CN203659306U - 一种验证光电效应实验规律及测定普朗克常数的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种验证光电效应实验规律及测定普朗克常数的实验装置。它是在一个遮光箱体内设置单色仪及光电管，光电管前设置偏振片，单色仪与控制器相连，可设定入射单色光波长，通过入射光强度控制器可设定入射光强度，光电管与测量控制器相连，可测量不同电压下光电管的光电流。通过控制器设定单色仪入射单色光波长及强度，可验证光电效应实验规律；测绘出不同单色光照射下光电管的I-V曲线，确定遏止电压，可计算出普朗克常数。本实用新型采用波长连续可调的单色光源，能准确控制入射光强度，能定量地验证光电效应实验规律，提高测定普朗克常数的精度，且学生数据不易雷同，还可在示波器上直观地显示出光电管的I-V特性曲线。

Description

一种验证光电效应实验规律及测定普朗克常数的实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种大学物理实验装置，具体是涉及一种验证光电效应实验规律及利用光电效应测定普朗克常数的综合实验装置。

背景技术

光电效应是指在一定频率的光照射下，电子从金属表面逸出的现象，这种电子称为光电子。光电效应的发现对光的本性即波粒二象性的认识，具有极为重要的意义，它给量子论以直观、明确的论证。普朗克常数是物理学中一个很重要的基本常数，它可以通过光电效应实验简单而有效地测出，所以光电效应实验有助于学生学习和理解量子理论。而且随着科学技术的发展，光电效应已经广泛应用于工农业生产、国防等许多领域。因此，验证光电效应实验规律及利用光电效应测定普朗克常数的实验就成为大学物理实验中一个非常经典的实验项目。目前，大学物理实验中验证光电效应实验规律及利用光电效应测定普朗克常数的实验一般都是以频率为v的单色光入射到光电管阴极上，则光电子从阴极逸出，在回路中形成光电流，通过改变光电管阳极A和阴极K之间的电压U_AK，测量回路中形成的光电流I_AK大小。当U_AK为正值时，U_AK越大，光电流I_AK也越大，当U_AK达到一定值时，光电流饱和，此时的光电流称为饱和光电流I_H；当U_AK为负值时(即在光电管两端加减速电压)，阳极A和阴极K之间的电场将对光电子起减速作用，随着U_AK绝对值增大，光电流I_AK逐渐减小，当U_AK达到某一值U_S时，光电流为零，此时的电压U_S称为遏止电压或截止电压，这时从阴极逸出的具有最大初动能的光电子刚好不能穿过反向电场到达阳极，即

这样就可以通过测定遏止电压来确定光电子的最大初动能。

光电效应的基本实验规律如下：

(1)饱和光电流I_H与入射光的强度Ф成正比。

(2)光电子的最大初动能与入射光的频率v成正比，与入射光的强度无关。

(3)光电效应存在一个频率阈值(或者称为截止频率)v₀，当入射光频率v<v₀时，无论光强如何，均不能产生光电效应。

(4)光电效应是瞬时效应，只要入射光频率v>v₀，一经光线照射立即产生光电子。

用麦克斯韦的经典电磁理论无法对上述实验事实作出圆满的解释。1905年爱因斯坦提出了一个卓越的理论——光量子理论，成功地解释了光电效应。他认为一束频率为v的光是一束以光速运动的、具有能量hv的粒子流，这些粒子称为光量子，简称光子，其中h为普朗克常数。根据光子论和能量守恒定律，爱因斯坦提出了一个著名的爱因斯坦光电效应方程：

$\frac{1}{2}{\mathrm{mv}}^2=\mathrm{hv}-W_s$

金属中的自由电子，从入射光中吸收一个光子的能量hv，克服电子从金属表面逸出时所需克服的逸出功W_s后，逸出表面，具有初动能由爱因斯坦光电效应方程可以圆满地解释光电效应的实验规律。

将

代入上式，可得

eU_S=hv-W_s

实验时，测出不同频率v单色光入射时对应的遏止电压U_s，通过作图法做出U_s～v关系曲线，应为一条直线，直线的斜率

从而可以得到普朗克常数h＝ke，其中e＝1.602×10^-19C。

目前大学物理实验中，验证光电效应实验规律及利用光电效应测定普朗克常数的实验多采用高压汞灯作为光源，通过滤色片获得五种不同波长即365nm、405nm、436nm、546nm、577nm的单色光，通过改变光源与光电管之间的距离或者改变光电管前端光阑孔径的大小来改变入射到光电管上光的强度，从而定性地验证光电效应实验规律，测绘出不同单色光照射下光电管的I-V曲线，然后通过“拐点法”或“零点法”确定光电管的遏止电压，进而根据单色光频率与遏止电压之间的关系得到普朗克常数。这种实验装置存在以下不足：

