光电效应实验不确定度

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大学物理实验光电效应测普朗克常数课后问题解答
篇一:光电效应实验不确定度

光电效应测普朗克常数

1.简述爱因斯坦光电效应方程的物理意义

E=hv-W

一束光打到一块金属上，光的；频率是v ，我们知道 hv 是一个光子的能量，即这束光的最小的能量，金属中电子要摆脱原子核的束缚飞出金属表面就需要吸收能量，及吸收一个光子，但是如果光子的能量不足以让电子飞出金属表面，电子式飞不出来的，我们就没看到有光电子。若是能量大于所需能量（即逸出功W），就可以发生光电效应（更确切的说是外光电效应，还有一个就是内光电效应，即吸收了光子发生跃迁，没有脱离金属），并且多余的能量转化为光电子的动能，即E

2.举例说明光电效应的应用

利用光电效应可以把光信号转变为电信号，动作迅速灵敏，因此利用光电效应制作的光电器件在工农业生产、科学技术和文化生活领域内得到了广泛的应用．光电管就是应用最普遍的一种光电器件．

光电管的类型很多．图7-3甲是其中的一种．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.使用时照图7-3乙那样把它连在电路里，当光照射到光电管的阴极K时，阴极发射电子，电路里就产生电流．光电管不能受强光照射，否则容易老化失效．光电管产生的电流很弱，应用时可以用放大器把它放大．

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．图7-4是光控继电器的示意图．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．

光控继电器在工业上可以用于产品的自动计数、安全生产等方面．用于自动计数时，可以把产品放在传送带上，光源和光电管分别放在传送带的两侧，每当传送带上输送过去一个产品时，光线被挡住一次，光控继电器就放开衔铁一次，由衔铁控制的计数器的数字就加一．工人在冲床、钻床、锻压机械上劳动时，如有不慎，容易出事故．为保证安全，可以在这些机床上安装光控继电器．当工人不慎将手伸入危险部位时，由于遮住了光线，光控继电器就立即动作，使机床停下来，避免事故的发生．

有声电影 最早的电影是没有声音的．后来虽然有了声音，但那是靠留声机来配合影片播放的．声和影配合不好时，效果当然不好．我们现在能够看到声和影完全配合一致的有声电影，还是多亏了光电管．

影片摄制完后，要进行录音．录音时通过专门的设备使声音的变化转变成光的变化，从而把声音的“像”摄制在影片的边缘上，形成宽窄变化的暗条纹，这就是影片边上的音道．放映电影时，利用光电管把“声音的照片”还原成声音．方法是：在电影放映机中用强度不变的极窄的光束照射音道，由于影片上各处的音道宽窄不同，所以在影片移动的过程中，通过音道的光的强度也就不断变化；变化的光射向光电管时，在电路中产生变化的电流，把电流放大后，通过喇叭就可以把声音放出来．

3.何谓电子逸出功

电子克服原子核的束缚,从材料表面逸出所需的最小能量,称为逸出功。

4.本实验能否决定该金属逸出功

可以，减速电位法，用能量守恒定律

但是一部分被吸收，一部分逸出，你测得的只是逸出功率

但是这只能做参考，因为测量存在不确定度，变量很多，你无法精确控

5.滤光片位置于光源窗口还是光电管窗口

光电管窗口

华科物理实验光电效应实验报告
篇二:光电效应实验不确定度

实验4.3光电效应和普朗克常数的测量

1887年德国物理学家H.R.赫兹发现电火花间隙受到紫外线照射时会产生更强的电火花。赫兹的论文《紫外光对放电的影响》发表在1887 年《物理学年鉴》上。论文详细描述了他的发现。赫兹的论文发表后，立即引起了广泛的反响，许多物理学家纷纷对此现象进行了研究，用紫外光或波长更短的X光照射一些金属，都观察到金属表面有电子逸出的现象，称之为光电效应。

对光电效应现象的研究，使人们进一步认识到光的波粒二象性的本质，促进了光量子理论的建立和近代物理学的发展，现在光电效应以及根据光电效应制成的各种光电器件已被广泛地应用于工农业生产、科研和国防等各领域。

【实验目的】

① 通过实验加深对光的量子性的认识；

② 验证爱因斯坦方程，并测量普朗克常数以及阴极材料的“红限”频率。

【实验原理】

一、光电效应及其实验规律

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，这种现象称为光电效应，所产生的电子称为光电子。

研究光电效应的实验装置如图4.3.1所示，入射光照射到阴极K时，由光电效应产生的光电子以某一初动能飞出，光电子受电场力的作用向阳极A迁移而构成光电流。一定频率的光照射阴极K所得到的光电流I和两极间的电压U的实验曲线如图4.3.2所示。随着光电管两端电压的增大,光电流趋于一个饱和值Im，当U≤US时，光电流为零，US称为反向遏止电压。

