实验七、液晶光电效应综合实验
薛清峰、周庆杰
【摘要】
本实验主要通过液晶光开关电光特性综合试验仪来进行液晶的电光特性测量实验，测量液晶光开关的电光特性曲线，并由此得到阈值电压和关断电压，并绘制液晶光开关的时间响应曲线得到液晶的上升时间和下降时间，测量由液晶光开关矩阵所构成的液晶显示器的视角特性以及在不同视角下的对比度，了解液晶光开关的工作条件。
【关键字】
液晶、光电效应、
【引言】
液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态。一般的液体内部分子排列是无序的，而液晶既具有液体的流动性，其分子又按一定规律有序排列，使它呈现晶体的各向异性。当光通过液晶时，会产生偏振面旋转，双折射等效应。液晶分子是含有极性基团的极性分子，在电场作用下，偶极子会按电场方向取向，导致分子原有的排列方式发生变化，从而液晶的光学性质也随之发生改变，这种因外电场引起的液晶光学性质的改变称为液晶的电光效应。
【实验目的】
1．在掌握液晶光开关的基本工作原理的基础上，测量液晶光开关的电光特性曲线，并由电光特性曲线得到液晶的阈值电压和关断电压。
2．测量驱动电压周期变化时，液晶光开关的时间响应曲线，并由时间响应曲线得到液晶的上升时间和下降时间。
3．测量由液晶光开关矩阵所构成的液晶显示器的视角特性以及在不同视角下的对比度，了解液晶光开关的工作条件。
4．了解液晶光开关构成图像矩阵的方法，学习和掌握这种矩阵所组成的液晶显示器构成文字和图形的显示模式，从而了解一般液晶显示器件的工作原理。
【实验仪器】
本实验所用仪器为液晶光开关电光特性综合实验仪，其外部结构如图6 所示。下面简单介绍仪器各个按钮的功能。
模式转换开关：切换液晶的静态和动态（图像显示）两种工作模式。在静态时，所有的液晶单元所加电压相同，在（动态）图像显示时，每个单元所加的电压由开关矩阵控制。同时，当开关处于静态时打开发射器，当开关处于动态时关闭发射器；
静态闪烁/动态清屏切换开关：当仪器工作在静态的时候，此开关可以切换到闪烁和静止两种方式；当仪器工作在动态的时候，此开关可以清除液晶屏幕因按动开关矩阵而产生的斑点；
供电电压显示：显示加在液晶板上的电压，范围在0.00V～7.60V 之间；
供电电压调节按键：改变加在液晶板上的电压，调节范围在0V～7.6V 之间。其中单击＋按键（或－按键）可以增大（或减小）0.01V。一直按住＋按键（或－按键）2 秒以上可以快速增大（或减小）供电电压，但当电压大于或小于一定范围时需要单击按键才可以改变电压；
透过率显示：显示光透过液晶板后光强的相对百分比；
透过率校准按键：在接收器处于最大接收状态的时候（即供电电压为0V 时），如果显示值大于“250”，则按住该键3 秒可以将透过率校准为100％；如果供电电压不为0，或显示小于“250”，则该按键无效，不能校准透过率。
液晶驱动输出：接存储示波器，显示液晶的驱动电压；
光功率输出：接存储示波器，显示液晶的时间响应曲线，可以根据此曲线来得到液晶响应时间的上升时间和下降时间；
扩展接口：连接LCDEO 信号适配器的接口，通过信号适配器可以使用普通示波器观测液晶光开关特性的响应时间曲线；
发射器：为仪器提供较强的光源；
液晶板：本实验仪器的测量样品；
接收器：将透过液晶板的光强信号转换为电压输入到透过率显示表；
开关矩阵：此为16×16 的按键矩阵，用于液晶的显示功能实验；
液晶转盘：承载液晶板一起转动，用于液晶的视角特性实验；
电源开关：仪器的总电源开关。
【实验原理】
1．液晶分类
大多数液晶材料都是由有机化合物构成的。这些有机化合物分子多为细长的棒状结构，长度为数nm，粗细约为0.1nm量级，并按一定规律排列。就形成液晶方式而言，液晶可分为热致液晶和溶致液晶。热致液晶在一定的温度范围内呈现液晶的光学各向异性，溶致液晶是溶质溶于溶剂中形成的液晶。热致液晶按照液晶分子排列方式不同又可分为近晶相、向列相和胆甾相。近晶相液晶，结构大致如图4.6.1（a），这种液晶的结构特点是：分子分层排列，每一层内的分子长轴相互平行，且垂直与层面。向列相液晶，结构如图4.6.1（b），这种液晶的结构特点是：分子的位置比较杂乱，不再分层排列。但各分子的长轴方向仍大致相同，光学性质上有点像单轴晶体。胆甾相液晶，结构大致如图4.6.1（c），分子也是分层排列，每一层内的分子长轴方向基本相同并平行于分层面，但相邻的两层中分子长轴的方向逐渐转过一个角度，总体来看长轴方向呈现一种螺旋结
构。其中向列相液晶是液晶显示器件的主要材料。
（a） (b) (c)
图4.6.1
2．TN型液晶及其电光效应
TN型液晶又称扭曲向列相液晶，是将向列相液晶材料夹在涂覆透明电极的两块玻璃基板之间，四周用密封材料(一般为环氧树脂)密封。两玻璃基板内侧覆盖着一层定向处理层（配向膜），经定向摩擦处理，可使棒状液晶分子平行于玻璃基板表面并沿定向处理的方向排列，两玻璃基板内侧面的定向处理方向互相垂直。由于液晶分子间范德瓦尔斯力的作用，使得盒内液晶分子的取向平行于玻璃板表面并自一侧到另一侧逐渐扭曲，从一侧玻璃板到另一侧玻璃板扭曲了0
90，如图4.6.2（a），所以称为扭曲向列相液晶，这种装置称为液晶盒。
（a） (b)
图4.6.2
理论和实验证明：扭曲向列相液晶具有类似于晶体的旋光效应，当入射的线偏振光通过扭曲排列的液晶传播到另一侧时，其偏振方向会顺着分子扭曲的方向转过一定的角度。线偏振光通过液晶材料，其偏振方向转过的角度称为液晶的扭
90。
曲角，理想情况为0
对液晶盒施加电压，当达到某一数值时，液晶分子在电场作用下长轴开始沿电场方向倾斜，电压继续增加到某一数值（本实验12V）时，除附着在液晶盒上下表面的液晶分子外，所有液晶分子长轴都按电场方向进行重排列，如图4.6.2(b)，旋光效应随之消失，这时，线偏振光垂直入射到液晶盒上，通过液晶
盒其偏振方向将不发生变化，这种在电场作用下液晶旋光效应消失的现象，称为扭曲向列相液晶电光效应。
3．液晶光开关工作原理及显示数字、图形的原理
利用液晶的这种电光效应可以制成液晶光开关和各种显示器件。将两个偏振片置于液晶盒的两侧，其中一侧偏振片用作起偏器，其透振方向与液晶盒左侧分子轴向平行，另一侧偏振片用作检偏器，其透振方向与起偏器透振方向平行或垂直，就构成液晶光开关。若检偏器2P 透振方向与起偏器1P 透振方向垂直，不加电压时，入射光通过起偏器形成线偏振光，经过液晶盒后偏振方向随液晶分子轴向旋转090，偏振方向与检偏器透振方向相同，有光通过检偏器；施加足够电压后，旋光效应消失，通过液晶合后光偏振方向不变，与检偏器透振方向垂直，光不能通过检偏器。由于上述光开关在没有电场的情况下让光透过，加上电场光被关断，因此叫做常白模式液晶光开关，如图4.6.3所示。若检偏器透振方向与起偏器透振方向平行，则没有电场的情况下，光被关断，加上电场的时候，有光通过，称为常黑模式液晶光开关。
图4.6.3
利用液晶光开关对外界光线的开关控制可以实现信息显示。TN 型液晶光开关主要用于数字、简单字符及图案显示，主要有笔段式显示和矩阵式显示方式。笔段式显示比较简单，主要用于数码显示，笔段式TN 液晶显示屏是通过段形显示像素实现显示的。段形显示像素是指显示像素为一个长棒形，也称笔段形，在
光断
入射光
P1
P2
入射光
光通
P1
P2
液晶盒
液晶盒
