CN108682248A - 激光光电效应实验仪 - Google Patents

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范勇
何建钊
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Abstract

本发明公开一种激光光电效应实验仪，包括光电暗盒(1)和测量装置(2)，其中光电暗盒(1)与测量装置(2)电连接，并由测量装置(2)测量出截止电压，其特征在于：所述光电暗盒(1)旁边设置一个激光光源(3)，该激光光源作为光电效应仪的工作光源，且激光光源(3)发出的光线入射到光电暗盒(1)中。本案通过去掉汞灯和滤色片，将激光光源取代汞灯作为光电效应仪的工作光源，从根本上保证入射到光电暗盒的光线频率单一，从根本上降低了截止电压的测量误差，进而最大程度地保证了普朗克常数的测量精度。

Description

激光光电效应实验仪
技术领域
本发明属于大学物理实验领域，尤其涉及一种激光光电效应实验仪。
背景技术
从1887年赫兹发现光电效应后，许多研究者对光电效应理论及实验作了深入的研究，普朗克常数是联系物质的粒子性与波动性的重要参数。通过光电效应测量普朗克常数实验的学习，可以加深学生对光粒子性的认识，了解微观领域能量的不连续性，更好认识光的本质，因此光电效应实验是大多数高校必须开设的实验项目。传统的光电实验系统采用汞灯作为实验光源，主要因为汞灯具有非常稳定的光谱分布，故常将汞灯用作光谱仪等科研设备的定标标准光源。实验时，通过滤色片获得汞灯光谱内的单色光，并将过滤后的单色光作为光电效应的工作光源，工作光源入射到光电暗盒里产生光电效应，由与光电暗盒相连的测量装置测量截止电压。传统的光电效应截止电压测量方式有以下三种：1、零点法，即将测量总电流为零时的电压为截止电压近似。2、补偿法，即先测量遮挡汞灯光束时总电流I0，再在汞灯光照射时，通过调整反向电压使得总电流再次等于I0，此时反向电压作为截止电压近似。3、拐点法，即做出反向电压-总电流变化曲线，从变化曲线上找出对应频率入射光的截止电压点(拐点)。
实验时，通过更换不同滤色片，测量汞灯不同光谱所对应的截止电压，从而得出一系列点，这些点的纵坐标为截止电压，横坐标为该截止电压所对应的汞灯单色光频率，并利用这些点拟合画出电压-频率曲线，且利用曲线拟合得到电压-频率曲线斜率，该斜率即为h/e，其中e为单个电子的带电量，h为普朗克常数。
然而，在实验过程中，我们发现学生计算得到的普朗克常数与真实值之间存在较大误差，且这个误差一直存在，且很难控制到实验室允许范围，为此我们经过系统、细致地分析后发现如下问题：
1、虽然汞灯具有非常稳定的光谱分布，故常将汞灯用作光谱仪等科研设备的定标标准光源，这一做法对于本领域技术人员来说是标准做法，定势思维根深蒂固。但是利用滤色片对汞灯发出的光线滤光，对滤色片的要求很高，高品质的滤色片价格昂贵，但是也难以获得频率单一的单色光，而普通的滤色片更是难以获得频率单一的单色光，并且在可见光波长范围内滤色片并不能很好过滤其他色光分量，低频色光分量的存在会改变光电暗盒的阳极电流造成测量点偏离，高频色光的存在会直接影响截止电压的大小，从而对截止电压的测量引入系统误差。从上面分析可以看出，汞灯及配套使用的滤色片，对截止电压的测量引入了系统误差，从而不管截止电压的测量方法精度如何，都会导致电压-频率曲线“失真”，进而导致电压-频率曲线的斜率“失真”，最终导致测得的普朗克常数与真实值之间必然存在偏差。然而，汞灯配滤色片是一直以来的标准做法，汞灯也是光谱仪等科研设备的定标标准光源，这种做法已经使本领域技术人员形成了根深蒂固的定势思维，这种定势思维导致本领域技术人员根本不会去分析研究汞灯和滤色片是否会对普朗克常数的测量精度造成不利影响。
另外，汞灯中的汞蒸气对人体有害，从而导致操作限制多、需要进行特殊防护；若在实验过程中汞灯破裂，释放出的汞蒸气容易造成人体损伤，引起一系列的病变。并且，汞灯的驱动电源比较复杂，稳定性要求较高，且容易损坏，工作时必须预热20分钟以上才能正常工作，一旦关闭不能立即点亮，否则灯管非常容易烧坏。
