26光电效应修改教案
实验26 光电效应测定普朗克常数
一、教学目的：
1．通过光电效应实验加深对光的量子性的了解。
2．验证Enstein方程，并测定Planck常数。
二、重点与难点：
重点：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。
难点：准确合理地找出各选定波长的入射光的截止电压。
三、实验教学内容及学时分配：?Skip Record If...?
1、单色仪的参数
波长范围 200-800nm 狭缝固定宽度0.3mm
波长精度±1nm 波长重复性±0.5nm
2、测量光电管的伏安特性
四、教学方法：
先由教师先讲解实验内容、目的、原理及实验注意事项，然后在教师指导下分组实验。
五、教学过程设计：
实验背景
自古以来，人们就试图解释光是什么，到17世纪，研究光的反射、折射、成象等规律的几何光学基本确立。牛顿等人在研究几何光学现象的同时，根据光的直线传播性，认为光是一种微粒流，微粒从光源飞出来，在均匀物质内以力学规律作匀速直线运动。微粒流学说很自然的解释了光的直线传播等性质，在17、18世纪的学术界占有主导地位，但在解释牛顿环等光的干涉现象时遇到了困难。
1856年-1865年，麦克斯韦建立了电磁场理论，指出了光是一种电磁波，光的波动理论得到确立。1887年赫兹在用两套电极做电磁波的发射与接收的实验中，发现当紫外光照射到接收电极的负极时，接收电极间更易与产生放电，赫兹的发现吸引许多人去做这方面的研究工作。
光电效应的实验规律与经典的电磁理论是矛盾的，按经典理论，电磁波的能量是连续的，电子的接受光的能量获得动能，应该是光越强，能量越大，电子的初速度越大；实验结果是电子的初速与光速无关；按经典理论，只要有足够的光强和照射时间，电子就应该获得足够的能量逸出金属表面，与光波频率无关；实验事实是对于一定的金属，当光波频率高于某一值时，金属一经照射，立即有光电子产生；当光波频率低于该值时，无论光强多强，照射时间多长，都不会有光电子产生。光电效应使经典的电磁理论陷入困境，1900年，普朗克在研究黑体辐射问题时，先提出了一个符合实验结果的经验公式，为了从理论上推导出这一公式，他采用了玻尔兹曼的统计方法，假定黑体内的能量是由不连续的能量子构成，能量子的能量为hv。能量子的假说具有划时代的意义，但是无论是普朗克本人还是他的许多同时代人当时对这一点都没有充分认识。爱因斯坦以他惊人的洞察力，最先认识到量子假说的伟大意义并予以发展，1905年，在其著名论文《关于光的产生和转化的一个试探性观点》中写道：“在我看来，如果假定光的能量在空间的分布是不连续的，就可以更好的理解黑体辐射、光致发光、光电效应以及其他有关光的产生和转化的现象的各种观察结果。根据这一假设，从光源发射出来的光能在传播中将不是连续分布在越来越大的空间之中，而是由一个数目有限的局限于空间各点的光量子组成，这些光量子在运动中不再分散，只能整个的被吸收或产生”。作为例证，爱因斯坦由光子假设得出了著名的光电效应方程，解释了光电效应的实验结果。
爱因斯坦的光子理论由于与经典电磁波抵触，一开始受到怀疑和冷遇。一方面是因为人们受传统观念的束缚，另一方面是因为当时光电效应的实验精度不高，无法验证光电效应方程。密立根从1904年开始光电效应实验，历经十年，用实验证实了爱因斯坦的光量子理论。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。密立根在1923年的领奖演说中，这样谈到自己的工作：“经过十年之久的实验、改进和学习，有时甚至还遇到挫折，在这以后，我把一切努力针对光电子发射能量的精密测量，测量它随温度，波长，材料改变的函数关系。与我自己预料的相反，这项工作终于在1914成了爱因斯坦方程在很小的实验误差范围内精确有效的第一次直接实验证据，并且第一次直接从光电效应测定普朗克常数h”。光量子理论创立后，在固体比热、辐射理论、原子光谱等方面都获得成功，人们逐步认识到光具有波动和粒子二象属性。光子的能量E=hr与频率有关，当光传播时，显示出光的波动性，产生干涉、衍射、偏振等现象；当光和物体发生作用时，它的粒子性又突出了出来。后来科学家发现波粒二象性是一切微观物体的固有属性，并发展了量子力学来描述和解释微观物体的运动规律，使人们对客观世界的认识前进了一大步。