数字显示时，常采用七段电极结构，即每位数字由一个“8”字形公共电极和构成“8”字图案的七个段形电极组成，如图4.6.4(a)所示，分别设置在液晶显示屏的两个玻璃基板内侧，通过控制电路和驱动电路有选择地在各电极段上加上电压，来显示不同的数字，例如，在a 、b 、g 、e 、d 电极段上加上电压可以显示数字“2”。如图4.6.4（b ）所示。
(a) (b)
图4.6.4
矩阵式显示屏的两个玻璃基板内侧分别由行电极和列电极组成，行和列的交叉点组成像素点，通过分别在行电极、列电极上加扫描信号和控制电压信号，逐行扫描让每一个液晶光开关处于关断或选通，所有行被扫描一遍，处于选通的像素点组成文字、图形和图像。
4．液晶电光特性
液晶在电场作用下将引起透光强度的变化，透光强度随外加电压的变化关系称为液晶电光特性。对于常白模式的液晶光开关，其液晶电光特性曲线如图4.6.5所示。
图4.6.5
在液晶电光特性曲线上，对于常白模式透射率为90%而对于常黑模式透射率为10%的驱动电压我们称为阈值电压，对于常白模式透射率为10%
而对应常黑模
a
g
e
d
c
f
式透射率为90%的驱动电压称为关断电压。阈值电压与关断电压的差值越小，即曲线越陡，由液晶光开关单元构成显示器件允许的驱动路数越多。
液晶光开关作为显示单元其对比度是反映液晶屏图像质量的一个重要参数，对比度c 定义为min max /P P c ，其中max P 、min P 为液晶光开关接通和关断时透射光的强度。
5．液晶光开关时间响应特性
加上或去掉驱动电压，液晶光开关的状态会发生变化，这种状态随外电场变化的快慢，反映在液晶对外电场的响应速度上。液晶对外电场的响应速度是液晶显示的一个重要参数，用上升时间和下降时间来衡量。液晶的响应时间越短，显示动态图像的效果越好，早期的液晶显示器在这方面逊色于其它显示器，现在通过结构方面的改进，已达到很好的效果，
给液晶上加高频间歇驱动电压信号，液晶光强随驱动电压的变化情况如图4.6.6所示。
上升时间：透射率由10%上升到90%对应的时间 下降时间：透射率由90%下降到10%对应的时间
.00t
图4.6.6
5．液晶光开关的视角特性
液晶光开关的视角特性表示对比度与视角
的关系。对比度定义为光开关打开和关断时透射
光强度之比，对比度大于 5 时，可以获得满意
的图像，对比度小于2，图像就模糊不清了。
图 4 表示了某种液晶视角特性的理论计算
结果。图 4 中，用与原点的距离表示垂直视角
（入射光线方向与液晶屏法线方向的夹角）的
大小。
图中 3 个同心圆分别表示垂直视角为 30，
60 和 90 度。90度同心圆外面标注的数字表示
水平视角（入射光线在液晶屏上的投影与 0 度方向之间的夹角）的大小。图 3 中的闭合曲线为不同对比度时的等对比度曲线。
由图 4 可以看出，液晶的对比度与垂直与水平视角都有关，而且具有非对称性。若我们把具有图 4 所示视角特性的液晶开关逆时针旋转，以220 度方向向下，并由多个显示开关组成液晶显示屏。则该液晶显示屏的左右视角特性对称，在左，右和俯视 3 个方向，垂直视角接近 60 度时对比度为 5，观看效果较好。在仰视方向对比度随着垂直视角的加大迅速降低，观看效果差。
【实验内容与步骤】
1. 准备工作：
(1)检查仪器初始状态：发射器光线必须垂直入射到接收器，当没有安装液晶板时，透过率显示为“999”的情况下，我们就认为光线垂直入射到了接收器上；安装上液晶板后，透过率显示为“600±100”的情况下，我们就认为光线垂直入射到了接收器上。
(2)将液晶板金手指1插入转盘上的插槽，液晶凸起面必须正对光源发射方向。打开电源，点亮光源，让光源预热10 分钟左右。（若光源未亮，检查模式转换开关。只有当模式转换开关处于静态时，光源才会被点亮。）
(3)检查仪器初始状态：发射器光线必须垂直入射到接收器。在静态模式、液晶
转盘角度为0 度、供电电压为0V 条件下，透过率显示大于“250”时，按住透过率校准按键 3 秒以上，透过率可校准为100%。（若供电电压不为0，或显示小于“250”，则该按键无效，不能校准透过率）若不为此状态，需增加光源预热时间，同时检查前面的操作是否有误，重新调整仪器光路，直到达到上述条件为止。
2.液晶光开关电光特性测量
①将模式转换开关置于静态模式。首先将透过率显示调到100％，然后再进行实验。
②调节“供电电压调节”按键，按表1 的数据改变电压，使得电压值从0V 到6V 变化，记录相应电压下的透射率数值。
③将供电电压重新调回0V（此时若透过率不为100%，则需重新校准）。
④重复测量3 次并计算相应电压下透射率的平均值，依据实验数据绘制电光特性曲线，可以得出阈值电压和关断电压。
表 1 液晶光开关电光特性测量
3.液晶的时间响应的测量
将模式转换开关置于静态模式，透过率显示调到100，然后将液晶供电电压调到2.00V，在液晶静态闪烁状态下，用存贮示波器观察此光开关时间响应特性曲线，可以根据此曲线得到液晶的上升时间和下降时间。
表2 时间响应的数值表
4．液晶光开关视角特性的测量
1.确认液晶板以水平方向插入插槽
2.将模式转换开关置于静态模式，在转角为0度，供电电压为0V，透过率显示大于“250”时，按住“透过率校准”按键3S以上，将透过率校准为100%。3，将供电电压置于0V，按照表中所列的角度调节液晶屏与入射激光的角度，记录下在每一角度时的光强透过率值Tmax。
4.将液晶转盘保持在0度位置，调节供电电压为2V。在该电压下，再次调节液晶屏角度，记录下在每一角度时的光强透过率值Tmax。
5.切断电源，取下显示屏，将液晶板旋转90度，以垂直方向插入转盘。
6.打开电源，按照步骤2，3,4，可测得垂直方向时在不同供电电压，不同角度时的透过率值。
表3 水平方向视角特性
表4 垂直方向视角特性
4．液晶显示器显示原理
①将模式转换开关置于动态（图像显示）模式。液晶转盘转角逆时针转到80 度，液晶供电电压调到5V 左右。
②按动矩阵开关面板上的按键，改变相应液晶相素的通断状态，观察由暗象素（或亮象素）组合成的字符或图像，体会液晶显示器件的成像原理。
③组成一个字符或文字后，可由“静态闪烁/动态清屏”按键清除显示屏上的图像。
④实验完成后，关闭电源开关。
【数据记录与处理】
（3）液晶光开关电光特性测量
根据数据画出液晶光开关的电光特性曲线。由曲线求出液晶的阈值电压和关断电压。液晶的电光特性曲线见下图。
由图可得液晶的阈值电压为（90%）1.15V，关断电压为（10%）1.85V。
表 1 液晶光开关电光特性测量
2.液晶的时间响应的测量
由表2和开关时间响应特性曲线可以得到液晶的上升时间和下降时间。
上升时间为36.38ms，下降时间为40.08ms
时间响应特性曲线
3．液晶光开关视角特性的测量
由水平视角和垂直视角的图像分析液晶的视角特性，计算对比度
对比度：光开关打开和关断时透射光强度之比，对比度大于5时，可以获得满意的图像，对比度小于2，图像模糊。
由下图的图像可得，在水平视角时，从-75到75时的对比度都大于5，可以获得满意的图像。而在垂直视角时，只有在-15到15度范围内液晶的对比度大于5，可以获得满意的图像，在-30到-20度和20到30度这两段范围内对比度介于2和5之间，观看效果还行。
表3 水平方向视角特性
表4 垂直方向视角特性
【实验讨论与注意事项】
1．禁止用光束照射他人眼睛或直视光束本身，以防伤害眼睛！
2．在进行液晶视角特性实验中，更换液晶板方向时，务必断开总电源后，再进行插取，否则将会损坏液晶板；
3．液晶板凸起面必须要朝向光源发射方向，否则实验记录的数据为错误数据；4．在调节透过率100％时，如果透过率显示不稳定，则可能是光源预热时间不够，或光路没有对准，需要仔细检查，调节好光路；