US

图4.3.1光电效应实验装置示意图

图4.3.2 U——I特性曲线

U

总结所有的实验结果，光电效应的实验规律可归纳为：

（1） 对于一种阴极材料，当照射光的频率确定时，饱和光电流Im的大小与入射光的强度

成正比。

（2） 反向遏止电压US的物理含义是：当在光电管两端所加的反向电压为US时，则逸出

金属电极K后具有最大动能的电子也不能到达阳极A，此时

eUS

12mVmax （4.3.1） 2

实验得出光电子的初动能与入射光的强度无关，而只与入射光的频率有关。 （3） 光电效应存在一个阈频率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。

（4） 光电效应是瞬时效应，只要照射光的频率大于0，一经光线照射，立刻产生光电子，

响应时间为10s。

对于这些实验事实，经典的波动理论无法给出圆满的解释。按照电磁波理论，电子从波阵面连续地获得能量。获得能量的大小应当与照射光的强度有关，与照射的时间长短有关，而与照射光的频率无关。因此对于任何频率的光，只要有足够的光强度或足够的照射时间，总会发生光电效应。这些结论是与实验结果直接矛盾的。 二、爱因斯坦方程和密立根实验

1905年爱因斯坦受普朗克量子假设的启发，提出了光量子假说，即：一束光是一粒一粒以光速C运动的粒子流，这些粒子称为光子，光子的能量为Eh（h为普朗克常数，

。当光子照射金属时，金属中的电子全部吸收光子的能量h，电子把光子为光的频率）

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，即：

9

h

12mVmaxW （4.3.2） 2

34

式中: h—普朗克常数，公认值为6.6291610JS

这就是著名的爱因斯坦光电效应方程。

根据这一理论，光电子的能量只决定于照射光的频率，并与之成线性关系。由（4.3.2）式可见,只有当hW时,才会有光电子发射,我们把Wh记作0,即 0

W

（4.3.3） h

这就是说0是能发生光电效应的入射光的最小频率，显然它的值随金属种类不同而不同,又称“红限”频率。

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。

爱因斯坦的光子理论由于与经典电磁理论抵触，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，1912-1915年间，密立根对一些金属进行测量，得出了光电子的最大动能

12

和入射光频mVmax

2

0图4.3.3

率之间的严格线性关系（图4.3.3），直线在横轴上的交点

0，

说明照射光的频率小于0时不会有光电子发射。不同的金属其0值不同，但所有的金属直线的斜率却是不变的。密立根于1916年发表论文证实了爱因斯坦方程的正确性，并直接运用光电方法对普朗克常数h作了首次测量。

历经十年，密立根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和1923年获得诺贝尔物理学奖。

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h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。

三、普朗克常数的测量原理

根据爱因斯坦光电效应方程（4.3.2）式、截止电压US与光电子的最大初动能的关系（4.3.2）式以及“红限”频率0与逸出金属表面所需的功W之间的关系（4.3.3）式，可得到：

（4.3.4）

此式表明截止电压US是频率的线性函数，相应的曲线如图4.3.4所示，可知US直线的斜率为：

k

h

（4.3.5） e

US直线的延长线对纵轴的截距为

U0

W

（4.3.6） e

图4.3.4照射光频率与

截止电压的关系

US直线与横轴的交点为阴极材料的“红限”频率0。

综上所述，通过用不同频率的光照射阴极，测得相应的截止电压，得出US关系，即可求得h、0、W。

四、影响准确测量截止电压的因素

测量普朗克常数h的关键是正确的测出截止电压US，但实际上由于光电管制作工艺等原因，给准确测定截止电压带来了一定的困难。实际测量的光电管伏安特性曲线与理论曲线有明显的偏差，引起这种偏差的主要原因有：

（1）在无光照时，也会产生电流，称之为暗电流。它是由阴极在常温下的热电子发射形成的热电流和封闭在暗盒里的光电管在外加电压下因管子阴极和阳极间绝缘电阻漏电而产生的漏电流两部分组成。

（2）受环境杂散光影响形成的本底电流。

（3）由于制作光电管时阳极上往往溅有阴极材料，所以当光照射到阳极上和杂散光漫射到阳极上时，阳极上往往有光电子发射。形成阳极反向电流。 其中以漏电流和阳极反向电流影响最大。 由于上述原因，实际测量的光电管伏安特性曲线如图4.3.5所示。实验曲线在负电压区