牛顿-------麦克斯韦 -------赫兹 ------- 普朗克 ------- 爱因斯坦 ------ 密立根
17世纪 19世纪 1887年 20世纪初（诺贝尔物理学奖）
光是一种微粒流电磁场理论电磁波的发射与接收研究黑体辐射问题时，最先认识到量子假说历经十年，
解释了光的直线光是一种电磁波发现当紫外光照射到假定黑体内的能量是的伟大意义，由用实验证实了
传播等性质电磁波的能量接收电极的负极时，由不连续的能量子构成，光子假设得出了爱因斯坦的
是连续的接收电极间更易与产生放电能量子的能量为hv著名的光电效应方程光量子理论
六、实验器材
YJP-1普朗克常数测定实验装置各器件安装在一个700×150×60mm的工作台上（在箱体内部有DC12V稳压电源和AC220V/8V变压器）。
图2.15.1表示实验装置的光电原理。光源：12V，75W卤钨灯；风扇：DC12V，0.17A，供光源散热用；聚光器：由f’=50mm和f’=70mm两个透镜组成；单色仪：1型，光栅式；光电管：GD31A型；直流稳压电源：±1.8V，用数字电压表；测量放大器：为电流放大，4档倍率转换，磁电式100μA电流计。
卤钨灯S发出的光束经透镜L会聚到单色仪M的入射狭缝上，从单色仪出射狭缝发出的单色光投射到光电管PT的阴级金属板K，释放光电子（发生光电效应），A是集电级（阳极）。由光电子形成的光电流经放大器AM放大后可以被微安表测量。
S：卤钨灯；L：透镜；M：单色仪；G：光栅；PT：光电管；AM：放大器
七、实验原理
当一定频率的光照射到某些金属表面时，可以使电子从金属表面逸出，这种现象称为光电效应，所逸出的电子称为光电子。光电效应是光的经典电磁理论所不能解释的。1905年，E ntein依据Planck的能量子假说提出了光子的概念，使光电效应所有的实验结果得以圆满解释。他认为光是一种粒子（即光子），频率为?Skip Record If...?的光子具有能量?Ski
图26.1普朗克常量实验装置光电
p Record If...?，当金属中的电子吸收一个频率为?Skip Record If...?的光子时，便获得能量h?Skip Record If...?，如果该能量大于电子摆脱金属表面约束所需要的逸出功A，电子就会从金属中逸出。根据能量导恒定律有：
?Skip Record If...?（26-1）
上式称为Enstein方程，其中m,Vmax是光电子的质量和最大速度，1/2mV2maz是光电子逸出表面后所具有的最大功能。如果光子能量h?Skip Record If...?小于A时，电子不能逸出金属表面，从而没有光电效应产生；产生光电效应的最低频率?Skip Record If...?=A/h，称为光电效应的截止频率（又称红限）。不同金属有不同的截止频率，因为它们的逸出功各不相同。
对于Enstein的假说，R.A.密立根从1905年Enstein的论文问世后经过十年左右艰苦卓绝的工作，1916年发表详细的实验论文，证实了Enstein方程，并精确测出了Planck常数。A.Enstein和R.A密立根都因光电效应等方面的贡献，分别于1921年和1923年获得诺贝尔奖金。
按照R.A.密立根实验思路，要求精确测定光电子最大动能和入射光频率之间的关系。实验采用图26.1所示的原理。用不同频率的单色光照射光电管阴极K，用“减速电位法”测定阴极发射光电子的最大动能：当阳极A的负电位较小时，光电子损失一部分功能后，仍然可以达到阳极，形成的光电流由微电流测试仪 G测出。阳极的负电位逐渐增大，光电流会随之变小；当阳极Ａ的负电位增大到某一值时，使动能最大的光电子刚好不能克服减速电场到达阳极，光电流降为零（如图6.2所示），这时有关系式：
?Skip Record If...? (26-2) 这个使光电流刚刚降为零的电压Uc称为截止电压。由此，方程（26-1）可改写成：?Skip Record If...?
即?Skip Record If...?（26-3）