5．在校准透过率100％前，必须将液晶供电电压显示调到0.00V 或显示大于
“250” ，否则无法校准透过率为100％。在实验中，电压为0.00V 时，不要长时间按住“透过率校准”按钮，否则透过率显示将进入非工作状态，本组测试的数据为错误数据，需要重新进行本组实验数据记录。
【参考文献】
[1]液晶电光效应综合实验仪操作说明书,2005
[2]丁柳贯，液晶电光效应实验研究，2005
[3]周江，液晶电光效应实验讲义，2009
[4]中国海洋大学大学物理综合设计实验讲义，2011
南昌大学物理实验报告 学生姓名：黄晨学号：5502211059 专业班级：应用物理学111班班级编号：S008实验时间：13时00 分第3周星期三座位号：07 教师编号：T003成绩： 光电效应 一、实验目的 1、研究光电管的伏安特性及光电特性；验证光电效应第一定律； 2、了解光电效应的规律，加深对光的量子性的理解； 3、验证爱因斯坦方程，并测定普朗克常量。 二、实验仪器 普朗克常量测定仪 三、实验原理 当一定频率的光照射到某些金属表面上时，有电子从金属表面逸出，这种现象称为光电效应，从金属表面逸出的电子叫光电子。实验示意图如下 图中A,K组成抽成真空的光电管，A为阳极，K为阴极。当一定频率v的光射到金属材料做成的阴极K上，就有光电子逸出金属。若在A、K两端加上电压后光电子将由K定向的运动到A，在回路中形成电流I。 当金属中的电子吸收一个频率为v的光子时，便会获得这个光子的全部能量，如果这些能量大于电子摆脱金属表面的溢出功W，电子就会从金属中溢出。按照能量守恒原理有
南昌大学物理实验报告 学生姓名：黄晨学号：5502211059 专业班级：应用物理111 班级编号：S008实验时间：13 时00分第03周星期三座位号：07 教师编号：T003成绩：此式称为爱因斯坦方程，式中h为普朗克常数，v为入射光频。v存在截止频率，是的 吸收的光子的能量恰好用于抵消电子逸出功而没有多余的动能，只有当入射光的频率大于截止频率时，才能产生光电流。不同金属有不同逸出功，就有不同的截止频率。 1、光电效应的基本实验规律 （1）伏安特性曲线 当光强一定时，光电流随着极间电压的增大而增大，并趋于一个饱和值。 （2）遏制电压及普朗克常数的测量 当极间电压为零时，光电流并不等于零，这是因为电子从阴极溢出时还具有初动能，只有加上适当的反电压时，光电流才等于零。
实验题目：光电效应法测普朗克常量 实验目的：1.了解光电效应的基本规律； 2.用光电效应方法测量普朗克常量和测定光电管的光电特性曲线。 实验原理：当光照在物体上时，光的能量仅部分地以热的形式被物体吸收，而另一部分则转换为物体中某些电子的能量，使电子逸出物体表面，这种现象称为光电效应，逸出的电子称为光电子。在光电效应中，光显示出它的粒子性质，所以这种现象对认识光的本性，具有极其重要的意义。 光电效应实验原理如图8.2.1-1所示。 1． 光电流与入射光强度的关系 光电流随加速电位差U 的增加而增加，加速电位差增加到一定量值后，光电流达到饱和值和值I H ，饱和电流与光强成正比，而与入射光的频率无关。当U= U A -U K 变成负值时，光电流迅速减小。实验指出，有一个遏止电位差U a 存在，当电位差达到这个值时，光电流为零。 2． 光电子的初动能与入射频率之间的关系 光电子从阴极逸出时，具有初动能，在减速电压下，光电子逆着电场力方向由K 极向A 极运动。当U=U a 时，光电子不再能达到A 极，光电流为零。所以电子的初动能等于它克服电场力作用的功。即 a eU mv =2 2 1 （1） 根据爱因斯坦关于光的本性的假设，光是一粒一粒运动着的粒子流，这些光粒子称为光子。每一光子的能量为hv =ε，其中h 为普朗克常量，ν为光波的频率。所以不同频率的光波对应光子的能量不同。光电子吸收了光子的能量h ν之后，一部分消耗于克服电子的逸
出功A ，另一部分转换为电子动能。由能量守恒定律可知 A mv hv += 2 2 1 （2） 式（2）称为爱因斯坦光电效应方程。 由此可见，光电子的初动能与入射光频率ν呈线性关系，而与入射光的强度无关。 3． 光电效应有光电存在 实验指出，当光的频率0v v <时，不论用多强的光照射到物质都不会产生光电效应，根据式（2），h A v = 0，ν0称为红限。 爱因斯坦光电效应方程同时提供了测普朗克常量的一种方法：由式（1）和（2）可得： A U e hv +=0，当用不同频率（ν1，ν2，ν3，…，νn ）的单色光分别做光源时，就有 A U e hv +=11 A U e hv +=22 ………… A U e hv n n += 任意联立其中两个方程就可得到 j i j i v v U U e h --= )( （3） 由此若测定了两个不同频率的单色光所对应的遏止电位差即可算出普朗克常量h ，也可由ν-U 直线的斜率求出h 。 因此，用光电效应方法测量普朗克常量的关键在于获得单色光、测得光电管的伏安特性曲线和确定遏止电位差值。 实验中，单色光可由水银灯光源经过单色仪选择谱线产生。 表8.2.1-1 可见光区汞灯强谱线
用光电效应测普朗克常数 【实验简介】 光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象。在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电。光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。科学家们在研究光电效应的过程中，物理学者对光子的量子性质有了更加深入的了解，这对波粒二象性概念的提出有重大影响。 普朗克常数记为h，是一个物理常数，用以描述量子大小，约为62619 .6。在量子力学中占有重要的角色，马克斯?普朗克在1900年研10 ?-34 s J? 究物体热辐射的规律时发现，只有假定电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行的，计算的结果才能和试验结果是相符。这样的一份能量叫做能量子，每一份能量子等于，为辐射电磁波的频率。普朗克常数是自然科学中一个很重要的常量，它可以用光电效应简单而又准确地测量。 【实验目的】 1、通过实验深刻理解爱因斯坦的光电效应理论，了解光电效应的基本规律； 2、掌握用光电管进行光电效应研究的方法； 3、学习对光电管伏安特性曲线的处理方法，并用以测定普朗克常数。 【实验仪器】 GD-4型智能光电效应(普朗克常数)实验仪(由光电检测装置和实验仪主机两部分组成)光电检测装置包括：光电管暗箱GDX-1，高压汞灯箱GDX-2；高压汞灯电源GDX-3和实验基准平台GDX-4。实验主机为：GD-4型光电效应(普朗克常数)实验仪，该仪器包含有微电流放大器和扫描电压源发生器两部分组成的整体仪器。
