張風(fēng)昀，王雪鵬，董開拓

[中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島　266580]

?

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。

[1]鄭冬梅，閆迎利.光電效應(yīng)與光電器件的應(yīng)用[J]．現(xiàn)代物理知識,2006，18(2):12-13．

[2]黃梅珍，唐九耀，陳鈺清.基于半導(dǎo)體橫向光電效應(yīng)的位置敏感探測器[J]．光電與控制,2000，2(1):34-37．

[3]袁振卓.光電效應(yīng)及光電方程的作用[J]． 物理教學(xué)探討,2008，314 (26):21-30．

[4]張亞萍，馬紅章，王殿生，等．建設(shè)物理實驗系列課程培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力[J]． 實驗室研究與探索． 2014，33(6):214-218．

[5]張亞萍，黃柳賓，聶士忠，等． 優(yōu)化大學(xué)物理實驗教學(xué)模式的探析[J]．中國石油大學(xué)學(xué)報:社會科學(xué)版． 2009(Z):174-176．

[6]彭少丹，丁聯(lián)成，李曉強(qiáng)，等． 實驗教學(xué)與學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)探索[J]． 實驗科學(xué)與技術(shù)． 2014，12(1):144-145．

[7]黃柳賓，王殿生，劉彥民．物理實驗開放式教學(xué)改革及實驗室建設(shè)[J]． 實驗技術(shù)與管理,2003，20(4):98-100．

[8]吳麗君，李倩． 光電效應(yīng)測普朗克常數(shù)的三種方法[J]． 大學(xué)物理實驗,2007，20(4):49-52．

[9]白光富，袁升，馬澤斌，等． 光電效應(yīng)測普朗克常數(shù)新數(shù)據(jù)處理方法[J]． 物理與工程,2013，23(3):4-8．

[10] 章佳偉，殷士龍．在光電效應(yīng)試驗中用曲率法測普朗克常量[J]． 物理實驗,2003，23(11):42-44．

[11] 孫嘉興，劉艷俠．普朗克常量測定系統(tǒng)中實驗數(shù)據(jù)的采集和處理[J]．物理實驗,2000，21(3):17-19．

[12] 王瑩，陳東生． 利用LED的量子特性設(shè)計新型普朗克常數(shù)測定儀[J]．大學(xué)物理實驗,2012，25(3):42-44．

[13] 楊紅梅．光電效應(yīng)實驗儀的改進(jìn)[J]． 株洲工學(xué)院學(xué)報,2002，16(6):99-101．

[14] 李書光，張亞萍，朱海豐．大學(xué)物理實驗[M]．北京：科學(xué)出版社，2012.

[15] 呂佩偉，施洋，馬守設(shè)．光電效應(yīng)實驗中光闌大小對實驗結(jié)果影響的探索[J]．大學(xué)物理實驗． 2014，27(3):68-70．

[16] 劉海力，謝常清，郭平生．利用origin輔助測量普朗克常數(shù)[J]． 廣西物理，2010，31(1):51-52．

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