。 下沉，截止电压并不对应光电流为零，而对应反向电流开始趋于常量的点（拐点）US

【实验仪器】

ZKY-GD-3型光电效应实验仪结构如图4.3.6所示。仪器由汞灯及电源，滤色片，光阑，光电管、测试仪组成，测试仪的调节面板如图4.3.7所示。

图4.3.6 ZKY-GD-3光电效应实验仪结构示意图

图4.3.7 仪器前面板示意图

（1） 高压汞灯：在其发光的光谱范围内较强的谱线有365.0nm、404.7nm、435.8nm、

546.1nm、577.0nm。

（2） 滤光片：仪器配有五种带通型滤光片, 其透射波长为365.0 nm、404.7 nm、435.8 nm、

546.1 nm、577.0nm 。使用时，将滤光片安装在接收暗盒的进光窗口上，以获得所需要的单色光。

（3） 光阑：仪器配有孔径分别为2mm、4mm、8mm的光阑供实验选择。 （4） 光电管：阳极为镍圈，阴极为银-氧-钾（Ag-O-K），光谱响应范围 320 ~ 700nm，暗

-12

电流：I ≤2×10A（-2 V≤UAK≤0 V）。

（5） 测试仪：它包括光电管工作电源和微电流放大器两部分。

光电管工作电源：2档，－2～0V，－2～＋30V，三位半数显，稳定度≤0.1%

-8-13-13

微电流放大器：6档，10—10A，分辨率10A，三位半数显，稳定度≤0.2%

【实验内容】

测试前准备 （1）把汞灯及光电管暗盒遮光盖盖上，将汞灯暗盒光输出口对准光电管暗盒光输入口，调整光电管与汞灯距离为约40cm并保持不变。将测试仪及汞灯电源接通，预热20分钟。（汞灯一旦开启，不要随意关闭！）

-12

（2）测试仪调零：将“电流量程”选择开关置于10A档位，仪器在充分预热后，进行测试前调零。调零时，将“调零/测量”切换开关切换到“调零”档位，旋转“电流调零”旋钮使电流指示为“000”。调节好后，将“调零/测量”切换开关切换到“测试”档位，就可以进行实验了。

注意：在进行每一组实验前， 必须按照上面的调零方法进行调零，否则会影响实验精度。

1.测量普朗克常数h、“红限”频率0

（1）用零电流法测定h和0

由于光电管的阳极反向电流、暗电流、本底电流及极间接触电位差等因素的影响，实测电流为零时对应的光电管的电压并非截止电压US，而对应于U—I实验曲线反向电流开始趋于常量的点（拐点）US，因此，通过实验测量光电管的伏安特性，根据U—I实验曲线分

光电效应测普朗克常数思考题
篇三:光电效应实验不确定度

一、光电效应的定义

电子在光的作用下从某些物质表面发射出来的现象称为光电效应。逸出来的电子称为光电子。

光电效应分为内光电效应和外光电效应。内光电效应是指被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生电动势的现象。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。外光电效应是指被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现象。

单光子的光电效应是指某一时刻物质表面的每个电子只吸收一个光子，这也是通常所说的光电效应。如果单位体积内同时相互作用的能量子的数目大到使得发射光的能量子可以从几个入射能量子中取得能量，即一个电子可以同时吸收两个及两个以上的光子，就称为多光子的光电效应。在此情况下，光电效应的规律有相应的变化：

1. 光电流与入射光强的n次幕成正比，而不限于线性关系；

2. 入射光强决定能否产生n光子光电效应，由推广的爱因斯坦光电效应方程EmaxnhA可知，它对光电子的最大动能是有影响的；

3. 红限（极限频率）已经失去原有的意义，在原来单光子的光电效应下，钠、金、银、钨、镍等需用绿蓝光（甚至紫外光）才能产生光电效应，现在红色（甚至红外）的激光都能使这些金属产生光电效应。

电光效应是指将物质置于电场中时，物质的光学性质发生变化的现象。比如某些各向同性的透明物质在电场作用下显示出光学各向异性，物质的折射率因外加电场而发生变化。电光效应包括泡克耳斯效应和克尔效应。

二、光电效应可以测普朗克常数的原理

爱因斯坦光电效应方程为

h1

2mv0A 2 (1)