【实验原理】 1、普朗克常数的测定 根据爱因斯坦的光电效应方程： P s E hv W =- （1） (其中：P E 是电子的动能，hv 是光子的能量，v 是光的频率，s W 是逸出功, h 是普朗克常量。)s W 是材料本身的属性，所以对于同一种材料s W 是一样的。当光子的能量s hv W <时不能产生光电子，即存在一个产生光电效应的截止频率0v （0/s v W h =）。实验中：将A 和K 间加上反向电压KA U (A 接负极),它对光电子运动起减速作用.随着反向电压KA U 的增加,到达阳极的光电子的数目相应减少,光电流减小。当KA s U U =时，光电流降为零，此时光电子的初动能全部用于克服反向电场的作用。即： s P eU E = （2） 这时的反向电压叫截止电压。入射光频率不同时，截止电压也不同。将（2）式代入（1）式，得： 0s h U v v e =-（） （3） （其中0/s v W h =）式中h e 、都是常量，对同一光电管0v 也是常量，实验中测量不同频率下的s U ，做出s U v -曲线。在（3）式得到满足的条件下，这是一条直线。若电子电荷e 已知，由斜率h k e = 可以求出普朗克常数h 。由直线上的截距可以求出溢出功s W ，由直线在v 轴上的截距可以求出截止频率0v 。如图（2）所示。 2、测量光电管的伏安特性曲线 在照射光的强度一定的情况下，光电管中的电流I 与光电管两端的电压AK U 之间存在着一定的关系。 理想曲线与实验曲线有所不同，原因有： ①光电管的阴极采用逸出电势低的材料制 成，这种材料即使在高真空中也有易氧化的趋向，使阴极表面各处的逸出电势不尽相等，同时，逸出具有最大动能的光电子数目大为减少。随着反向电压的增高， 光电流不是陡然截止，而是较快降低后平缓的趋近零点。
《光的粒子性第一课时：光电效应》教学设计 一、教材分析 1、组成成分及地位和作用 《光的粒子性》是高中新教材人教版选修3-5第十七章《波粒二象性》的第二节内容，内容旨在第一节《能量量子化》内容的基础上，通过光电效应和康普顿效应分别说明光子既具有能量又具有动量，进而说明光具有粒子性。本节课选择讲授第一部分，即光电效应的部分。由光电效应的提出、光电效应的实验规律、爱因斯坦的光电效应方程三部分组成。本节课的内容在物理学的发展史上具有里程碑式的意义，从这里人们开始认识到光的粒子性，并且更多的科学家接受了量子的观点，为近代物理学的发展打下了坚实的基础。 二、学情分析 1、已有的认知水平 学生经过了选修3-4教材有关机械波和光学的学习，已经知道光具有干涉、衍射现象，光的电磁波本质，对光的波动性有了较为深入的了解，也可以说对于经典理论中的光的性质有了较深的印象。同时在本章第一节，学生初步有了能量子的概念。基于以上分析，根据学生已经具备的知识以及现阶段学生的能力，学生完全可以在教师的引导下完成本节课的学习。 2、学习中的困难 本节课的难点就在于摆脱经典理论对思维的束缚，打破由光的干涉、衍射建立起来的“光是一种波，只具有波动性”的固有印象，接受光量子说，并将光量子的观点应用到解释光电效应和康普顿效应中。 三、教学目标分析 根据学生的认知水平和教科书的内容，确立本节课的教学目标为： （1）了解光电效应及其实验规律，感受以实验为基础的科学研究方法 （2）了解爱因斯坦光电效应方程及其意义，感受科学家在面对科学疑难时的创新精神 四、教学重点、难点分析
（2）爱因斯坦光电效应方程 ?教学难点：（1）经典理论在解释光电效应问题时的困难 （2）爱因斯坦光电效应方程如何完整的解释光电效应现像 五、学法与教法分析 ?学法分析 根据学生的实际情况，我将“如何应用知识分析实际问题并进行逐步研究”作为本节课学法指导的重点。在教学中，充分发挥学生的主观能动性，通过分析光电效应的研究过程中遇到的每个问题，感受科学研究的过程，锻炼理论分析能力、知识应用能力。 ?教法分析 （1）启发式教学方法。通过对于物理学史的分析，启发学生思考光电效应从发现现象到探索规律整个过程中的重要问题、观察实验现象，让学生感受科学研究的过程。 （2）实验与理论相结合。实验与理论结合教学让学生认识到实验在物理学发展过程中的作用（3）培养学生的科学情怀。简介光电效应研究过程做出贡献的科学家，使学生体会科学家们探索科学问题的伟大历程 六、教学资源设计 电脑、多媒体辅助教学、毛皮与橡胶棒、锌版、验电器、光电效应演示器、强光手电、滤光片 七、教学过程设计
光电效应实验 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,这种现象称为光电效应。1887年赫兹发现了光电效应现象，以后又经过许多人的研究，总结出一系列实验规律。1905年，爱因斯坦在普朗克能量子假设的基础上，提出了光量子理论，成功地解释了光电效应的全部规律。 实验原理 光电效应的实验原理如图1所示。用强度为P 的单色光照射到光电管阴极K 时，阴极释放出的光电子在电场的加速作用下向阳极板A 迁移，在回路中形成光电流。 图1 实验原理图 图2 光电管同一频率不同光强的 伏安特性曲线 用实验得到的光电效应的基本规律如下： 1、 光强P 一定时，改变光电管两端的电压AK U ，测量出光电流I 的大小，即可得 出光电管的伏安特性曲线。随AK U 的增大，I 迅速增加，然后趋于饱和，饱和 光电流m I 的大小与入射光的强度P 成正比。 2、 当光电管两端加反向电压时，光电流将逐步减小。当光电流减小到零时，所对 应的反向电压值，被称为截止电压U 0（图2）。这表明此时具有最大动能的光 电子刚好被反向电场所阻挡，于是有 0202 1eU mV =（式中m 、V 0、e 分别为电子的质量、速度和电荷量）。（1） 不同频率的光，其截止电压的值不同（图3）。 3、 改变入射光频率ν时，截止电压U 0随之改变，0U 与ν成线性关系（图4）。实 验表明，当入射光频率低于0ν(0ν随不同金属而异，称为截止频率)时，不论光 的强度如何，照射时间多长，都没有光电流产生。
图3光电管不同频率的伏安特性曲线 图4截止电压U 0与频率ν的关系 4、光电效应是瞬时效应。即使入射光的强度非常微弱，只要频率大于0ν，在开始照射后立即有光电子产生，延迟时间最多不超过910-秒。 经典电磁理论认为，电子从波阵面上获得能量，能量的大小应与光的强度有关。因此对于任何频率，只要有足够的光强度和足够的照射时间，就会发生光电效应，而上述实验事实与此直接矛盾。显然经典电磁理论无法解释在光电效应中所显示出的光的量子性质。 按照爱因斯坦的光量子理论，光能是集中在被称之为光子的微粒上，但这种微粒仍然保持着频率（或波长）的概念，频率为ν的光子具有能量ν=h E ，h 为普朗克常数。当光束照射金属时，是以光粒子的形式打在它的表面上。金属中的电子要么不吸收能量，要么就吸收一个光子的全部能量νh ，而无需积累能量的时间。只有当这能量大于电子摆脱金属表面约束所需的逸出功A 时，电子才会以一定的初动能逸出金属表面。按照能量守恒原理，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程： A mV hv +=2021 （2） 式中，A 为金属的逸出功，202 1mV 为光电子获得的初始动能。 由该式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能越大。光子的能量A h 0<ν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）是h A 0=ν。 将（2）式代入（1）式中可得： A h eU 0-ν= （3） )(00v v e h U -= 此式表明截止电压0U 是频率ν的线性函数。只要用实验方法得出不同的频率的截止电压，由直线斜率和截距，就可分别算出普朗克常数h 和截止频率0ν。基于此，在爱因斯坦光量子理论提出约十年后，密立根用实验证实了爱因斯坦的光电效应方程，并精确地测定了普朗克常数。两位物理大师在光电效应等方面的杰出贡献，分别于1921
