《大学物理实验》课程教学课件（PPT讲稿）测普朗克常数

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实验 测普朗克常数 ❖实验简介 ❖实验目的 ❖实验原理 ❖实验仪器 ❖实验内容 ❖注意事项 ❖数据处理 武汉理工大学物理实验中心：黄勇 E-mail:hy2000@whut.edu.cn

实验简介光电效应是赫兹在1887年为验证电磁波存在时偶然发现的。其后许多科学家对光电效应进行了大量的研究，总结出了光电效应的一些基本实验事实，然而却无法用经典电磁理论对它作出完满解释。直到1905年，爱因斯坦推广了普朗克量子理论，大胆地提出“光量子”概念，成功地解释了光电效应的各项基本规律。密立根通过10年艰苦的实验研究，全面验证了爱因斯坦方程，并准确测出了普朗克常数h=6.56×10-34J：S。两位科学家也因在光电效应等方面的杰出贡献而分别获得诺贝尔奖。光电效应为量子论提拱了直观而明确的论证，两者在物理学发展史上都有重要意义。普朗克常数是自然界一个重要的普适常数，利用光电效应可简单而较准确地测出，光电效应实验有益于学习和理解量子论

实验简介 光电效应是赫兹在1887年为验证电磁波存在时偶然发现 的。其后许多科学家对光电效应进行了大量的研究，总结出了 光电效应的一些基本实验事实，然而却无法用经典电磁理论对 它作出完满解释。直到1905年，爱因斯坦推广了普朗克量子理 论，大胆地提出“光量子”概念，成功地解释了光电效应的各 项基本规律。密立根通过10年艰苦的实验研究，全面验证了爱 因斯坦方程，并准确测出了普朗克常数 h=6.56×10－ 34J·s 。两位科学家也因在光电效应等方面的杰出贡献而 分别获得诺贝尔奖。 光电效应为量子论提拱了直观而明确的论证，两者在物 理学发展史上都有重要意义。普朗克常数是自然界一个重要的 普适常数，利用光电效应可简单而较准确地测出，光电效应实 验有益于学习和理解量子论

实验目的通过光电效应实验加深对光的量子性的认识。验证爱因斯坦方程，测定普朗克常数h

实验目的 • 通过光电效应实验加深对光的量子性的认识。 • 验证爱因斯坦方程，测定普朗克常数h

实验原理当一束光照射在金属表面上时，金属内部的电子会从表面逸出，这一现象称为光电效应，逸出金属表面的电子称为光电子。光电效应的实验事实包括：①光电流与光强成正比：②光电效应存在一个截止频率，当入射光的频率低于截止频率时，不论光的强度如何都没有光电子产生；③光电子的动能与光强无关，但与入射光的频率成正比：④光电效用是瞬时效应。爱因斯坦在1905年提出光量子概念，认为一束频率为v的光以hv为能量单位的形式一份一份地向外辐射

实验原理 当一束光照射在金属表面上时，金属内部的电子会 从表面逸出，这一现象称为光 电效应，逸出金属表面的 电子称为光电子。光电效应的实验事实包括：①光电流 与光强成正比；②光电效应存在一个截止频率，当入射 光的频率低于截止频率时，不论光的强度如何都没有光 电子产生；③光电子的动能与光强无关，但与入射光的 频率成正比；④光电效用是瞬时效应。 爱因斯坦在1905年提出光量子概念，认为一束频率 为v的光以hv为能量单位的形式一份一份地向外辐射

实验原理入射光照射到金属表面，当金属中的电子吸收了光子的能量hv后，如果它的能量足以克服金属表面的势垒就有电子逸出金属表面。根据能量守恒定律，逸出的光电子的初动能为mV?= hv-W(4-4-1)（4-4-1）式即是著名的爱因斯坦光电效应方程。式中W是电子为克服金属表面的位能势垒而逸出时所需要的能量，称为逸出功。对于确定的材料，W值为一常数爱因斯坦光子理论成功地解释了光电效应各种基本规律

实验原理 入射光照射到金属表面，当金属中的电子吸收了光 子的能量hv后，如果它的能量足以克服金属表面的势垒， 就有电子逸出金属表面。根据能量守恒定律，逸出的光 电子的初动能为 （4-4-1）式即是著名的爱因斯坦光电效应方程。式中W 是电子为克服金属表面的位能势垒而逸出时所需要的能 量，称为逸出功。对于确定的材料，W值为一常数。 爱因斯坦光子理论成功地解释了光电效应各种基本 规律。 mV = hv −W 2 2 1 （4-4-1）