式中，A为金属的逸出功，mv02为光电子获得的初始动能。 21

根据该式，入射到金属表面的光频率越高，逸出的光电子动能越大，所以即使光电管阳极电势低于阴极电势时也会有光电子到达阳极形成光电流，直至两极电势差低于截止电压，光电流才为零。此时有关系

eU012 mv0 (2)2

将(2)式代入(1)式可得

eU0hA

即

U0heA

e

上式表明截止电压U0是入射光频率的线性函数，直线斜率kh/e。只要

用实验方法得出不同频率对应的截止电压，求出直线斜率，就可以算出普朗克常数h。

三、普朗克常数的重要性

1900年普朗克为了解释黑体辐射实验，引入了能量交换量子化的假说：h。其中普朗克常数h的意义是，量子化的量度，即它是不连续性（分立性）程度的量度单位。普朗克常数的重要性如下。

1. 普朗克常数是量子力学的基石与灵魂

纵观量子理论，普朗克常数h是其基石与灵魂。只有与它携手，才能跨入量子物理的大门。只要跨入量子理论的大门，就随处可以看到它的身影。从经典物理到量子物理，这是质的飞跃。在发生这种质的飞跃中，普朗克常数h起到了至关重要的作用。量子力学是诞生于二十世纪的伟大理论，它与相对论共同构成了新物理学的辉煌。伴随着量子论的建立，普朗克常数h登上了现代物理学的舞台，并从此成为量子理论的基石。可以设想，如果没有普朗克常数h，量子力学是无法建立的。无论是海森堡、狄拉克创立的矩阵形式的量子力学，还是德布罗意、薛定谔创立的波动形式的量子力学，普朗克常数都起到了基石与灵魂的作用。

1925年，德国物理学家海森堡根据“原子理论应当基于可观测量”的思想，指出与物理学可观测量密切相关的在于两个玻尔轨道，而不是一个轨道。如果每个可观测量与两个因素有关，要将两个因素决定的某种性质的一组量整体表述出来，这正是数学中的矩阵。将物理学中的可观测量作为矩阵中的元素，将每个元素与两个轨道（确切地说是两种状态）相联系，从而建立一个力学变量与一个矩阵的关系，这正是海森堡建立描述微观粒子行为的矩阵力学的基本思想。

矩阵运算不满足乘法交换律。然而，通常的动力学变量却不具备这一性质。

要将矩阵力学与已有的动力学理论相协调，必须找到它们之间的变换关系。奇妙的是此前一百多年哈密顿建立的动力学方程对此可以发挥作用。海森堡发现，只要将哈密顿形式的力学方程中出现的泊松括号作如下变换

a,babba

ih2

所得到的动力学方程则服从非交换性。这就是说，有了上述变换，一切已有的动力学模型都能得到对应的海森堡矩阵力学模型。

按照哈密顿动力学理论，任何一个动力学变量u有如下方程

du

dtu,H

H是哈密顿力学理论中的总能量。结合泊松括号的变换，可以得到

du

dtuHHu

ih2

这样就建立了所有动力学方程与海森堡矩阵力学的对应关系。

由此可见，海森堡是通过泊松括号的变换将普朗克常数h引入，从而建立了矩阵形式的量子力学理论。在这种变换中普朗克常数h起了至关重要的作用。

作为另一种形式的量子力学理论是同年奥地利物理学家薛定谔在德布罗意物质波理论基础上建立起来的波动力学。德布罗意提出的波函数概念建立了波与粒子的联系。按照德布罗意的思想，与微观粒子状态想联系的是波函数，波函数

然(x,y,z,t)模的平方(x,y,z,t)与粒子t时刻出现在(x,y,z)处的几率相对应。

而，德布罗意的理论仅仅适用于不受任何力作用的自由粒子，尚不是一种普遍的理论。薛定谔接受了德布罗意的思想，研究了电场、磁场对粒子作用下的普遍情况，从而发展了这一理论。在薛定谔所建立的波动力学理论中，一个关键性的环节是引入了算符对波函数(x,y,z,t)的作用。

引入动量算符P与能量算符E

Pih

2

ih2 E2t

从而得到波函数随时间变化的规律，即薛定谔方程

ih

2th2

28mu(r) 2光电效应实验不确定度。

i

xj

yk

z

这样就建立了波动形式的量子力学基本方程。

由此可见，薛定谔是通过算符将普朗克常数h引入，从而建立波动形式量子力学理论的。在这种变换中，h仍然起了至关重要的作用。

从本质上讲，海森堡的矩阵力学与薛定谔的波动力学是等价的。只是处理问题的方式不同。无论是海森堡通过泊松括号的变换，还是薛定谔通过算符的作用，最终都是巧妙地将普朗克常数h引入才建立量子力学理论的。无论何种形式的量子力学理论，普朗克常数h都起到了基石与灵魂的作用。

2. 普朗克常数是量子概念的基准

普朗克常数h的量纲是(能量×时间)，这正是作用量的量纲。这说明h是作用的最小单元，因此h也称作“作用量子”。无论是普朗克的能量子，还是爱因斯坦的光量子，最小能量与频率之比总要等于自然常数h。

