8-2 光电效应

什么是光电效应介绍光电效应的应用知识点：什么是光电效应及其应用光电效应是物质在光照射下发生的一种物理现象。

当光子（光的粒子）的能量大于或等于物质表面电子所需的最小能量时，电子会被激发并从物质表面逸出。

这个现象被称为光电效应。

光电效应的基本原理可以归结为以下几个关键点：1.光的波动性：光电效应揭示了光的粒子性。

光既可以看作波动，也可以看作由光子组成的粒子流。

2.光子能量：光子的能量与其频率成正比，与光的强度无关。

当光子的能量大于或等于电子的逸出功时，光电效应会发生。

3.逸出功：逸出功是指电子从物质表面逸出所需的最小能量。

不同物质的逸出功不同，因此对光的敏感度也不同。

4.光电效应方程：爱因斯坦提出了光电效应方程，描述了光子能量、电子逸出功和电子动能之间的关系。

方程为E = hν - W，其中 E 表示电子的动能，h 表示普朗克常数，ν 表示光的频率，W 表示逸出功。

光电效应的应用非常广泛，以下是一些重要的应用领域：1.太阳能电池：太阳能电池利用光电效应将光能转换为电能，为人类提供了清洁、可再生能源。

2.光电器件：光电器件如光敏电阻、光敏二极管等，利用光电效应实现光信号与电信号的转换。

3.激光技术：激光是一种特殊的光，具有高度的相干性和方向性。

激光技术在医疗、通信、测量等领域发挥着重要作用。

4.光电探测器：光电探测器可以将光信号转换为电信号，广泛应用于光电通信、天文观测等领域。

5.光电子计算机：光电子计算机利用光信号进行信息处理和传输，具有高速、大容量、低能耗等优点。

6.光电效应在科学研究中的应用：光电效应不仅在物理学领域具有重要意义，还广泛应用于化学、生物学、材料科学等领域的研究。

了解光电效应及其应用，有助于我们深入理解光的性质，以及光与物质相互作用的机理。

这些知识对于培养学生的科学素养和创新能力具有重要意义。

习题及方法：1.习题：一束光照射到某种金属上，如果光的频率为5×10^14 Hz，该金属的逸出功为2.3 eV，求该束光的最大光电子动能。

《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案教材：传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书第8章光电式传感器8-1 简述光电式传感器的特点和应用场合，用方框图表示光电式传感器的组成。

8-2 何谓外光电效应、光电导效应和光生伏特效应？答：外光电效应：在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。

光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化的现象。

光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。

8-3 试比较光电池、光敏晶体管、光敏电阻及光电倍增管在使用性能上的差别。

答：光电池：光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。

它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。

当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。

8-4 通常用哪些主要特性来表征光电器件的性能？它们对正确选用器件有什么作用？8-5 怎样根据光照特性和光谱特性来选择光敏元件？试举例说明。

答：不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。

因此它不宜作定量检测元件，一般在自动控制系统中用作光电开关。

光谱特性与光敏电阻的材料有关，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。

8-6 简述CCD图像传感器的工作原理及应用。

8-7 何谓PSD？简述其工作原理及应用。

8-8 说明半导体色敏传感器的工作原理及其待深入研究的问题。

8-9 试指出光电转换电路中减小温度、光源亮度及背景光等因素变动引起输出信号漂移应采取的措施。

8-10 简述光电传感器的主要形式及其应用。

答：模拟式（透射式、反射式、遮光式、辐射式）、开关式。

应用：光电式数字转速表、光电式物位传感器、视觉传感器、细丝类物件的在线检测。

8-11 举出你熟悉的光电传感器应用实例，画出原理结构图并简单说明原理。

绪论一、传感器：将各种非电量（包括物理量、化学量、生物量等），按照一定的规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量）的装置。

二、传感技术：是利用各种功能材料实现信息检测的一门应用技术，是检测（传感）原理、材料科学、工艺加工等三要素的最佳结合。

三、传感器的组成：传感器一般有敏感元件、转换原件和测量电路三部分组成，有事还需要加辅助电源。

四、传感器分类：1.按输入量分类如输入量分别为温度、压力、位移、速度、加速度、湿度等非电量时，则相应的传感器称为温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器、湿度传感器等。