光电效应测普朗克常量 姓名：梁智健 学院：材料成型及控制工程166班 学号：5901216163 台号：22 时间：2017-10-16 实验教室：309 【实验目的】 1、验证爱因斯坦光电效应方程，并测定普朗克常量h。 2、了解光电效应规律，加深对光的量子性的理解。 3、学会用作图法处理数据。 4、研究光电管的伏安特性及光电特性。 【实验仪器】 1.光电效应测定仪 2.光电管暗箱 3.汞灯灯箱以及汞灯电源箱。 【实验原理】 1、当光照射在物体上时，光的能量只有部分以热的形式被 物体所吸收，而另一部分则转换 为物体中某些电子的能量，使这 些电子逸出物体表面，这种现象 称为光电效应。在光电效应这一 现象中，光显示出它的粒子性， 所以深入观察光电效应现象，对 认识光的本性具有极其重要的意 义。普朗克常数h是1900年普朗克 为了解决黑体辐射能量分布时提 出的“能量子”假设中的一个普
适常数，是基本作用量子，也是粗略地判断一个物理体系是否需要用量子力学来描述的依据。 1905年爱因斯坦为了解释光电效应现象，提出了“光量子”假设，即频率为v 的光子其能量为h v ?。当电子吸收了光子能量h v ?之后，一部分消耗与电子的逸出功W ，另一部分转换为电子的动能212 m v ?，即爱因斯坦光电效应方程 212m hv mv W =+(1) 2、光电效应的实验示意图如图1所示，图中GD 是光电管， K 是光电管阴极，A 为光电管阳 极，G 为微电流计，V 为电压表， E 为电源，R 为滑线变阻器，调 节R 可以得到实验所需要的加 速电位差AK U 。不同的电压AK U ，回路中有不同的电流I 与之对 应，则可以描绘出如图2所示的 AK U -I 伏安特性曲线。 （1）饱和电流的强度与光强成 正比 加速电压AK U 越大，电流I 越大，当AK U 增加到一定值后，电流达到最大值H I ，H I 称为饱和电流，而且H I 的大小只与光强成正比。 （2）遏制电压的大小与照射光的频率成正比 如图3所示，电源E 反向连接，即当加速电压AK U 变为负值时，电流I 会迅速较少，当加速电压AK U 负到一定值Ua 时，电流0I =，这个电压Ua 叫做遏制电压，4所示。 212 a mv e U =?(2)
第二节光的粒子性 一、教学目标 1．应该掌握的知识方面． (1)光电效应现象具有哪些规律． (2)人们研究光电效应现象的目的性． (3)爱因斯坦的光子说对光电效应现象的解释． 2．培养学生分析实验现象，推理和判断的能力方面． (1)观察用紫外线灯照射锌板的实验，分析现象产生的原因． (2)观察光电效应演示仪的实验过程，掌握分析现象所得到的结论． 3．结合物理学发展史使学生了解到科学理论的建立过程，渗透科学研究方法的教育． 二、重点、难点分析 1．光电效应现象的基本规律、光子说的基本思想和做好光电效应的演示实验是本节课的重点． 2．难点是(1)对光的强度的理解，(2)发生光电效应时光电流的强度为什么跟光电子的最大初动能无关，只与入射光的强度成正比． 三、教具 锌板、验电器、紫外线灯、白炽灯、丝绸、玻璃棒、光电效应演示仪． 四、主要教学过程 (一)新课的引入 光的波动理论学说虽然取得了很大的成功，但并未达到十分完美的程度．光的有些现象波动说遇到了很大的困难，请观察光电效应现象． (二)教学过程的设计 1．演示实验． 将锌板与验电器用导线连接，用细砂纸打磨锌板表面．把丝绸摩擦过的玻璃棒放在锌板附近，用紫外线灯照射锌板． 边演示边提问：紫外线灯打开前后，验电器指针有什么变化？这一现象说明了什么问题？引导学生分析并得出结论：光线照射金属表面，金属失去了电子导致验电器指针张开一角度．明确指出光电效应是光照射金属表面，使物体发射电子的现象．照射的光可以是可见光，也可以是不可见光．发射出的电子叫光电子． 说明：这个实验如果按照课本上的装置进行效果很不理想，因为紫外线照射锌板飞出电子时锌板带正电，在锌板附近形成电场又将电子吸附回去．锌板电势升到很小的值就使逸出和返回的电子达到动态平衡，很难使验电器指针明显地张开． 2．进一步研究光电效应． 以上实验改用很强的白炽灯照射，却不能发生光电效应．向学生提出问题：光电效应的发生一定是有条件的，存在着一定规律．有什么规律呢？让我们进一步研究． 向学生介绍光电效应演示仪．在黑板上画一示意图，如图所示．S为抽成真空的光电管，C 是石英窗口，光线可通过它照射到金属板K上，金属板A和K组成一对电极与外部电路相连接．光源为白炽灯，在光源和石英窗口C之间插入不同颜色的滤光片可以改变入射光的频率，光源的亮度可以通过另一套装置调节．
光电效应波粒二象性 知识梳理 知识点一、光电效应 1．定义 照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象。 2．光电子 光电效应中发射出来的电子。 3．研究光电效应的电路图(如图1)： 图1 其中A是阳极。K是阴极。 4．光电效应规律 (1)每种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率才能产生光电效应。低于这个频率的光不能产生光电效应。 (2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大。 (3)光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10－9s。 (4)当入射光的频率大于极限频率时，饱和光电流的强度与入射光的强度成正比。 知识点二、爱因斯坦光电效应方程 1．光子说 在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光的能量子，简称光子，光子的能量ε＝hν。其中h＝6.63×10－34J·s。(称为普朗克常量) 2．逸出功W0 使电子脱离某种金属所做功的最小值。 3．最大初动能 发生光电效应时，金属表面上的电子吸收光子后克服原子核的引力逸出时所具有的动能的最大值。
4．遏止电压与截止频率 (1)遏止电压：使光电流减小到零的反向电压U c 。 (2)截止频率：能使某种金属发生光电效应的最小频率叫做该种金属的截止频率(又叫极限频率)。不同的金属对应着不同的极限频率。 5．爱因斯坦光电效应方程 (1)表达式：E k ＝h ν－W 0。 (2)物理意义：金属表面的电子吸收一个光子获得的能量是h ν，这些能量的一部分用 来克服金属的逸出功W 0，剩下的表现为逸出后光电子的最大初动能E k ＝12m e v 2。 知识点三、光的波粒二象性与物质波 1．光的波粒二象性 (1)光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有波动性。 (2)光电效应说明光具有粒子性。 (3)光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的波粒二象性。 2．物质波 (1)概率波 光的干涉现象是大量光子的运动遵守波动规律的表现，亮条纹是光子到达概率大的地方，暗条纹是光子到达概率小的地方，因此光波又叫概率波。 (2)物质波 任何一个运动着的物体，小到微观粒子大到宏观物体都有一种波与它对应，其波长λ＝h p ，p 为运动物体的动量，h 为普朗克常量。 考点精练 考点一 光电效应现象和光电效应方程的应用 1．对光电效应的四点提醒 (1)能否发生光电效应，不取决于光的强度而取决于光的频率。 (2)光电效应中的“光”不是特指可见光，也包括不可见光。 (3)逸出功的大小由金属本身决定，与入射光无关。 (4)光电子不是光子，而是电子。 2．两条对应关系 (1)光强大→光子数目多→发射光电子多→光电流大；
