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        不同光源對普朗克常數(shù)實驗測量的影響

        2016-09-08 09:10:11張風(fēng)昀王雪鵬董開拓
        大學(xué)物理實驗 2016年4期
        關(guān)鍵詞:汞燈氙燈光電效應(yīng)

        張風(fēng)昀,王雪鵬,董開拓

        [中國石油大學(xué)(華東),山東 青島 266580]

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        不同光源對普朗克常數(shù)實驗測量的影響

        張風(fēng)昀,王雪鵬,董開拓

        [中國石油大學(xué)(華東),山東 青島266580]

        介紹了光電效應(yīng)實驗中,采用零電流法確定截止電壓測量普朗克常數(shù)的方法,研究了汞燈和氙燈提供光源對普朗克常數(shù)實驗測量的影響,通過用Origin軟件對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,可得到截止電壓與光子頻率的關(guān)系曲線的斜率,從而能夠更加準(zhǔn)確的計算出普朗克常數(shù)的值,實驗結(jié)果表明,對于氙燈光源,在普朗克常數(shù)的測量上相對誤差更小,所得到的普朗克常數(shù)越精確,從實驗的角度充分證明了氙燈光源是光電效應(yīng)實驗測量效果非常好的一種光源。

        光源;光電效應(yīng);普朗克常數(shù);截止電壓

        光電效應(yīng)與普朗克常數(shù)實驗測量目前是多數(shù)高校開設(shè)的一個普通的物理實驗項目,這不僅是因為利用光電效應(yīng)制成的光電管、光電池、光電倍增管等已成為生產(chǎn)和科研中不可缺少的傳感和換能器件[1-3],通過此實驗,學(xué)生還對認(rèn)識光的波粒二象性具有極為重要的意義。物理實驗依托多層次系列課程建設(shè),培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力方面進(jìn)行了積極的探索和實踐[4-7]。在普朗克常數(shù)測量實驗中,對光電效應(yīng)本身蘊(yùn)含的豐富的實驗內(nèi)容還未有充分挖掘,查閱已有的關(guān)于光電效應(yīng)的研究文獻(xiàn),可以看到在截止電壓的不同測量方法上做過研究[8-10],還在光電效應(yīng)測量儀的研制上做出嘗試[11-13],但在同一光電效應(yīng)測量儀儀器下,利用其他儀器提供氙燈光源對普朗克常數(shù)實驗測量還未看到有相應(yīng)的研究,本文根據(jù)光電效應(yīng)的實驗測量的教學(xué)現(xiàn)狀,以及普朗克常數(shù)測量同入射光頻率有關(guān)的性質(zhì),提出在原有實驗內(nèi)容和實驗儀器的基礎(chǔ)上,結(jié)合光化學(xué)反應(yīng)器提供新的氙燈光源,來增加一部分設(shè)計性實驗內(nèi)容,研究不同光源對普朗克常量實驗測量的實際影響。

        1 實驗原理

        光電效應(yīng)是指一定頻率的光照射在金屬表面時會有電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象,從金屬表面逸出的電子稱為光電子,形成的電流稱為光電流[14]。

        圖1 光電效應(yīng)原理圖

        本實驗的實驗原理圖如圖1所示,用光強(qiáng)度為P的單色光照射光電管陰極K,陰極釋放出的電子在電源產(chǎn)生的電場的作用下加速向A移動,在回路中形成光電流I,光電效應(yīng)有以下實驗規(guī)律;

        (1)在光強(qiáng)P一定時,隨著U的增大,光電流逐漸增大到飽和,飽和電流IM與入射光強(qiáng)P成正比。

        (2)在光電管兩端加反向電壓,光電流變小,在理想狀態(tài)下,光電流減小到零時光,U0稱為截止電壓,說明電子無法打到A,此時

        (1)

        (3)愛因斯坦的光電效應(yīng)方程:

        (2)

        (3)

        2 實驗裝置

        分別使用汞燈和光化學(xué)反應(yīng)器儀器提供氙燈光源兩種光源,結(jié)合ZKY-GD-4智能光電效應(yīng)(普朗克常數(shù))實驗儀。表1給出了在汞燈光源下各個濾光片(365.0nm、405.0nm、436.0nm、546.0nm和577.0nm)截止電壓的大小,表2給出了光化學(xué)反應(yīng)器儀器提供氙燈光源時下各個濾光片(400.0nm、450nm、500.0nm、550.0nm和600nm)截止電壓的大小。