2.按测量原理分类现有传感器的测量原理主要是基于电磁原理和固体物理学理论。

如根据变电阻的原理，相应的有电位器式、应变式传感器；根据变磁阻的原理，相应的有电感式、差动变压器式、电涡流式传感器；根据半导体有关理论，则相应的有半导体力敏、热敏、光敏、气敏等固态传感器。

3.按结构型和物性型分类所谓结构型传感器，主要是通过机械结构的几何形状或尺寸的变化，将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量的变化，从而检测出被测信号，这种传感器目前应用的最为普遍。

物性型传感器则是利用某些材料本身物理性质的变化而实现测量，它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。

五、传感器的发展趋向1.传感器的固态化，2、传感器的集成化和多功能化3.传感器的图像化4.传感器的智能化第1章传感器的一般特性§1-1 传感器的静态特性传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系称为静态特性。

传感器静态特性的主要指标有以下几点：一、线性度(非线性误差)在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间最大偏差与满量程(F·S)输出值的百分比称为线性度。

二、灵敏度传感器的灵敏度指到达稳定工作状态时输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。

线性传感器校准曲线的斜率就是静态灵敏度K。

光电效应实验数据处理(最全)word资料λ/nmv/手动Ua 自动Ua 3658.2131.7661.768 4057.4081.4061.408 4366.8791.1861.188 5465.490.6020.608 5775.1960.4620.46普朗克常数第8卷第4期北华大学学报(自然科学版Vol.8No.42020年8月JOURNAL OF BEIHUA UN IV ERSIT Y (Natural Science Aug.2020文章编号:100924822(20200420303203光电效应测量普朗克常量实验的研究陈若辉1,郭赫2(1.北华大学物理学院,吉林吉林132033;2.中国人民解放军防化指挥工程学院基础部,北京102205摘要:根据准爱因斯坦光电方程确定了阴极电流曲线的类型,分析实测电流的组成及形成原因,对实验数据进行处理和对曲线进行拟合,得到了较好的实验结果.关键词:爱因斯坦光电方程;普朗克常量;曲线拟合中图分类号:O436.4文献标识码:A收稿日期:2020210216简介:陈若辉(1968-,男,实验师,主要从事光学实验研究.用光电效应测量普朗克常量实验是国内外高校普遍开设的一个典型近代物理实验.然而,我们知道,测量普朗克常量h 时,不同温度、不同仪器、不同人所测定结果差异较大,很难获得较高精度和可重复的结果,说明该实验存在较大的系统误差和偶然误差.若要通过该实验得到较高精度的可重复的结果,首先,应完善实验原理,提高仪器的精度;其次,采用适当办法,降低偶然误差.本实验用图解法求解,从确定曲线类型出发,通过曲线拟合,来降低偶然误差.1实验原理现今,利用光电效应测普朗克常量实验所依据的理论基础是爱因斯坦光电方程h ν=12m V 2m +A ,(1.1其中,m 和V m 是光电子的质量和最大初速度,A 为逸出功,h 为普朗克常量,ν为入射光的频率.当光电流刚好为零时,光电管两极间所加反向电压U S 称作截止电压,此时爱因斯坦光电方程可表示为h ν=eU S +A ,(1.2其中,e 为电子电量,逸出功A 与阴极材料有关,由式(1.2知U S 与ν是线性关系,通过测量不同频率光的截止电压U S ,可作U S 2ν直线,由其斜率求出普郎克常量h [1].然而,实验通常是在室温下进行的,实验所依据的爱因斯坦光电方程只是在绝对温度为0K 时才成立.在室温条件下,由于热激发,光电子没有确定的最大动能,也没有明确的截止电压U S ,阴极光电流曲线以渐进的方式趋近于零[2,3].文献[2]作了热修正,得到了光电流密度方程为J (U =4πm βk 2T 2 D h 3exp h ν-A K T exp -eU K T ,(1.3其中,U 为两极所加的反向电压;J (U 是反向电压为U 时的光电流密度;β是光子对所有能量的电子等概率激发的概率值;K 为玻耳兹曼常量;T 为绝对温标; D 为光电子穿过金属表面势垒的平均透射系数.将式(1.3两边取对数并整理得到任意温度下的准爱因斯坦光电方程h ν=A -ΔE +e U ′S =A ′+e U ′S ,(1.4其中,A ′=A -ΔE ,ΔE =KT ln 4πem K 2T 2 D h 3J [U ],ΔE 为动能最大的光电子所具有的能量,它是光电流密度J 和温度T 的函数,当T =0K 时,A ′=A ,即爱因斯坦光电方程是任意温度下的准爱因斯坦光电方程在T=0K 时的特殊形式.本实验的理论基础是准爱因斯坦光电方程,实验原理更加完善.在此基础上,要获得较好结果,关键是排除各种干扰,准确测量出各选定波长的入射光产生的阴极电流及其对应的电压值.2实测电流的组成及形成原因排除周围环境杂散光的影响,实测光电流主要由微弱漏电流、阳极光电流和阴极光电流组成.当无光照射光电管时,漏电流是因光电管的阴阳两极漏电而产生的微弱电流.光电管的阴极上均匀涂有逸出功很小的光敏材料,且阴极受光面积远远大于阳极,在可见光照射下会发射电子而形成阴极电流.阳极反向光电流的形成是由于阴极光敏材料在使用过程中会溅射并沉积到阳极上,在可见光照射(或反射下也会发射电子而形成阳极反向光电流[4].在实验中,我们尽量避免光直接入射到阳极,但从阴极散射到阳极的光是避免不了的,因此,阳极光电流与阴极光电流并存.通常,实验是在室温下进行的,一定存在热效应,这样阳极光电流和阴极电流应为光效应和热效应共同作用产生的电流.3阴极电流曲线类型以及实验中获得阴极电流的方法我们在实验中采用“减速电势法”测量阴极光电流并求出普朗克常量h ,即阳极加负电势,阴极加正电势.