由于量子力学的诞生，产生了诸多与经典物理学完全不同的量子概念。这些量子概念都与普朗克常数h密切相关。 h成为区分经典物理与量子物理的基准。 1）h是不确定度的基准

作为量子理论的一条基本原理是海森堡于1927年建立的不确定度原理。不确定度原理指出：“不能以任意高的精确度同时测量粒子某些成对的物理性质。”应用量子力学的理论可以证明，凡是乘积具有普朗克常数h量纲的成对物理性质都不能以任意高的精确度同时确定。而这种精确度正是以普朗克常数h为基准的。如粒子动量与坐标，能量与时间的不确定度关系是我们所熟知的

xPxtEh4h

4

以h为基准，应用不确定度关系可以对微观粒子物理量的不确定程度作出估计，从而决定是运用经典力学处理，还是运用量子力学方法处理。如电子在数千伏电压加速下的速度约为107m/s，速度的不确定度约为101m/s。107101,电子的运动可视为确定的，可用经典力学方法处理。而电子在原子中的运动速度约为106m/s,原子的线度约为1010m，由不确定度关系可知，速度的不确定量约

为106m/s，这说明电子在原子中的运动并没有确定的轨道，不能用经典力学处理，须用量子力学方法处理。

2）h是波粒二象性的基准

波--粒二象性是微观粒子的基本属性。微观粒子的行为是以波动性为主要特征，还是以粒子性为主要特征，依然是以普朗克常数h为基准来判定。

在粒子物理学中，微观粒子的动量公式、能量公式是寓意深刻的。

动量公式为

ph



能量公式为

Eh

动量P与能量E是典型的描述粒子行为的物理量，波长与频率是典型的描述波动行为的物理量。将描述波动行为的物理量与描述粒子行为的物理量用同一个公式相联系，这正寓意了波粒二象性。而联系二者的正是普朗克常数h，这的确是神来之笔。根据上述公式可以了解动量为P、能量为E的粒子的波长与频率，结合相应的物理过程自然可以判断是粒子性呈主要特征，还是波动性呈主要特征。

3）h是量子化条件的限度

量子化条件是量子力学的基本特征。继普朗克提出能量量子化条件之后，1913年玻尔提出的原子理论是富有创造性的。玻尔在描述原子内电子的运动时，创造性地引入量子化条件曾被狄拉克誉为人类超越经典理论所迈出的“最伟大的一步”。虽然玻尔的理论并非自然的量子力学理论，但他最先将卢瑟福的原子核式模型与普朗克的量子论相结合，创造性地提出了原子内电子的能级条件与电子运动的轨道角动量量子化条件。玻尔于1913年7月在《哲学杂志》上以“论原子和分子结构”为题，发表了他的能级假说：“原子只能具有分立的能量值，能量值的改变与发射或吸收能量子Eh有关。”并提出了原子内电子的跃迁条件与轨道角动量的量子化条件

EnEmhnm(n1,2,3,)

由此可见，在玻尔的原子理论中，量子化条件是十分重要的。而这种量子化

大学物理实验报告答案大全(实验数据)
篇四:光电效应实验不确定度

大学物理实验报告答案大全（实验数据及思考题答案全包括）

伏安法测电阻

实验目的 (1) 利用伏安法测电阻。 (2) 验证欧姆定律。

(3) 学会间接测量量不确定度的计算；进一步掌握有效数字的概念。 实验方法原理

根据欧姆定律， R ，如测得 U 和 I 则可计算出 R。值得注意的是，本实验待测电阻有两只，光电效应实验不确定度。

一个阻值相对较大，一个较小，因此测量时必须采用安培表内接和外接两个方式，以减小测量误差。 实验装置 待测电阻两只，0～5mA 电流表 1 只，0－5V 电压表 1 只，0～50mA 电流表 1 只，0～10V 电压表一 只，滑线变阻器 1 只，DF1730SB3A 稳压源 1 台。

实验步骤本实验为简单设计性实验，实验线路、数据记录表格和具体实验步骤应由学生自行设计。必要时，可提示学 生参照第 2 章中的第 2.4 一节的有关内容。分压电路是必须要使用的，并作具体提示。 (1) 根据相应的电路图对电阻进行测量，记录 U 值和 I 值。对每一个电阻测量 3 次。 (2) 计算各次测量结果。如多次测量值相差不大，可取其平均值作为测量结果。 (3) 如果同一电阻多次测量结果相差很大，应分析原因并重新测量。 数据处理

； (1) 由

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