        圖2 普朗克常數(shù)測試儀結(jié)構(gòu)示意圖

        3 結(jié)果分析與討論

        表1和表2數(shù)據(jù)給出兩種光源下,不同波長光照時,利用零電流法測量所對應(yīng)的截止電壓大小。

        表1 實驗測量汞燈光源各個波長光照時所對應(yīng)的截止電壓大小

        表2 實驗測量氙燈光源各個波長光照時所對應(yīng)的截止電壓大小

        圖3給出了在兩種光源照射下頻率與截止電壓的關(guān)系,對頻率與截止電壓實驗數(shù)據(jù),利用Origin軟件線性擬合[15-16],所得到的相應(yīng)的擬合直線及擬合的線性方程得到斜率和相關(guān)系數(shù)的計算值和它們的標(biāo)準(zhǔn)偏差,利用式(3)將斜率乘以電子電荷量1.602×10-19C即可求得普朗克常量,這些數(shù)據(jù)并列于表3中。從圖3可以看出,在每種光源照射下截止電壓與不同光頻率的直線擬合都很好,表3相關(guān)系數(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)差的計算值也表明,在氙燈光照射時,頻率與截止電壓的相關(guān)系數(shù)最高,相關(guān)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差相對也比較小,這應(yīng)該是最為符合式的線性關(guān)系,也再次證明了氙燈是在光電效應(yīng)實驗和應(yīng)用中使用效果非常好的一種光源。

        圖3 不同光源照射下截止電壓與頻率的關(guān)系曲線及其線性擬合方程

        光源斜率大小k/×10-14h/×10-34J·s相對誤差E/%汞燈0.42946.8793.8氙燈0.40556.4962.0

        4 結(jié)  論

        在光電效應(yīng)測量普朗克常數(shù)的實驗中采用零電流法測量截止電壓的大小,再利用Origin軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,可以更便捷快速地計算得出普朗克常數(shù)值。光化學(xué)反應(yīng)器產(chǎn)生的氙燈光源、與傳統(tǒng)汞燈光源相比電參數(shù)一致性好,光源壽命長驅(qū)動簡單實驗時不需預(yù)熱,可以隨時點亮或關(guān)閉,工作狀態(tài)受外界條件變化的影響小,由于不同光源所包含的光譜成分不同,對實驗結(jié)果的分析清晰地表明氙燈是對于光電效應(yīng)實驗測量的一種效果非常好的光源。另外,在選擇相同的實驗方法基礎(chǔ)上,盡量消除了暗電流和雜散光產(chǎn)生的電流對實驗結(jié)果的影響,還應(yīng)考慮到光闌及光電管接收距離對實驗結(jié)果的影響。

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        Effect of Different Lamps on Planck Constant Effect inExperimentMeasurement

        ZHANG Feng-yun,WANG Xue-peng,DONG Kai-tuo

        (China University of Petrolem(East China),Shandong Qingdao 266580)

        Itintroducesthezerocurrentmethodtomeasurethecut-offvoltageinthephotoelectriceffectexperimentofmeasuringthePlanckconstant.ItalsoanalysestheinfluenceofthelightsourceproducedbymercurylampandxenonlamptothemeasurementofPlanckconstant.AccordingtotheanalysisofthedatafittingwithOriginsoftware,thegradientoftherelationcurveofcut-offvoltageandthephotonfrequencycanbegot,soastomoreaccuratelycountPlanckconstant.Theresultshowsthatunderthelightsourceproducedbyxenonlamp,therelativeerrorofresultsaresmallerandPlanckconstantwegetismoreaccurate,whichfullyprovesthatthelightsourceproducedbyxenonlampisthebestlightsourceinthephotoelectriceffectexperimentfromtheangleofexperiment.

        lamp;photoelectriceffect;Planckconstant;cut-offvoltage

        2016-03-10

        中國石油大學(xué)(華東)創(chuàng)新訓(xùn)練項目(20151358)

        1007-2934(2016)04-0039-03

        O4-33

        ADOI:10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.004.013

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