实验原理入射光本实验要验证爱光电管因斯坦方程并由此测出K普朗克常数，用光电管进行光电效应的实验原理如图4-4-1所示R图4-4-1实验原理图

实验原理 本实验要验证爱 因斯坦方程并由此测出 普朗克常数，用光电管 进行光电效应的实验原 理如图4-4-1所示

实验原理用频率为V，强度一定的光照射光电管阴极K，此时有光电子从阴极逸出。在光电阴极K和阴极A之间加有反向电压，A、K之间电场对光电子起减速作用。由于光电子真有初动能，当阳极电位值对阴极一不低于二数值时，光电子逸出后仍会到送阳极形晟光流。随奢发向电压增大，到达阳极的光TUU.O电子数减小，回路中光电流也随之减小，光电管的起始伏安性特曲线如图4-4-2所示图4-42光电管起始IU特性

实验原理 用频率为υ，强度一定的 光照射光电管阴极K， 此时 有光电子从阴极逸出。在光 电阴极K和阴极A之间加有反 向电压，A、K之间电场对光 电子起减速作用。由于光电 子具有初动能，当阳极电位 （相对阴极）不低于某一数 值时，光电子逸出后仍会到 达阳极形成光电流。随着反 向电压增大，到达阳极的光 电子数减小，回路中光电流 也随之减小，光电管的起始 伏安性特曲线如图4-4-2所示

实验原理当阳极电位低于某一数值Us时所有光电子都不能到达阳极，光电流U,I=0，Us称为遇止电位差（也称截止电压），即此时的电压刚好阻止动能最大的光电子到达阳极，显然mV?=eUs其中，e为电子电量，将上式代入爱因斯坦方程（4-4-1）式中，得到eUs=hv-W啡uu:hvWUs =(4-4-2)O2由（4-4-2）式，当金属材料一定时图4-4.3U~u曲线W为常数，截止电压与入射光频率u成线性关系。曲线如图4-4-3所示Sn

实验原理 当阳极电位低于某一数值Us 时， 所有光电子都不能到达阳极，光电流 I=0，Us称为遏止电位差（也称截止 电压），即此时的电压刚好阻止动能 最大的光电子到达阳极，显然 其中，e为电子电量，将上式代入 爱因斯坦方程（4-4-1）式中，得到 （4-4-2） 由（4-4-2）式，当金属材料一定时， W为常数，截止电压 与入射光频率υ 成线性关系。 Us ～υ 曲线如图4-4-3所示。 mV = eUs 2 2 1 e W e hv Us eUs hv W = − = −

实验原理实验中通过改变入射光的频率，测出相应截止电压Us，在直角坐标中作出Us～U关系曲线，若它是一根直线，即证明了爱因斯坦方程，并可由直线的斜率K=h/e，求出普朗克常数h。因此，测量普朗克常数h的关键是测出不同入射光频率U下的截止电压US，然而实际的光电管伏安特性曲线由于一些因素的影响与理想曲线（图4-4-2）是不同的。下面对这些因素给实验结果带来的影响进行分析、认识，并在数据处理中加以修正。首先，当光电管不受任何光照时，在外加电压下也会有微弱电流通过，称为光电管的暗电流。产生暗电流的主要原因是极间绝缘电阻漏电以及阴极在常温下的热电子发射，一般暗电流与外加电压基本上成线性关系

实验原理 实验中通过改变入射光的频率，测出相应截止电压Us，在 直角坐标中作出Us ～υ关系曲线，若它是一根直线，即证明了 爱因斯坦方程，并可由直线的斜率K=h/e，求出普朗克常数h。 因此，测量普朗克常数h的关键是测出不同入射光频率υ下 的截止电压Us，然而实际的光电管伏安特性曲线由于一些因素 的影响与理想曲线（图4-4-2）是不同的。下面对这些因素给实 验结果带来的影响进行分析、认识，并在数据处理中加以修正。 首先，当光电管不受任何光照时，在外加电压下也会有微弱 电流通过，称为光电管的暗电流。产生暗电流的主要原因是极 间绝缘电阻漏电以及阴极在常温下的热电子发射，一般暗电流 与外加电压基本上成线性关系

实验原理其次，在制作光电管阴极时阳极常会被溅射上光阴极材料，当光照射光阴极时，必然有部分光漫反射到阳极上，致使阳极也发射光阴极电流电子，而外加反向电场对阳极发射的光电子成为一个加速场，它们很快到达阳极形成反向电流实测电由于上述两个原因的影响，实测的光电流实际上是阴极光电子发U0射形成的光电流、阳极光电子发射Us形成的反向电流和光电管暗电流的代数和。使实际的伏安特性曲线呈现图4-4-4所示形状。图4.4.4光电管实际伏安特

实验原理 其次，在制作光电管阴极时， 阳极常会被溅射上光阴极材料，当 光照射光阴极时，必然有部分光漫 反射到阳极上，致使阳极也发射光 电子，而外加反向电场对阳极发射 的光电子成为一个加速场，它们很 快到达阳极形成反向电流。 由于上述两个原因的影响，实 测的光电流实际上是阴极光电子发 射形成的光电流、阳极光电子发射 形成的反向电流和光电管暗电流的 代数和。使实际的伏安特性曲线呈 现图4-4-4所示形状