凌 濤，胡海寧，彭 麟，王 瑩

（上海電力學(xué)院，上海 201300）

利用固體物理LED發(fā)光原理測(cè)量普朗克常數(shù)

凌 濤，胡海寧，彭 麟，王 瑩?

（上海電力學(xué)院，上海 201300）

普朗克常數(shù)是物理學(xué)中一個(gè)重要的常數(shù)，利用二極管的量子特性探討運(yùn)用發(fā)光二極管來(lái)測(cè)量普朗克常數(shù)。通過(guò)測(cè)量二極管的伏安曲線，確定其閾值電壓，根據(jù)相關(guān)量子理論，間接得出普朗克常數(shù)，通過(guò)與光電效應(yīng)法測(cè)量普朗克常數(shù)的測(cè)量結(jié)果相比較，結(jié)果表明此誤差略大，但作為一種新型的實(shí)驗(yàn)方法探索，對(duì)于開拓學(xué)生的綜合素養(yǎng)還是非常有益的。

普朗克常數(shù)；發(fā)光二極管；閾值電壓

普朗克常數(shù)是近代物理學(xué)中一個(gè)具有重要意義的自然常數(shù)。測(cè)量普朗克常數(shù)的方法有波爾理論法［1］、黑體輻射法［2］、色散法［3］、光電效應(yīng)法［4］等多種方法。多數(shù)教材采用光電效應(yīng)方法來(lái)測(cè)來(lái)普朗克常數(shù)值。這里運(yùn)用發(fā)光二極管來(lái)來(lái)測(cè)量普朗克常數(shù)，加深對(duì)發(fā)光二極管工作原理的理解，探索利用二極管的量子特性來(lái)測(cè)量普朗克常數(shù)。

采用LED發(fā)光二極管，對(duì)其伏安曲線進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)相關(guān)公式求得普朗克常數(shù)，根據(jù)這一原理開發(fā)了一套普朗克常數(shù)測(cè)定儀。

圖1　普朗克常數(shù)測(cè)定儀實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖2　實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

2　原理與方法

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，精確的測(cè)量了紅、黃、綠3種不同顏色的LED伏安特性曲線，測(cè)量的實(shí)驗(yàn)原理圖如圖2。采用對(duì)伏安特性曲線做切線的方法確定閾值電壓:切線與電壓軸的交點(diǎn)。

3　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果

不同顏色的LED的U-V結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　不同顏色的LED的U-V曲線

圖3　發(fā)光二極管伏安特性曲線

光電效應(yīng)法測(cè)定普朗克常數(shù):

表2　不同顏色的濾波片的截止電壓U

利用光電效應(yīng)測(cè)量普朗克常數(shù)實(shí)驗(yàn)，主要通過(guò)測(cè)量截止電壓與頻率的關(guān)系，從而求出h值。我們測(cè)量了5種不同顏色的濾波片下截止電壓的數(shù)值，如表1-1所示。根據(jù)相關(guān)公式我們得出h= 6.64×10-34j·s，誤差為5.27%。

3　結(jié) 論

新方法原理直接、易懂，設(shè)備簡(jiǎn)單。另外，這是一個(gè)“大學(xué)生科創(chuàng)項(xiàng)目”的一個(gè)作品，在設(shè)計(jì)制作本儀器的過(guò)程中，學(xué)生的動(dòng)手能力和綜合素質(zhì)得到了很好的鍛煉。與傳統(tǒng)的光電效應(yīng)法相比LED法誤差還是有點(diǎn)大。該實(shí)驗(yàn)的誤差來(lái)源主要來(lái)自于兩個(gè)因素:LED發(fā)光過(guò)程中，會(huì)發(fā)生紅移現(xiàn)象，波長(zhǎng)變長(zhǎng)，所以普朗克常數(shù)測(cè)量值都偏小。另外，電流表采取的是外接法，測(cè)得的LED兩端的電流偏大。

［1］ 曾慶明，用玻爾理論測(cè)量普朗克常數(shù)［J］.景德鎮(zhèn)高專學(xué)報(bào)，2005，20（2）:20-22.

［2］ 闊春宗，黑體輻射測(cè)定普朗克常數(shù)［J］.松遼學(xué)刊，1994（2）:41-44.

［3］ 劉絨俠.利用色散法探索玻爾氫原子理論測(cè)量普朗克常數(shù)［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2008，21（3）:4-7.

［4］ 王云志.光電效應(yīng)測(cè)普朗克常數(shù)的數(shù)據(jù)處理及誤差分析［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2011，24（2）:93-95.

［5］ 陸廷濟(jì)，費(fèi)定曜，胡德敬，等.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社.1996.

［6］ 何杰，夏建白.半導(dǎo)體科學(xué)與技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2007:68-69.

Measuring Planck Constant Using a New Method

LING Tao，HU Hai-ning，PENG Lin，WANG Ying
（Power College of Shanghai，Shanghai 210030）

We got the forward threshold voltage by measuring the current-voltage characteristic of light emitting diode（LED）.Then，the Planck constant can be determined by our theory.The experiment results show that the theoretical value of Planck constant is in accord with the experiment data.

Planck constant；light emitting diode；current-voltage characteristics

O433.1

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.02.015

1007-2934（2015）02-0055-02

2014-10-23

上海電力學(xué)院課程建設(shè)項(xiàng)目（YKJ-2014010）；上海電力學(xué)院大學(xué)生科創(chuàng)項(xiàng)目（2012-10256-122）

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