第1章仪器介绍 LB-PH3A光电效应（普朗克常数）实验仪由汞灯及电源、光阑与滤色片、光电管、测试仪（含光电管电源和微电流放大器）构成，实验仪结构如图1所示，测试仪的调节面板如图2所示。 汞灯刻度尺光阑与滤色片光电管 图1 实验仪结构图 图2 测试仪前面板图 LB-PH3A光电效应（普朗克常数）实验仪有以下特点： 1．在微电流测量中采用高精度集成电路构成电流放大器。对测量回路而言，放大器近似于理想电流表，对测量回路无影响。精心设计、精心选择元器件、精心制作，使电流放大器达到高灵敏度、高稳定性，使测量准确度大大提高。 2．采用了新型结构的光电管。由于其特殊结构使光不能直接照射到阳极，由阴极反射到阳极的光也很少，加上采用新型的阴、阳极材料及制造工艺，使得阳极反向电流大大降低，暗电流水平也很低。 3．设计制作了一组高性能的滤色片。保证了在测量一组谱线时无其余谱线的干扰，避免了谱线相互干扰带来的测量误差。 4．由于仪器的稳定性好且无谱线间的相互干扰，测出的I - U特性曲线平滑、重复性好。
5．通过改变实验仪的电压档位的方式，利用光电效应测量普朗克常数、光电管伏—安特性以及验证饱和光电流与入射光强成正比等实验。 6．本仪器可用三种不同方法测量普朗克常数（拐点法、零电流法、补偿法），因此有较好的可比性。 7．采用上述测量方法，不但使得U0测量快速、重复性好，而且据此计算出的h误差不大于3 %。 其技术参数如下： 1．微电流放大器： 电流测量范围：10-7 ~ 10-13 A，分6档，三位半数字显示 零漂：开机20分钟后，30分钟内不大于满读数的± 0. 2 %（10-13 A档） 2．光电管工作电源： 电压调节范围：-2 ~ +2 V，-2 ~ +20 V，分两档，三位半数字显示 不稳定度≤0. 1 % 3．光电管： 光谱响应范围：340 ~ 700 nm 最小阴极灵敏度≥1 μA（-2 V≤U AK≤0 V） 阳极：镍圈 暗电流I ≤5 × 10-12 A（-2 V≤U AK≤0 V） 4．滤光片组： 5组，中心波长为：365. 0 nm，404. 7 nm，435. 8 nm，546. 1 nm，578. 0 nm 5．汞灯： 可用谱线：365. 0 nm，404. 7 nm，435. 8 nm，546. 1 nm，578. 0 nm 6．测量误差≤3 % 第2章实验目的与原理 光电效应是，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。在光电效应中，光显示出它的粒子性，这种现象对于认识光的本质，具有极其重要的意义。 1887年赫兹发现了光电效应现象，以后又经过许多人的研究，总结出一系列实验规律。由于这些规律用经典的电磁理论无法圆满地进行解释，爱因斯坦于1905年应用并发展了普朗克的量子理论，首次提出了“光量子”的概念，并成功地解释了光电效应的全部规律。十年后，密立根用实验证实了爱因斯坦的光量子理论，精确地测定了普朗克常数。两位物理大师因在光电效应等方面的杰出贡献，分别于1921年和1923年获得诺贝尔物理学奖。光电效应实验和光量子理论在物理学的发展史中具有重大而深远的意义。利用光电效应制成了许多光电器件，在科学和技术上得到了极其广泛的应用。
（2）光电效应的基本规律 2012-4-3 命题人：邓老师 学号________. 姓名________. 第Ⅰ卷（选择题） 一．选择题 （请将你认为正确的答案代号填在Ⅱ卷的答题栏中，本题共25小题） 1. 已知某单色光的波长为λ,在真空中的传播速度为c,普朗克常量为h,则该电磁波辐射的能量子的值为（ ） A.hcλ B. c h λ C. λ h D. λhc 2. 在做光电效应实验中,某金属被光照射发生了光电效应,实验测出了光电子的最大初动能E K 与入射光的频率ν的关系如图所示,由实验图像可求出（ ） A.该金属的逸出功 B.该金属的极限频率 C.单位时间内逸出的光电子数 D.普朗克恒量 3. 某金属在一束绿光的照射下发生了光电效应（ ） A.若增加绿光的照射强度,则单位时间内逸出的光电子数不变 B.若增加绿光的照射强度,则逸出的光电子最大初动能增加 C.若改用紫光照射,则逸出的光电子的最大初动能增加 D.若改用紫光照射,则单位时间内逸出的光电子数目一定增加 4. 下列说法正确的是（ ） A.光的干涉现象说明光具有粒子性,能发生光电效应现象说明光有波动性 B.电磁波谱中波长最长的γ射线,波长最短的是无线电波 C.光子具有波粒二象性,实物粒子只具有粒子性,不具有波动性 D.通常说光波是一种概率波,意思是光子在空间分布的概率是受波动规律支配的 5. 表1给出了各色光在真空中的波长和频率，表2给出了几种金属的极限频率υ0和极限波长λ0，请你判断下列说法正确的是（ ） 表1 A.用黄光和绿光照射金属钾表面时都能发生光电效应 B.用绿光照射钾发射出的某光电子P 与用紫光照射钾发射出的某光电子Q 相比，P 的动能一定小于Q 的动 能 C.黄光能使表中的4种金属发生光电效应 D.用蓝光照射铯和钾时，发射出光电子的最大初动能分别为E k 1和E k2，E k 1一定大于E k 2 6. 一束细平行光经过玻璃三棱镜后分解为互相分离的三束光(如图所示),分别照射到相同的金属板a 、b 、c 上,如图所示,已知金属板b 有光电子放出,则可知（ ） A.板a 一定不放出光电子 B.板a 一定放出光电子 C.板c 一定不放出光电子 D.板c 一定放出光电子 7. 某单色光从真空射入某介质时（ ） A.波长变长,速度变小,光量子能量变小 B.波长变长,速度变大,光量子能量不变 C.波长变短,速度变小,光量子能量不变 D.波长变短,速度变小,光量子能量变大 8. 分别用波长为λ和 34 λ的单色光照射同一金属板,发出的光电子的最大初动能之比为1:2,以h 表示普朗克 常量,c 表示真空中的光速,则此金属板的逸出功为（ ） a c b
1，实验目的： 1．了解光电效应的基本规律，并用光电效应方法测量普朗克常量和测定光电管的光电特性曲线。 2．通过对五种不同频率的反向截止电压的测定，由 直线图形，求出“红限”频率。
实验原理图1 光电管的起始I—V特性2
2，实验要求： 1．学习测定普朗克常量的一种实验方法； 2．学习用滤色片获得单色光的方法； 3．学习用实验研究验证理论的方法，加深光电效应对光量子理论的理解 3，实验原理 1.光电效应与爱因斯坦方程 用合适频率的光照射在某些金属表面上时，会有电子从金属表面逸
出，这种现象叫做光电效应，从金属表面逸出的电子叫光电子。为了解释光电效应现象，爱因斯坦提出了“光量子”的概念，认为对于频率为的光波，每个光子的能量为 式中， 为普朗克常数，它的公认值是 =6.626 。 按照爱因斯坦的理论，光电效应的实质是当光子和电子相碰撞时，光子把全部能量传递给电子，电子所获得的能量，一部分用来克服金属表面对它的约束，其余的能量则成为该光电子逸出金属表面后的动能。爱因斯坦提出了著名的光电方程： （1）式中， 为入射光的频率， 为电子的质量， 为光电子逸出金属表面的初速度， 为被光线照射的金属材料的逸出功， 为从金属逸出的光电子的最大初动能。 由（1）式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能必然也越大，所以即使阴极不加电压也会有光电子落入阳极而形成光电流，甚至阳极电位比阴极电位低时也会有光电子落到阳极，直至阳极电位低于某一数值时，所有光电子都不能到达阳极，光电流才为零。这个相对于阴极为负值的阳极电位 被称为光电效应的截止电压。 显然，有 （2）