2、现有的三种截止电压测量方式测量精度不高，在汞灯+滤色片已经引入系统误差的情况下，更会导致电压-频率曲线“失真”，进一步导致电压-频率曲线的斜率“失真”，最终导致测得的普朗克常数与真实值之间存在更大的偏差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种测量精度高的激光光电效应实验仪。
本发明的技术方案如下：一种激光光电效应实验仪，包括光电暗盒(1)和测量装置(2)，其中光电暗盒(1)与测量装置(2)电连接，并由测量装置(2)测量出截止电压，其特征在于：所述光电暗盒(1)旁边设置一个激光光源(3)，该激光光源作为光电效应仪的工作光源，且激光光源(3)发出的光线入射到光电暗盒(1)中。
与传统结构相比，本案更换掉了标准的汞灯，并去掉了与汞灯相配套的滤色片。取而代之的是采用激光光源，并将激光光源作为为光电效应仪的工作光源，且激光光源(3)发出的光线入射到光电暗盒(1)中。由于不同色光的激光光源频谱单一、稳定，这样就能克服汞灯色光频率不单一这一致命缺陷，既免去了进行滤色的滤色片，降低了成本，又能保证入射到光电暗盒中的光为单色光，进而从光源上保证截止电压测量比较准确，避免产生系统误差。测量时，通过更换不同频率的激光光源，可测得多个不同的点，这些点的纵坐标为激光光源的频率，横坐标为对应的截止电压，从而根据这些数据绘制出电压-频率曲线，进而根据电压-频率曲线得到电压-频率曲线的斜率，最终计算得到普朗克常数。
需要特别说明的是，随着技术的发展出现了激光光源，且激光光源运用广泛；但是由于定势思维等因素的影响，本领域技术人员一直将汞灯作为光电效应仪的工作光源，而不曾研究过汞灯对普朗克常数测量误差所造成的不利影响，也未想到过要更换作为标准光源的汞灯，更不会想到将激光光源取代汞灯作为光电效应仪的工作光源，因此从提出、发现问题这一角度来说，本案已经具有创造性。进一步地，本案通过去掉汞灯，将激光光源取代汞灯作为光电效应仪的工作光源，从根本上保证入射到光电暗盒的光线频率单一，从根本上克服了截止电压的误差，进而最大程度地保证了普朗克常数的测量精度。
作为优选设计，所述光电暗盒(1)的光线入射口处固设有一个双孔光阑(4)，该双孔光阑为圆筒状结构，其两个端口处分别设有一块盖板，这两块盖板的相对位置分别设有一个圆孔(4a)，且两个圆孔与光电暗盒(1)的光线入射口在同一条直线上；所述激光光源(3)发出的光线依次经过扩束镜(5)、准直透镜(6)和双孔光阑(4)后，入射到所述测量装置(2)中。
采用以上技术方案，本结构能对激光光源(3)发出的光线进行扩束和准直，从而保证普朗克常数的测量精度。
作为优化设计方案，所述光电暗盒(1)、激光光源(3)、扩束镜(5)和准直透镜(6)设置在同一个底座(7)上，所述激光光源(3)、扩束镜(5)和准直透镜(6)旁边设有一块立板(8)，该立板(8)上设有一块可翻转的遮光罩(9)；所述遮光罩(9)为半圆筒状结构，其远离光电暗盒(1)一端的端口固设有遮光板(10)，该遮光罩(9)靠近光电暗盒(1)一端的端口敞口；当所述遮光罩(9)翻下时，可遮住激光光源(3)、扩束镜(5)和准直透镜(6)，从而避免外界光线对激光光源(3)发出的光线造成干扰。
由于激光是一束强度、亮度较高的光束，通过扩束镜扩束、准直透镜准直后以平行光入射到双孔光阑，光束依次通过双孔光阑的两孔后进入光电暗盒。由于系统容易受到环境光影响，双孔光阑设计可过滤大部分环境光；遮光罩设计成活动结构，在调节光路时，反向翻转遮光罩，当光路调节好后，正向翻转遮光罩对环境光进行隔离。本结构能有效避免外界光线对激光光源(3)发出的光线造成干扰，从而保证入射光电暗盒(1)的光线为单一光，进而保证截止电压测量准确，避免电压-频率曲线“失真”，从而避免电压-频率曲线的斜率“失真”，最终保证普朗克常数的测量精度。
