浙江理工大学物理实验中心 浙江理工大学物理实验中心

用光电效应测定普朗克常数

1. 加深了解光电效应的

基本规律。

一 .实验目的

2. 学习用光电效应法测

定普朗克常数的方法。

二 .实验原理

G

V

电源

原理图

阴极阴极阳极阳极

实验现象：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。

光电流

光照射

实验现象解释的出发点实验现象解释的出发点

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。

0

0

0

0

当 时，无论光强多强，也无电子逸出。

阴极内部

阴极内部

0 当 时，即使光强很弱

，也有电子逸出。

（（ 22 ）光电效应的瞬时性）光电效应的瞬时性 如果光电效应是波与如果光电效应是波与电子的相互作用，电子吸电子的相互作用，电子吸收波的能量后，从阴极逸收波的能量后，从阴极逸出需一定时间，但事实上出需一定时间，但事实上，光电效应是瞬时发生的。，光电效应是瞬时发生的。

（（ 33 ）逸出电子的最大初）逸出电子的最大初

动能与入射光频率成正比动能与入射光频率成正比

。同样表明，光的能量与。同样表明，光的能量与

光的频率有关。光的频率有关。

根据经典理论，电子吸收足够能量后。才能从金属内逸出。

一经照射，即产生电子。一束光

一束

光

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。

h

0

0

h W0 h W

h W

0eU mV1

22

h W h 0

eU h h 0

逸出电子的最大初动能 ，可通过在阴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极、阳极间加一反向电压 VV ， 遏制向阳极飞来的电， 遏制向阳极飞来的电子，从而光电流减小。当逐渐升高子，从而光电流减小。当逐渐升高 VV 反反，，使光电流恰使光电流恰好刚等于好刚等于 00 ，，这时的电压为与入射光频率相对应的这时的电压为与入射光频率相对应的反反向截止电压向截止电压 VV00 ，，

则有 则有

1

22mV

eU mV h02

01

2

eU h h 0

00 e

h

e

h

e

hU即即

光电效应测普朗克常数光电效应测普朗克常数

用不同频率光照到阴极上

时，（设 等）

0 2 3 1

通过组合测量有

1 2 3

1 2 3

V V V

作 曲线。由

其斜率 确定普

朗克常数值 h。

Vh

e

u1

u2

u3

2

3

三 .实验仪器

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。

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 。

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 。波长（ nm） 365mm 405mm 436mm 546nm 577nm

截止电压（ V）

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。

（ 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 。

五．数据处理1. 普朗克常数的测定

波长 λi（ nm） 365 405 436 546 577

频率 νi（×1014Hz）

8.214 7.408 6.879 5.490 5.196

截止电压 U0i

（ V）

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。

2. 光电管伏安特性测试：

选择两组数据在坐标纸上作 UAK ～ I 关系曲线。

Φ＝ 4mm ， λ1＝ λ2＝

电压（ V）  -1.0 -0.5  0.0  1.0 2.0 3.0 4.0 5.0   10.0

电流（ ×10-10A） λ1                  

电流（ ×10-10A） λ2电压（ V）   15.0  20.0 25.0 30.0 35.0 40.0  45.0 50.0

电流（ ×10-10A） λ1电流（ ×10-10A） λ2

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。

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

收获在于努力！