率0=A/h，称为光电效应的截止频率（又称红限）。不同金属有不同的截止频率，因为它们的逸出功各不相同。对于Enstein的假说，R.A.密立根从1905年Enstein的论文问世后经过十年左右艰苦卓绝的工作，1916年发表详细的实验论文，证实了Enstein方程，并精确测出了Planck常数。A.Enstein和R.A密立根都因光电效应等方面的贡献，分别于1921年和1923年获得诺贝尔奖金。按照R.A.密立根实验思路，要求精确测定光电子最大动能和入射光频率之间的关系。实验采用图26.1所示的原理。用不同频率的单色光照射光电管阴极K，用“减速电位法”测定阴极发射光电子的最大动能：当阳极A的负电位较小时，光电子损失一部分功能后，仍然可以达到阳极，形成的光电流由微电流测试仪G测出。阳极的负电位逐渐增大，光电流会随之变小；当阳极Ａ的负电位增大到某一值时，使动能最大的光电子刚好不能克服减速电场到达阳极，光电流降为零（如图6.2所示），这时有关系式：ceUmV2max21(26-2)这个使光电流刚刚降为零的电压Uc称为截止电压。由此，方程（26-1）可改写成：AheUc即eAehUc（26-3）它表示UC与间存在线性关系，其斜率等于h/e，因而可以从对UC与的数据分析中求出Planck常数。图26.2实验原理图图26.3一定频率光下Ｉ－Ｕ曲线光电效应实验验证Enstein方程，测定Planck常数，原理比较简单，但实际工作需要排除一些干扰，才能获得具有一定精度并且可以重复的结果。主要的影响因素有：1．暗电流：光电管在没有受到光照时也会产生电流，称为暗电流，主要来自光电管极的热电子发射。2．反向电流：光电管的两极材料不同，在工业制作过程时，阳极A往往溅有阴极材料。当光射到A上时，阳极A往往也有电子发射；此外来自阴极的电子也有被阳极表面反射的可能。当对阴极电子加负压使之减速时，对来自阳极的电子却起了加速的作用，从而使之到达阳极，形成反向电流。由于上述因素的干扰，实测光电效应为阴极电流、暗电流和反射电流之和（图26.3）。由于反向电流和暗电流的存在，使得截止电压的测定变得困难。对于不同的光电管，应根据I-U曲线的特点，选用不同的方法确定截止电压。这里介绍一种较为简单确定截止电压的方法。本实验选取的GD31A型光电管，在截止电压附近阳极光电流上升很快，从I-U曲线中找出电流开始变化的“抬头点”，用来确定截止电压Uc。实验中一般采用切线交会法，即将变化缓慢的暗电流和反向电流的切线与光电流上升得快曲线的切线相交，对应的反向电压即为截止电压Uc。八、实验内容1.接通卤钨灯电源，松开聚光器紧定螺丝，伸缩聚光镜筒，并适当转动横向调节纽，使光束会聚到单色仪的入射狭缝上。2.单色仪的调节（1）单色仪的参数图26.4实测I-U曲线波长范围200-800nm狭缝固定宽度0.3mm波长精度±1nm波长重复性±0.5nm（2）将光电管前的挡光板置于挡光位置。转动波长读数鼓轮（螺旋测微器），观察通过出射缝到达挡光板的从红到紫的各种单色光斑，直到波长度数鼓轮转到零位置，挡光板上出现白光。可能发生的零位偏差，实验读数中应予以修正。（3）单色仪输出的波长示值是利用螺旋测微器读取的。如图26.6所示，读数装置的小管上有一条横线，横线上下刻度的间隔对应着50nm的波长。鼓轮左端的圆锥台周围均匀地划分成50个小格，每小格对应1nm。当鼓轮的边缘与小管上的“0”刻线重合时，单色仪输出的是零级光谱。而当鼓轮边缘与小管上的“5”刻线重合时，波长示值为500nm。4、切断“放大测量器”的电源，接好光电管与放大测量器之间的电缆，再通电预热20-30min后，调节该测量放大器的零点位置。3.测量光电管的伏安特性图26.5WGD-100小型光栅单色仪图26.6单色仪的读数装置（1）取下暗盒盖，让光电管对准单色仪出射狭缝（缝宽仍取较窄一档），按上述螺旋测微器与波长示值的对应规律，在可见光范围内选择一种波长输出，根据微安表指示，找到峰值，并设置适当的倍率按键；（2）调节“放大测量器”的“旋钮1”可以改变外加直流电压。从－1V起，缓慢调高外加直流电压，先注意观察一遍电流变化情况，记住使电流开始明显升高的电压值；（3）针对各阶段电流变化情况，分别以不同的间隔施加遏止电压，读取对应的电流值。在上一步观察到的电流起升点附近，要增加监测密度，以较小的间隔采集数据（电流转正后，可适当加大测试间隔，电流可测到90×10-9A为止）；（4）陆续选择适当间隔的另外5--7种波长光进行同样测量，列表记录数据。注意事项：1.GD-31A型光电管属高灵敏度光电管，但产品个体之间灵敏度可能会有较大差别，其中该指标较低的光电管，不同频率单色光的几条伏安特性曲线容易靠得太近。这时可在一张35×25cm格纸上分作两图，使曲线间有适当距离。2.测微电流时必须确认表针停稳后才可以读数。3.实验中要注意可能出现的微电流计指针的漂移现象。遇短时间的漂移，实验可暂停片刻；对数据有较大影响时，部分测量可以重做；若电网电压波动较大，卤钨灯宜配接交流稳压器。九、实验数据记录与处理1.选择400-550nm之间适当间隔的任意波长作伏安特性曲线，将测量数据记录于表26.1中。表26.1伏安特性数据记录表序号λ1/nmλ2/nmλ3/nmλ4/nmλ5/nmV/vI/uAV/vI/uAV/vI/uAV/vI/