有益效果：本案通过去掉汞灯和滤色片，将激光光源取代汞灯作为光电效应仪的工作光源，从根本上保证入射到光电暗盒的光线频率单一，从根本上降低了截止电压的测量误差，进而最大程度地保证了普朗克常数的测量精度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1中双孔光阑4的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图1、2所示，一种激光光电效应实验仪，包括光电暗盒1和测量装置2，其中光电暗盒1与测量装置2电连接，并由测量装置2测量出截止电压，且测量装置2的结构及工作原理为现有技术，光电暗盒1与测量装置2如何连接也为现有技术，在此不做赘述。光电暗盒1旁边设置一个激光光源3，该激光光源作为光电效应仪的工作光源，且激光光源3发出的光线入射到光电暗盒1中。
光电暗盒1的光线入射口处固设有一个双孔光阑4，该双孔光阑为圆筒状结构，其两个端口处分别设有一块盖板4b，这两块盖板的相对位置分别设有一个圆孔4a，且两个圆孔与光电暗盒1的光线入射口在同一条直线上；激光光源3发出的光线依次经过扩束镜5、准直透镜6和双孔光阑4后，入射到测量装置2中。
如图1、2所示，光电暗盒1、激光光源3、扩束镜5和准直透镜6设置在同一个底座7上，激光光源3、扩束镜5和准直透镜6旁边设有一块立板8，该立板8上设有一块可翻转的遮光罩9；遮光罩9为半圆筒状结构，其远离光电暗盒1一端的端口固设有遮光板10，该遮光罩9靠近光电暗盒1一端的端口敞口。当遮光罩9翻下时，可遮住激光光源3、扩束镜5和准直透镜6，从而避免外界光线对激光光源3发出的光线造成干扰。当遮光罩9翻上时，露出激光光源3、扩束镜5和准直透镜6，便于更换不同频谱的激光光源3。
本案中截止电压的测量方法采用改进的补偿点测量法，该改进的补偿点测量法操作如下：
调节反向电压，通过反复地通、断入射到光电暗盒的工作激光(即使激光光源产生的光是否入射到光电暗盒中)，并观察总电流变化，测量在有光照射和没有光照射时，总电流相等点的电压(即改进的补偿点电压)；在断光时，光电暗盒得到的总电流由暗电流和本底电流组成；在通光时，光电暗盒得到的总电流由阴极光电流、阳极光电流、暗电流和本底电流共同组成。所以，在改进的补偿点阴极光电流与阳极光电流大小相等，符号相反，相加之和为零。改进的补偿点测量法，利用阴极光电流与阳极光电流之和为零点电压作为截止电压近似来完成光电效应实验。
实验时，更换不同频率的单色光源，测量不同频率的单色光源所对应的截止电压，从而得出一系列点，这些点的纵坐标为截止电压，横坐标为该截止电压所对应单色光源的频率，并利用这些点拟合画出电压-频率曲线，且利用曲线拟合得到电压-频率曲线斜率，该斜率即为h/e，其中e为单个电子的带电量，h为普朗克常数，从而对普朗克常数进行验证。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种激光光电效应实验仪，包括光电暗盒(1)和测量装置(2)，其中光电暗盒(1)与测量装置(2)电连接，并由测量装置(2)测量出截止电压，其特征在于：所述光电暗盒(1)旁边设置一个激光光源(3)，该激光光源作为光电效应仪的工作光源，且激光光源(3)发出的光线入射到光电暗盒(1)中。
2.根据权利要求1所述的激光光电效应实验仪，其特征在于：所述光电暗盒(1)的光线入射口处固设有一个双孔光阑(4)，该双孔光阑为圆筒状结构，其两个端口处分别设有一块盖板，这两块盖板的相对位置分别设有一个圆孔(4a)，且两个圆孔与光电暗盒(1)的光线入射口在同一条直线上；所述激光光源(3)发出的光线依次经过扩束镜(5)、准直透镜(6)和双孔光阑(4)后，入射到所述测量装置(2)中。
3.根据权利要求1所述的激光光电效应实验仪，其特征在于：所述光电暗盒(1)、激光光源(3)、扩束镜(5)和准直透镜(6)设置在同一个底座(7)上，所述激光光源(3)、扩束镜(5)和准直透镜(6)旁边设有一块立板(8)，该立板(8)上设有一块可翻转的遮光罩(9)；所述遮光罩(9)为半圆筒状结构，其远离光电暗盒(1)一端的端口固设有遮光板(10)，该遮光罩(9)靠近光电暗盒(1)一端的端口敞口；当所述遮光罩(9)翻下时，可遮住激光光源(3)、扩束镜(5)和准直透镜(6)，从而避免外界光线对激光光源(3)发出的光线造成干扰。
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