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光源对普朗克常数测量的影响

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《大学物理实验杂志》2016年第4期

摘要:

介绍了光电效应实验中,采用零电流法确定截止电压测量普朗克常数的方法,研究了汞灯和氙灯提供光源对普朗克常数实验测量的影响,通过用Origin软件对测量的数据进行线性拟合,可得到截止电压与光子频率的关系曲线的斜率,从而能够更加准确的计算出普朗克常数的值,实验结果表明,对于氙灯光源,在普朗克常数的测量上相对误差更小,所得到的普朗克常数越精确,从实验的角度充分证明了氙灯光源是光电效应实验测量效果非常好的一种光源。

关键词:

光源;光电效应;普朗克常数;截止电压

光电效应与普朗克常数实验测量目前是多数高校开设的一个普通的物理实验项目,这不仅是因为利用光电效应制成的光电管、光电池、光电倍增管等已成为生产和科研中不可缺少的传感和换能器件[1-3],通过此实验,学生还对认识光的波粒二象性具有极为重要的意义。物理实验依托多层次系列课程建设,培养学生创新能力方面进行了积极的探索和实践[4-7]。在普朗克常数测量实验中,对光电效应本身蕴含的丰富的实验内容还未有充分挖掘,查阅已有的关于光电效应的研究文献,可以看到在截止电压的不同测量方法上做过研究[8-10],还在光电效应测量仪的研制上做出尝试[11-13],但在同一光电效应测量仪仪器下,利用其他仪器提供氙灯光源对普朗克常数实验测量还未看到有相应的研究,本文根据光电效应的实验测量的教学现状,以及普朗克常数测量同入射光频率有关的性质,提出在原有实验内容和实验仪器的基础上,结合光化学反应器提供新的氙灯光源,来增加一部分设计性实验内容,研究不同光源对普朗克常量实验测量的实际影响。

1实验原理

光电效应是指一定频率的光照射在金属表面时会有电子从金属表面逸出的现象,从金属表面逸出的电子称为光电子,形成的电流称为光电流[14]。本实验的实验原理图如图1所示,用光强度为P的单色光照射光电管阴极K,阴极释放出的电子在电源产生的电场的作用下加速向A移动,在回路中形成光电流I,光电效应有以下实验规律;(1)在光强P一定时,随着U的增大,光电流逐渐增大到饱和,饱和电流IM与入射光强P成正比。(2)在光电管两端加反向电压,光电流变小,在理想状态下,光电流减小到零时光,U0称为截止电压,说明电子无法打到A,此时eU0=12mυ2(1)(3)爱因斯坦的光电效应方程:hν=12mv2+A(2)当光子的能量hν0<A时,电子不能脱离金属,因而没有光电流产生,产生光电效应的最低频率(截止频率)为ν0=Ah,A为金属材料的逸出功,为定值。将(1)带入(2)中方程联立得:U0=he(ν-ν0)(3)此式表明截止电压U0是频率ν的线性函数,直线斜率K=he,只要用实验方法测量出不同的频率对应的截止电压,求出直线斜率就可算出普朗克常数h。

2实验装置

分别使用汞灯和光化学反应器仪器提供氙灯光源两种光源,结合ZKY-GD-4智能光电效应(普朗克常数)实验仪。表1给出了在汞灯光源下各个滤光片(365.0nm、405.0nm、436.0nm、546.0nm和577.0nm)截止电压的大小,表2给出了光化学反应器仪器提供氙灯光源时下各个滤光片(400.0nm、450nm、500.0nm、550.0nm和600nm)截止电压的大小。

3结果分析与讨论

表1和表2数据给出两种光源下,不同波长光照时,利用零电流法测量所对应的截止电压大小。图3给出了在两种光源照射下频率与截止电压的关系,对频率与截止电压实验数据,利用Ori-gin软件线性拟合[15-16],所得到的相应的拟合直线及拟合的线性方程得到斜率和相关系数的计算值和它们的标准偏差,利用式(3)将斜率乘以电子电荷量1.602×10-19C即可求得普朗克常量,这些数据并列于表3中。从图3可以看出,在每种光源照射下截止电压与不同光频率的直线拟合都很好,表3相关系数及其标准差的计算值也表明,在氙灯光照射时,频率与截止电压的相关系数最高,相关系数标准差相对也比较小,这应该是最为符合式的线性关系,也再次证明了氙灯是在光电效应实验和应用中使用效果非常好的一种光源。

4结论

在光电效应测量普朗克常数的实验中采用零电流法测量截止电压的大小,再利用Origin软件对数据进行线性拟合,可以更便捷快速地计算得出普朗克常数值。光化学反应器产生的氙灯光源、与传统汞灯光源相比电参数一致性好,光源寿命长驱动简单实验时不需预热,可以随时点亮或关闭,工作状态受外界条件变化的影响小,由于不同光源所包含的光谱成分不同,对实验结果的分析清晰地表明氙灯是对于光电效应实验测量的一种效果非常好的光源。另外,在选择相同的实验方法基础上,尽量消除了暗电流和杂散光产生的电流对实验结果的影响,还应考虑到光阑及光电管接收距离对实验结果的影响。

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作者:张风昀 王雪鹏 董开拓 单位:山东中国石油大学(华东)

大学物理实验杂志责任编辑:冯紫嫣    阅读:人次
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