阴阳两极的这种接法,对于阴极发射的光电子起减速作用,而对于阳极发射的光电子却起加速作用.由于阳极反向电流很小,当反向电压大于某一较小值(0.5V 时,阳极电流就能达到饱和,可视为一定值I s .而反向电压过小时,阳极电流未达到饱和,电流曲线是非线性的.设光电管的阴极接受光的有效面积为S ,对应所产生的光电流为I ,由式(1.3可得I =S ・J (U =4πm βk 2T 2 D S h 3exp h ν-A K T exp -eU K T .(3.1上式表明,当用确定频率的入射光照射阴极,温度不变时,4πm βk 2T 2 D S h 3exp h ν-A K T 为一定值,在电压U 的作用下,产生的阴极电流I 为e 指数型曲线.这样即可在计算机上对曲线和数据进行各种处理.设I 2和G 为光电管两级间漏电流及漏电导,可表示为I 2=GU.(3.2当反向电压足够大时,阳极电流达到饱和,用“减速电势法”实验测得的总电流I ′为I ′=I +I s +I 2,(3.3变换得I =I ′-I s -I 2=I ′-I s -GU.(3.4以阴极电流I 为参考方向,I s 电流方向与I 相反,取负值;I 2与I 方向相同,取正值.式(3.4为我们提供了实验中获得阴极电流的方法.4实验仪器实验仪器为东南大学生产的GP 21型普朗克常量测定仪,光源为GGQ 250WHg 仪器用高压汞灯,N G 型滤色片,滤选365,405,436,546,577nm 等谱线.GP 21型电流放大器的测量范围是10-6~10-12A ;电压量程为-3~3V ,读数精度为0.02V.实验在27℃的室温下进行.5实验步骤及结果此方法测量普朗克常量实验步骤与标准的光电效应测量普朗克常量不同之处需调整光源距离,使选定的不同频率入射光的光强基本相同,其他实验步骤与标准的光电效应测量普朗克常量相同,但数据的处理方法不同.本实验数据处理过程可分为如下几个步骤:(1实验测得每一组电流及其对应的电压数据后,由式(3.4可知,在光电流中扣除阳极饱和电流和漏电流(漏电流很小,可略去,得到一组相应的阴极光电流I 和电压U.(2选取每个数据中阴极光电流变化较显著,且阳极电流已经饱和(U >0.5V ,I >0A 的数据部分作为数据源(这种选择可以减小阳极电流对阴极电流的影响,应用Office 软件给出阴极I 2U 曲线图,如图1所示,系列1,系列2,系列3,系列4,系列5分别为波长为365,405,436,546,577nm 的U 2I 函数关系曲线.(3对不同频率入射光的光电流曲线,用电流大小相当于仪表最小刻度相当的值,如I =1×403北华大学学报(自然科学版第8卷10-12A 的直线去截各阴极I 2U 曲线,得各自对应的所谓截止电压U ′S ,如表1所示.将不同入射光的频率ν及其对应的截止电压U ′S 作为一组数据源,应用Office 软件给出U ′S 2ν曲线图,进一步可得拟合直线,如图2所示.由图2之直线斜率b 并计算得h =be =6632×10-34J ・S ,与普朗克常量公认值十分接近.图1U 2I 函数曲线图2U ′S 2ν函数曲线Fig.1Curve of U 2I ’s functionFig.2Curve of U ′S 2νfunction 表1光电流的截止电压Tab.1Ray radiation current of stopping voltageλ/nm ν/1014HzU ′S /V 3658.2-2.204057.4-1.74436 6.9-1.70546 5.5-1.05577 5.2-0.926结论本实验的理论基础是准爱因斯坦光电方程,实验原理更加完善.本实验无论是对阴极光电流的数据处理,还是通过U ′S 2ν曲线求斜率b 的数据处理,都采用了Office 软件对曲线进行拟合,这在很大程度降低了偶然误差;同时作图中采用了添加趋势线方法,大大提高了测量的精度,因此,使测量值接近普朗克常量的公认值.参考文献:[1]章佳伟.在光电效应实验中用曲线法测普朗克常量[J ].物理实验,2003,23(11:42244.[2]杨际青.改进的光电效应测量普朗克常量外推法实验[J ].大学物理,2003,22(12:38240.[3]杨际青.爱因斯坦光电方程与光电效应实验外推法[J ].大学物理,2003,22(3:27229.[4]杨述武.普通物理实验(4[M ].北京:高等教育出版社,2002:1482152.Exp eriment of Planck Constant Mea sured with Methodof Photoelectric E ffectCHEN Ruo 2hui 1,GUO H e 2(1.Science College of Beihua U niversity ,Jili n 132033,Chi na ;2.B asic Courses Depart ment of Instit ute of Chem ical Def ence PL A ,Beiji ng 102205,Chi naAbstract :According to Einstein photoelectric quasi 2equation ,cathode current curvilinear type is determined ,composition of actual measuring current and form reasons are analyzed ,Excel software is applied to process experiment datum and carry on curve fitting ,better experiment results are attained.K ey w ords :Einstein photoelectric equation ;Planck constant ;Curve fitting 【责任编辑:吕洪斌】503第4期陈若辉,等:光电效应测量普朗克常量实验的研究实验四十光电效应测定普郎克常数【实验目的】1. 了解光电效应的基本规律，验证爱因斯坦光电效应方程。