光电效应 一、选择题 1.用如图所示装置做光电效应实验，下述正确的是（） A. 光电效应现象是由爱因斯坦首先发现的 B. 实验现象揭示了光具有波动性 C.实验中，光电子从锌板逸出，验电器带正电 D. 实验中，若用可见光照射锌板，也能发生光电效应【答案】C 【解析】【详解】A、光电效应是由赫兹首先发现的，故A错误．B、光电效应现象揭示 了光具有粒子性，故B错误．C、光电效应现象中，光电子从锌板逸出，验电器带正电，故C正确．D、光电效应中应该用紫外线照射锌板，当用可见光时，频率降低，小于极限频率，则不满足光电效应反生条件．故D错误．故选C．
2.如图所示是某金属在光的照射下，光电子最大初动能E k 与入射光频率v 的关系图象，由图象可知，下列不正确的是 A. 图线的斜率表示普朗克常量h B. 该金属的逸出功等于E C. 该金属的逸出功等于hv 0 D. 入射光的频率为2v 0时，产生的光电子的最大初动能为2E 【答案】D 【解析】 A 、根据光电效应方程0 k h E W -=υ ，知图线的斜率表示普朗克常量h ，故A 正确；B 、根据光电效应方程，当0=υ时，k 0E W =-，由图象知纵轴截距E -， 所以0W E =，即该金属的逸出功E ，故B 正确；C 、图线与υ轴交点的横坐标是0 υ，0k h E W -=υ该金属的逸出功0h υ，故C 正确；D 、当入射光的频率为02υ时，根据光电效应方程可知，E h h ==-?=0 00k 2h E υυυ，故D 错误；本题选错误的故选D ．
3.如图所示，是研究光电效应的电路图，对于某金属用绿光照射时，电流表指针发生偏转．则以下说法正确的是（） A. 将滑动变阻器滑动片向右移动，电流表的示数一定增大 B. 如果改用紫光照射该金属时，电流表无示数 C. 将K极换成逸出功小的金属板，仍用相同的绿光照射时，电流表的示数一定增大 D. 将电源的正负极调换，仍用相同的绿光照射时，将滑动变阻器滑动片向右移动一些，电流表的读数可能不为零 【答案】D 【详解】A．滑动变阻器滑片向右移动，电压虽然增大，但若已达到饱和电流，则电流表的示数可能不变，故A错误； B．如果改用紫光照射该金属时，因频率的增加，导致光电子最大初动能增加，则电流表一定有示数，故B错误； C．将K极换成逸出功小的金属板，仍用相同的绿光照射时，则光电子的最大初动能增加，但单位时间里通过金属表面的光子数没有变化，因而单位时间里从金属表面逸出的光电子数也不变，饱和电流不会变化，则电流表的示数不一定增大，故C错误；
实验08X射线光电子能谱演示实验报告（供参考）- 实验9 X射线光电子能谱演示实验报告 班 0911101学生编号1120112254姓名王佳妮分数 1实验目的 通过X射线光电子能谱学(XPS，X射线光电子能谱学)理论、仪器工作原理、测试方法和简单图谱分析学习方法 2，实验内容 1。了解XPS设备的基本组成，XPS样品的制备；2.了解测试参数的设置和样品测试过程； 3。学习图谱分析方法:元素化学状态分析和元素定量分析 3，实验原理 已知光源MgK？激发光能EK=1253.6eV，光电子动能EK可以用XPS仪器测量，仪器的功函数？是一个常数，它是由XPS基本方程EK = h决定的。- EB？可以计算固体中电子的结合能EB元素的化学状态可以由它的结合能决定。 元素A的相对原子浓度CA(%)可由元素灵敏度因子法、元素光谱峰的强度I和相对灵敏度因子S按下式确定
4、实验步骤 请在演示实验中注意观察、归纳和总结 5。实验结果和讨论 请按要求处理测试数据，并以表格形式列出。请参考下表 1 表1 ****样品表面元素XPS测试数据 元素C1s 峰结合能/eV 285.4 光谱峰强度/CPS 6890 原子百分比浓度/% 为什么XPS表面分析需要超高真空？如果 的真空度不高，发射的电子会与空气分子碰撞，电子的能量会减少，作用在待分析样品表面的能量也会减少，从而影响实验结果。2.哪些表面性质可以2。表面分析应用于？ 表面元素的组成、元素的价态及其在表层的分布 3。请理解XPS仪器两个重要性能指标的灵敏度、分辨率和相关性
灵敏度高，但分辨率低，扫描电压较高。相反，扫描电压低，灵敏度低，但分辨率高。 2 表1 3
光电效应 实验目的： (1)了解光电效应的规律，加深对光的量子性的理解 (2)测量普朗克常量h。 实验仪器： ZKY-GD-4 光电效应实验仪 1 微电流放大器 2 光电管工作电源 3 光电管 4 滤色片 5 汞灯 实验原理： 原理图如右图所示：入射光照射到光电管阴极K上，产生 的光电子在电场的作用下向阳极A迁移形成光电流。改变外加 电压V AK，测量出光电流I的大小，即可得出光电管得伏安特性曲线。 1）对于某一频率，光电效应I-V AK关系如图所示。从图中 可见，对于一定频率，有一电压V0，当V AK≤V0时，电流为0， 这个电压V0叫做截止电压。 2)当V AK≥V0后，电流I迅速增大，然后趋于饱和，饱和光电流IM的大小与入射光的强度成正比。 3）对于不同频率的光来说，其截止频率的数值不同，如右图：
4) 对于截止频率V0与频率的关系图如下所示。V0与成正比关系。当入射光的频率低于某极限值时，不论发光强度如何大、照射时间如何长，都没有光电流产生。 5）光电流效应是瞬时效应。即使光电流的发光强度非常微弱，只要频率大于，在开始照射后立即就要光电子产生，所经过的时间之多为10-9s的数量级。 实验内容及测量： 1 将4mm的光阑及365nm的滤光片祖昂在光电管暗箱光输入口上，打开汞灯遮光盖。从低到高调节电压（绝对值减小），观察电流值的变化，寻找电流为零时对应的V AK值，以其绝对值作为该波长对应的值，测量数据如下： 波长/nm365577 频率 / 截止电压/V 频率和截止电压的变化关系如图所示：
由图可知：直线的方程是:y= 所以: h/e=× , 当y=0，即时，，即该金属的 截止频率为。也就是说，如果入射光如果频率低于上值时，不管光强多大 也不能产生光电流；频率高于上值，就可以产生光电流。 根据线性回归理论： 可得：k=，与EXCEL给出的直线斜率相同。 我们知道普朗克常量, 所以，相对误差： 2 测量光电管的伏安特性曲线 1）用的滤色片和4mm的光阑 实验数据如下表所示： 4mm光阑 I-V AK的关系 V AK I V AK I V AK I V AK I V AK I V AK I
光电效应 【实验目的】 （1）了解光电效应的规律，加深对光的量子性的认识。 （2）测量普朗克常量h。 【实验仪器】 ZKY-GD-4光电效应实验仪，其组成为：微电流放大器，光电管工作电源，光电管，滤色片，汞灯。如下图所示。 【实验原理】 光电效应的实验原理如图1所示。入射光照射到光电管阴极K上，产生的光电子在电场 的作用下向阳极A迁移构成光电流，改变外加电压，测量出光电流I的大小，即可得出光电管的伏安特性曲线。 光电效应的基本实验事实如下： （1）对应于某一频率,光电效应的I-关系如图2所示。从图中可见，对一定的频率， 有一电压U0,当≦时，电流为零，这个相对于阴极的负值的阳极电压U0，被称为截止电压。 (2)当≧后，I迅速增加，然后趋于饱和，饱和光电流IM的大小与入射光的强度P成
