逍遥学能 2017-08-14 11:50
物理实验题在高考中所占比例很大，因此做好物理实验题很有必要。物理网为大家整理的高考物理演示实验：光电效应，希望可以对你有帮助。
一.实验目的
1.了解光电效应的基本规律，加深对光量子性的理解。
2.了解光电管的结构和性能，并测定其基本特性曲线。
3.验证爱因斯坦光电效应方程，测定普朗克常数。
二.实验仪器
光电管、光源、滤色片、微电流计、电压表、滑线电阻、直流电源、开关和导线等。
三.实验原理
1.光电效应及其规律
在一定频率的光的照射下，电子从金属(或金属化合物)表面逸出的现象称为光电效应，从金属(或金属化合物)表面逸出的电子称为光电子。研究光电效应的电路图如图3-19-1所示。实验表明光电效应有如下规律：
(1)只有当入射光频率大于某一定值时，才会有光电子产生，若光的频率低于这个值，则无论光强度多大，照射时间多长，都不会有光电子产生。即光电效应存在一个频率阈值0，称为截止频率。
(2)光电子的多少与光的强度有关，即饱和光电流IH与入射光的光强成正比。如图3-19-2所示，I～U曲线称为光电管伏安特性曲线，曲线(2)的光强是曲线(1)光强的一半。
光电管福安特性曲线
(3)光电子的动能(光电子的动能)与入射光的频率成正比，与光强无关。实验中反映初动能大小的是遏止电位差Ua。在图3-19-1电路中，将光电管阳极与阴极连线对调，即在光电管两极间加反向电压，则K、A间的电场将对阴极逸出的电子起减速作用，若反向电压增加，则光电流I减小，当反向电压达到Ua时，光电流为零(如图3-19-2所示)，此时电场力对光电子所作的功eUa等于光电子的初动能光电子的初动能，Ua称为遏止电位差。以不同频率的光照射时，Ua～关系曲线为一直线，如图3-19-3所示。
遏制电压与入射光频率的关系曲线
光电效应的这些实验规律，用光的电磁波理论不能作出圆满的解释。
1905年爱因斯坦提出了一个著名的理论光量子理论，成功地解释了光电效应现象。他认为一束频率为的光是一束以光速c运动的、具有能量的粒子流。这些粒子称为光量子，简称光子。h为普朗克常数。
按照光子论和能量守恒定律，爱因斯坦提出了一个著名的方程：
光子论和能量守恒定律方程(3-19-1)
金属中自由电子，从入射光中吸收一个光子的能量，克服电子从金属表面逸出时所需的逸出功A后，逸出表面，具有初动能光电子的初动能。
式(3-19-1)即为爱因斯坦光电效应方程，由此方程可圆满的解释光电效应的实验规律。
同样，由式(3-19-1)可知，要能够产生光电效应，需光电子的初动能0，即h-A0，光电效应，而光电效应就是截止频率0，光电效应。
实验时，测出不同频率的光入射时的遏止电位差Ua后，作Ua～曲线，Ua与成线性关系：
Ua与成线性关系即：Ua与成线性关系(3-19-2)
从直线斜率可求出普朗克常数h，由直线的截距可求得截止频率0。式(3-19-2)中的e为电子的电量。
真空光电管结构图
2.光电管
光电管是利用光电效应制成的能将光信号转化为电信号的光电器件。在一个真空的玻璃泡内装有两个电极，一个是阳极A，另一个是光电阴极K，如图3-19-4所示。光电阴极是附在玻璃泡内壁的一个薄层(有的附在璃泡内的半圆形金属片的内侧)，此薄层由具有表面光电效应的材料制成(常用锑铯金属化和物)。在阴极的前面，装有金属丝制成的单根(或圈成一个小环)的阳极。阴极受到光线照射的时候便发射电子，电子在外场的作用下向阳极运动形成光电流。
除真空式光电管以外，还有一种充气式的光电管。它的构造和真空式的完全相同，所不同的仅仅在真空的玻璃泡内充入了少量的惰性气体，如氩气等。当光电阴极被光线照射时便发射电子，发射的电子在趋向阳极的途中撞击惰性气体的分子，使气体游离成为正离子、负离子以及电子。撞击出的负离子、电子以及阴极发射的电子共同被阳极吸收，因此阳极的总电流便增大了，故充气式光电管比真空式光电管有较高的灵敏度。
(1)光电管的伏安特性
当以一定频率和强度的光照射光电管时，光电流随两极间电压变化的特性称之为光电管的伏安特性，其曲线如图3-19-2所示。图中AB段表示光电流随阳极电压的增加而增大，BC段表示当阳极电压的增大到某一值后，光电流不再增加，此时的光电流叫做饱和光电流IH，饱和光电流相当于所有被激发出来的电子全部到达阳极。实验表明，饱和光电流和入射光的光通量成正比，因此用不同强度的光照射阴极K时，可得到不同的伏安特性曲线。
(2)光电管的光电特性
当照射光电管的光的频率和两极间电压一定时，饱和光电流IH随照射光强度E变化的特性称之为光电管的光电特性。对于真空式光电管，其曲线成线性关系，如图3-19-5所示。
光电光的光电特性曲线
四.实验内容
1.仪器调节
按图3-19-1接好电路，选择好微电流计的量程，并调节其零点。
2.测光电管的伏安特性
把光源放在距光电管约30cm处，点亮光源，打开光电管盒上的盖子，使光正好射到光电管上。改变电压U，使光电管上的电压由0逐渐增加到30V，记录下光电流I随电压U变化的情况。然后给光电管加反向电压(将光电管两极连线对调)，改变电压，同时测出不同电压下的电流值。
以I为纵坐标，以U为横坐标，作伏安特性曲线，从曲线上得到饱和电流IH。
3.测定光电管的光电特性
将光电管极间电压固定在使光电流达到饱和区域的某一适当数值，使光电管位置不动，移动光源，使微电流计读数n等间隔的变化，记下相应的L值。
以n为纵坐标，以1/L2为横坐标作曲线图。
4.测定普朗克常数
(1)测光电管的暗电流
在无光照的情况下，改变光电管两端电压，记下相应暗电流值。
(2)测光电管的反向伏安特性
给光电管加反向电压，并使光源对准暗盒窗口，打开盖子，换上相应波长的滤色片。测量反向电压由零逐渐增加到反向电流达到饱和时不同电压下的光电流值。测量时，先观察一下不同电压下的光电流变化情况，在反向电流开始有明显变化处附近多测几组数据。换上不同波长的滤色片，重复上述步骤。
思考题：
把一块擦得很亮的锌板连接在灵每验电器上，用弧光灯照锌板，验电器的指针就张开一个角度，表明锌板带了电.进一步检查知道锌板带()电。这表明在弧光灯的照射下，锌板中有一部分()从表面飞了出去锌板中少了()，于是带()电。
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