课题一 传感器与检测技术的基础理论1-1 有一数字温度计，它的测量范围为-50～+150C ︒，精度为0.5级。

求当示值分别为-20C ︒、+100C ︒时的绝对误差及示值相对误差。

1-2 欲测240V 电压，要求测量示值相对误差不大于0.6%±，问选用量程为250V电压表，其精度为哪级？若选用量程为300V 和500V 电压表，其精度又为哪级？1-3 已知待测电压约为80V 左右。

现有两只电压表，一只为0.5级，测量范围为0～300V ，另一只为1.0级，测量范围为0～100V 。

问选用哪一只电压表测量较好？为什么？1-4 用一台三位数字电子温度计测量温度，数字面板上显示如图1－1所示的数值，求该仪表的分辨力、被测温度值、示值相对误差、满意相对误差。

（提示：该三位数字表的量程上限为199.9C ︒）1-5 有一台测量压力的仪表，测量范围为60~10a P ，压力p 与仪表输出电压之间的关系为2012o p p U a a a =++式中，2550122,10(10),0.5(10)a a mV mV mV a a a P P ===-，求：1）该仪表的输出特性方程。

2）画出输出特性曲线示意图（x 轴、y 轴均要标出单位）。

3）该仪表的灵敏度表达式。

4）画出灵敏度曲线图。

5）该仪表的线性度。

1-6 检测系统由哪几部分组成？说明各部分的作用。

1-7 非电量的电测法有哪些优点？1-8 测量稳压电源输出电压随负载变化的情况时，应当采用何种测量方法？如何进行？1-9 某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm 变到5.0mm时，位移测量仪的输图1－1 数字式电子温度计面板示意图出电压由3.5V 减至2.5V ，求该仪器的灵敏度。