正比。 (3)对于不同频率的光，其截止电压的值不同，如图3所示。 (4)截止电压U0与频率的关系如图4所示，与成正比。当入射光频率低于某极限值 （随不同金属而异）时，不论光的强度如何，照射时间多长，都没有光电流产生。 (5)光电效应是瞬时效应。即使入射光的强度非常微弱，只要频率大于，在开始照射后立即有光电子产生，所经过的时间至多为秒的数量级。 按照爱因斯坦的光量子理论，光能并不像电磁波理论所想象的那样，分布在波阵面上，而是集中在被称之为光子的微粒上，但这种微粒仍然保持着频率（或波长）的概念，频率为的光子具有能量E = h，h为普朗克常数。当光子照射到金属表面上时，一次被金属中的电子全部吸收，而无需积累能量的时间。电子把这能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力，余下的就变为电子离开金属表面后的动能，按照能量守恒原理，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程： （1） 式中，A为金属的逸出功，为光电子获得的初始动能。 由该式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能越大，所以即使阳极电位比阴极电位低时也会有电子落入阳极形成光电流，直至阳极电位低于截止电压，光电流才为零，此时有关系： （2） 阳极电位高于截止电压后，随着阳极电位的升高，阳极对阴极发射的电子的收集作用越强，光电流随之上升；当阳极电压高到一定程度，已把阴极发射的光电子几乎全收集到阳极，再增加时I不再变化，光电流出现饱和，饱和光电流的大小与入射光的强度P成正比。
佛山科学技术学院 实 验 报 告 课程名称 实验项目 专业班级 姓名 学 号 指导教师 成绩 日 期 年 月 日 一、实验目的 1．了解光电效应的规律，加深对光的量子性的理解； 2．测量光电管的伏安特性曲线； 3．学习验证爱因斯坦光电效应方程的实验方法，测量普朗克常数。 二、实验仪器 光电效应（普朗克常数）实验仪（详见本实验附录A ），数据记录仪。 三、实验原理 1．光电效应及其基本实验规律 当一定频率的光照射到某些金属表面时，会有电子从金属表面即刻逸出，这种现象称为光电效应。从金属表面逸出的电子叫光电子，由光子形成的电流叫光电流，使电子逸出某种金属表面所需的功称为该金属的逸出功。 研究光电效应的实验装置示意图如图1所示。GD 为光电管，它是一个抽成真空的玻璃管，管内有两个金属电极，K 为光电管阴极，A 为光电管阳极；G 为微电流计；V 为电压表；R 为滑线变阻器。单色光通过石英窗口照射到阴极上时，有光电子从阴极K 逸出，阴极释放出的光电子在电场的加速作用下向阳极A 迁移形成光电流，由微电流计G 可以检测光电流的大小。调节R 可使A 、K 之间获得连续变化的电压AK U ，改变AK U ，测量出光电流I 的大小，即可测出光电管的伏安特性曲线，如图2(a)、(b)所示。
图2 光电效应的基本实验规律 光电效应的基本实验规律如下： （1）对应于某一频率，光电效应的AK -I U 关系如图2(a)所示。从图中可见，对一定的频率，有一电压0U ，当AK 0U U ≤时，光电流为零，这个相对于阴极的负值的阳极电压0U ，称为截止电压。 （2）当AK 0U U ≥后，I 迅速增加，然后趋于饱和，饱和光电流M I 的大小与入射光的强度P 成正比，如图2(b)所示。 （3）对于不同频率的光，其截止电压的值不同，如图2(a)所示。 （4）截止电压0U 与频率v 的关系如图2(c)所示。0U 与ν成正比。当入射光频率低于某极限值0v （随不同金属而异）时，无论光的强度如何，照射时间多长，都没有光电流产生。 （5）光电效应是瞬时效应。即使入射光的强度非常微弱，只要频率大于0v ，在开始照射后立即有光电子产生，所经过的时间至多为910-秒的数量级。 2．爱因斯坦光电效应方程 上述光电效应的实验规律无法用电磁波的经典理论解释。为了解释光电效应现象，爱因斯坦根据普朗克的量子假设，提出了光子假说。他认为对于频率为ν的光波，每个光子的能量为E h ν=，h 为普朗克常数。当光子照射到金属表面上时，一次性为金属中的电子全部吸收，而无须积累能量的时间。电子把该能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力，另一部分就变为电子离开金属表面后的动能，按照能量守恒原理，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程 201 2 h m W νυ=+ （1） 式中，W 为被光线照射的金属材料的逸出功，2 012m υ为从金属逸出的光电子的最大初动能。 由式（1）可知，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能越大，所以即使阳极电位比阴极电位低（即加反向电压）时，也会有电子落入阳极形成光电流，直至阳极电位低于截止电压，光电
一、光电效应和氢原子光谱 知识点一：光电效应现象 1.光电效应的实验规律 (1)任何一种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率才能发生光电效应，低于这个极限频率则不能发生光电效应． (2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关，其随入射光频率的增大而增大． (3)大于极限频率的光照射金属时，光电流强度(反映单位时间发射出的光电子数的多少)与入射光强度成正比． (4)金属受到光照，光电子的发射一般不超过10－9 _s. 2．光子说 爱因斯坦提出：空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份称为一个光子，光 子具有的能量与光的频率成正比，即：ε＝hν，其中h ＝6.63×10－34 J·s. 3．光电效应方程 (1)表达式：hν＝E k ＋W 0或E k ＝hν－W 0. (2)物理意义：金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量的一部分用来 克服金属的逸出功W 0，剩下的表现为逸出后电子的最大初动能E k ＝12 mv 2 . 知识点二： α粒子散射实验与核式结构模型 1.卢瑟福的α粒子散射实验装置(如图13－2－1所示) 2．实验现象 绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但少数α粒子发生了大角度偏转，极少数α粒子甚至被撞了回来．如图13－2－2所示． α粒子散射实验的分析图 3．原子的核式结构模型 在原子中心有一个很小的核，原子全部的正电荷和几乎全部质量都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转． 知识点三：氢原子光谱和玻尔理论 1.光谱 (1)光谱：用光栅或棱镜可以把光按波长展开，获得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱． (2)光谱分类 有些光谱是一条条的亮线，这样的光谱叫做线状谱． 有的光谱是连在一起的光带，这样的光谱叫做连续谱． (3)氢原子光谱的实验规律． 巴耳末线系是氢原子光谱在可见光区的谱线，其波长公式1λ＝R (122－1 n 2)(n ＝3,4,5，…)， R 是里德伯常量，R ＝1.10×107 m －1，n 为量子数．