其一，采用滤色片获得的单色光单色性并不好，并且只有五种波长分离的单色光，一方面不能验证并测出光电效应存在的频率阈值，另一方面测定普朗克常数时，数据比较少，影响测量精度，而且学生数据容易雷同。

其二，高压汞灯亮度不易调节，通过改变光源与光电管之间的距离或者改变光电管前端光阑孔径的大小来改变入射到光电管上光的强度，只能定性地而无法定量地验证光电效应与强度相关的实验规律。

其三，实验过程中要不断更换滤色片，一不小心就会将滤色片摔坏。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本实用新型提出一种验证光电效应实验规律及利用光电效应测定普朗克常数的综合实验装置，该装置采用单色仪来获得单色光源，该光源单色性能好，波长连续可调，利用两个偏振片准确控制入射光的强度，从而既可以定量地验证光电效应实验规律又可以方便准确地测定普朗克常数。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：在一个遮光箱体内设置一单色仪及三只频谱范围不同的光源，单色仪及光源分别通过接口与单色仪控制器相连，通过单色仪控制器上的数字键盘及单色光波长显示屏可以设定单色仪输出单色光的波长，按下确认键，则单色仪输出设定波长的单色光，这一部分结构与分光光度计很类似，现有技术也很成熟，不再赘述。遮光箱体内设置一光电管，光电管前连接一遮光连接管，连接管上设置可旋转偏振片及固定偏振片，可旋转偏振片通过机械机构与步进电机相连，步进电机通过接口与步进电机驱动器相连，步进电机驱动器通过接口与入射光强度控制器相连，设可旋转偏振片及固定偏振片透光轴方向相同时入射到光电管上光的强度为Ф₀，通过入射光强度调节旋钮及入射光强度显示屏可以设定入射光强度为Ф₀的百分比，在入射光强度控制器控制下，步进电机驱动器控制步进电机带动可旋转偏振片转过相应角度，从而使入射到光电管上光的强度满足要求。光电管通过接口与测量控制器相连，手动测量时，测量控制器内设置的可调电压源通过接口与光电管并联，通过旋钮可以调节光电管两端电压大小，并可通过电压显示屏显示出来，测量控制器内设置的微电流测量放大器通过接口与光电管串联，用来测量其中的电流，并可通过电流显示屏显示出来；自动测量时，测量控制器内设置的扫描锯齿波电压发生电路通过接口与光电管并联，使光电管两端的电压线性变化，锯齿波的幅度和周期可以调节，测量控制器内的采样电路对一个周期内的扫描锯齿波电压及经测量控制器内设置的微电流测量放大器放大后的光电流采样，通过上翻按键及下翻按键可以依次显示采样点对应的电压及电流值。另外，将扫描锯齿波信号加到示波器的X方向上，光电管中的光电流经过I／V转换电路转变为电压，然后经过电压放大电路放大，加到示波器的Y方向上，就可以在示波器上直观地显示出该单色光照射下光电管的I-V特性曲线。通过单色仪控制器设定单色仪输出单色光的波长，通过入射光强度调节旋钮及入射光强度显示屏设定入射光强度，手动测量时，通过可调电压源改变光电管两端的电压大小，通过微电流测量放大器测出光电管中对应的电流；自动测量时，将锯齿波的幅度和周期调节合适，通过上翻按键及下翻按键可以依次记录采样点对应的电压及电流值。测绘出不同单色光照射下光电管的I-V曲线，通过“拐点法”或“零点法”确定光电管的遏止电压，最后就可计算出普朗克常数。

本实用新型的有益效果是，该装置一方面采用单色仪来获得单色光源，该光源单色性能好，波长连续可调，从而既可以定量地验证并测出光电效应存在的频率阈值，测定普朗克常数时，可以测量多组数据，提高测量精度，而且学生数据不易雷同；另一方面利用两个偏振片可以准确控制入射光的强度，可以定量地验证光电效应与入射光强度相关的实验规律，测定普朗克常数时也可以很方便地调节入射光的强度。另外，还可以在示波器上直观地显示出不同波长单色光照射下光电管的I-V特性曲线。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

附图是本实用新型的结构示意图。

图中1.遮光箱体，2.单色仪，3.光源一，4.光源二，5.光源三，6.可旋转偏振片，7.固定偏振片，8.光电管，9.偏振片及光电管之间的遮光连接管，10.步进电机，11.步进电机驱动器，12.单色光波长显示屏，13.单色仪开关按键，14.单色仪控制器，15.复位按键，16.数字键盘，17.确认键，18.入射光强度显示屏，19.入射光强度控制器开关按键，20.入射光强度调节旋钮，21.入射光强度控制器，22.示波器，23.示波器显示屏，24.示波器开关按键，25.手动与自动测量切换控制按键，26.可调电压源电压调节旋钮，27.扫描锯齿波电压幅度调节旋钮，28.扫描锯齿波周期调节旋钮，29.微电流测量放大器电流显示屏，30.上翻按键，31.下翻按键，32.可调电压源电压显示屏，33.扫描锯齿波电压发生电路，34.测量控制器，35.I／V转换电路，36.电压放大电路。

具体实施方式

图中，在一个遮光箱体1内设置一单色仪2及三只频谱范围不同的光源，分别为光源一3、光源二4及光源三5，单色仪及光源分别通过接口与单色仪控制器14相连，通过单色仪控制器14上的数字键盘16及单色光波长显示屏12可以设定单色仪输出单色光的波长，通过单色仪控制器14上的复位按键15，可以重新输入单色光波长，按下确认键17，则单色仪输出设定波长的单色光。遮光箱体1内设置一光电管8，光电管8前为偏振片及光电管之间的遮光连接管9，连接管上设置可旋转偏振片6及固定偏振片7，可旋转偏振片6通过机械机构与步进电机10相连，步进电机10通过接口与步进电机驱动器11相连，步进电机驱动器11通过接口与入射光强度控制器21相连，设可旋转偏振片6及固定偏振片7透光轴方向相同时入射到光电管8上光的强度为Ф₀，通过入射光强度调节旋钮20及入射光强度显示屏18可以设定入射光强度为Ф₀的百分比，在入射光强度控制器21的控制下，步进电机驱动器11控制步进电机10带动可旋转偏振片6转过相应角度，从而使入射到光电管8上光强度满足要求。光电管8通过接口与测量控制器34相连，手动测量时，测量控制器34内设置的可调电压源通过接口与光电管8并联，通过可调电压源电压调节旋钮26可以调节光电管两端的电压大小，并可通过可调电压源电压显示屏32显示出来，测量控制器内设置的微电流测量放大器通过接口与光电管8串联，用来测量其中的光电流，并可通过微电流测量放大器电流显示屏29显示出来；自动测量时，测量控制器34内设置的扫描锯齿波电压发生电路33通过接口与光电管8并联，使光电管8两端的电压线性变化，锯齿波的幅度可以通过扫描锯齿波电压幅度调节旋钮27进行调节，锯齿波的周期可以通过扫描锯齿波周期调节旋钮28进行调节，测量控制器内的采样电路对一个周期内的扫描锯齿波电压及经测量控制器内设置的微电流测量放大器放大后的光电流采样，采样点可以设置为100，通过上翻按键30及下翻按键31可以依次在可调电压源电压显示屏32及微电流测量放大器电流显示屏29显示采样点对应的电压及电流值。另外，扫描锯齿波电压信号可以加到示波器22的X方向上，光电管8中的光电流经过I／V转换电路35转变为电压，然后经过电压放大电路36进行放大，加到示波器22的Y方向上，就可以在示波器22上直观地显示出该单色光照射下光电管的I-V特性曲线。

具体实验操作步骤为：

(一)定量地验证光电效应实验规律：

(1)通过单色仪控制器14设定单色仪2输出单色光的波长，通过入射光强度调节旋钮20及入射光强度显示屏18依次设定光电管8上的入射光强度Ф分别为Ф₀的10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％，分别测出对应的饱和光电流I_H，作出I_H～Ф关系曲线，如果为一条直线，就定量地验证了饱和光电流与入射光强度成正比。

(2)通过单色仪控制器14设定单色仪2输出单色光的波长，通过手动测量或自动测量确定光电管的遏止电压U_s，通过入射光强度调节旋钮20改变光电管8上入射光强度，再次测定光电管的遏止电压，如果相同，则验证了光电子的最大初动能只与入射光的频率v有关，与入射光的强度无关。依次测得不同波长单色光频率v与对应的遏止电压U_s，通过作图法做出U_s～v关系曲线，如果为一条直线，就验证了光电效应光电子的最大初动能与入射光的频率v成正比。

(3)通过单色仪控制器14依次改变单色仪2输出单色光的波长，测量光电流的大小，找到光电流为零时对应的波长λ₀，增加波长，通过入射光强度调节旋钮20增大光电管8上入射光强度，均不能产生光电效应，从而可以定量地验证光电效应存在一个频率阈值(或者称为截止频率)v₀。

(二)利用光电效应测定普朗克常数：

(1)通过单色仪控制器14设定单色仪2输出单色光的波长，通过入射光强度调节旋钮20及入射光强度显示屏18调节入射光强度至合适值。

(2)手动测量时，通过可调电压源改变光电管8两端的电压大小，并通过可调电压源电压显示屏32显示出来，通过微电流测量放大器测出光电管中对应的电流，并通过微电流测量放大器电流显示屏29显示出来。

(3)自动测量时，通过扫描锯齿波电压幅度调节旋钮27将锯齿波的幅度调节合适，通过扫描锯齿波周期调节旋钮28将锯齿波的周期调节合适，通过上翻按键30及下翻按键31可以依次在可调电压源电压显示屏32及微电流测量放大器电流显示屏29显示采样点对应的电压及电流值。

(4)测绘出该单色光照射下光电管的I-V曲线，然后通过“拐点法”或“零点法”确定光电管的遏止电压U_s。

(5)同样，依次使单色仪2输出数种(比如十种)不同单色光的波长，测出对应单色光照射下光电管的I-V曲线，确定光电管对应的遏止电压。

(6)根据测得的不同波长单色光的频率与遏止电压，通过作图法做出U_s～v关系曲线，应为一条直线，求出直线斜率k，也可以通过最小二乘法利用公式求出该斜率k，代入公式h＝ke，e＝1.602×10^-19C，即可求出普朗克常数h，并可与普朗克常数h的公认值h＝6.626×10^-34J·s比较，求出相对误差。

(7)此外，将扫描锯齿波电压信号加到示波器22的X方向上，光电管8中的光电流经过I／V转换电路35转变为电压，然后经过电压放大电路36进行放大，加到示波器22的Y方向上，还可以在示波器22上直观地显示出该单色光照射下光电管的I-V特性曲线。

以上对本实用新型进行了阐述，但本实用新型所介绍的实施例没有限制的意图，在不背离本实用新型主旨的范围内，本实用新型可有多种变化和修改。

Claims (3)

1.一种验证光电效应实验规律及测定普朗克常数的实验装置，包括一个遮光箱体，箱体内设置单色仪、光源及光电管，其特征是：单色仪及光源分别通过接口与单色仪控制器相连，通过单色仪控制器上的数字键盘及单色光波长显示屏可以设定单色仪输出单色光的波长。

2.根据权利要求1所述的验证光电效应实验规律及测定普朗克常数的实验装置，其特征是：光电管前连接一遮光连接管，连接管上设置可旋转偏振片及固定偏振片，可旋转偏振片通过机械机构与步进电机相连，步进电机通过接口与步进电机驱动器相连，步进电机驱动器通过接口与入射光强度控制器相连，设可旋转偏振片及固定偏振片透光轴方向相同时入射到光电管上光的强度为Ф₀，通过入射光强度调节旋钮及入射光强度显示屏可以设定入射光强度为Ф₀的百分比，在入射光强度控制器控制下，步进电机驱动器控制步进电机带动可旋转偏振片转过相应角度，从而使入射到光电管上光的强度满足要求。

3.根据权利要求1所述的验证光电效应实验规律及测定普朗克常数的实验装置，其特征是：光电管通过接口与测量控制器相连，测量控制器内设置的扫描锯齿波电压发生电路通过接口与光电管并联，使光电管两端的电压线性变化，锯齿波的幅度和周期可以调节，将扫描锯齿波信号加到示波器的X方向上，光电管中的光电流经过I／V转换电路转变为电压，然后经过电压放大电路放大，加到示波器的Y方向上，可以在示波器上直观地显示出单色光照射下光电管的I-V特性曲线。