1-10 某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如下：铂电阻温度传感器： C Ω35.0 电桥： V 01.0放大器： 100（放大倍数） 笔式记录仪： V cm 1.0 求：（1）测温系统的总灵敏度；（2）纪录仪笔尖位移4cm 时。

高中数学光电效应知识点
本文档旨在提供高中数学光电效应的完整知识点。

以下是相关
内容的简要概述：
1. 光电效应基本原理：
- 光电效应是指当光照射到金属表面时，产生电子发射的现象。

- 光电效应的起因是光子与金属表面电子的相互作用。

2. 光电效应的主要特点：
- 光电子发射的电流随着入射光强度的增加而增大。

- 光电子发射的动能与入射光的频率有关，而与光的强度无关。

- 光电效应发生需要入射光的频率大于临界频率。

3. 光电效应公式：
- 光电效应的基本公式为：E = hf - ϕ，其中E为光电子的动能，h为普朗克常量，f为光的频率，ϕ为金属的逸出功。

4. 光电效应的应用：
- 光电效应在太阳能电池中起着重要作用，将太阳光转化为电能。

- 光电效应还广泛应用于光电管、照相机光电测光、激光技术等领域。

5. 光电效应的研究历程：
- 光电效应的研究始于19世纪末，经过爱因斯坦、普朗克等科学家的进一步研究和解释，才逐渐明确了光电效应的基本原理。

以上是高中数学光电效应的简要知识点概述，希望对您有所帮助。

4-12 电涡流传感器常用的测量电路有哪几种？其测量原理如何？各有什么特点？1、用于电涡流传感器的测量电路主要有：调频式、调幅式电路两种。

2、测量原理（1）调频式测量原理传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x 的函数，即f=L(x), 该频率可由数字频率计直接测量，或者通过f-V变换，用数字电压表测量对应的电压。

图4-6调频式测量原理图（2）调幅式测量原理由传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成的石英晶体振荡电路。

石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率（f0）稳定的激励电流i o。

当金属导体远离或去掉时，LC并联谐振回路谐振频率即为石英振荡频率f o，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，从而使输出电压降低，L的数值随距离x的变化而变化。

因此，输出电压也随x而变化。

输出电压经放大、检波后，由指示仪表直接显示出x的大小。

图4-7调幅式测量原理图除此之外，交流电桥也是常用的测量电路。

3、特点✧调频式测量电路除结构简单、成本较低外，还具有灵敏度高、线性范围宽等优点。

✧调幅式测量电路线路较复杂，装调较困难，线性范围也不够宽。

4-13 利用电涡流式传感器测板材厚度，已知激励电源频率f =1MHz，被测材料相对磁导率μr=1，电阻率ρ=2.9×10-6ΩCm，被测板材厚度为=（1+0.2）mm。

试求：（1）计算采用高频反射法测量时，涡流透射深度h为多大？（2）能否采用低频透射法测板材厚度？若可以需采取什么措施？画出检测示意图。

【解】1、为了克服带材不够平整或运行过程中上下波动的影响，在带材的上、下两侧对称地设置了两个特性完全相同的涡流传感器S1和S2。

S1和S2与被测带材表面之间的距离分别为x1和x2。

若带材厚度不变，则被测带材上、下表面之间的距离总有x1+x2=常数的关系存在。

第1篇一、实验目的1. 了解光电效应的基本规律。

2. 验证爱因斯坦光电效应方程。

3. 掌握用光电效应法测定普朗克常量的方法。

4. 学会用作图法处理实验数据。

二、实验原理光电效应是指当光照射在金属表面时，金属表面会发射出电子的现象。

这一现象揭示了光的粒子性，即光子具有能量和动量。

爱因斯坦在1905年提出了光量子假说，认为光是由光子组成的，每个光子的能量与其频率成正比。

光电效应方程为：\(E = h\nu - W_0\)，其中 \(E\) 为光电子的最大动能，\(h\) 为普朗克常量，\(\nu\) 为入射光的频率，\(W_0\) 为金属的逸出功。

三、实验仪器与材料1. 光电效应实验仪2. 汞灯3. 干涉滤光片4. 光阑5. 高压灯6. 微电流计7. 电压表8. 滑线变阻器9. 专用连接线10. 坐标纸四、实验步骤1. 将实验仪及灯电源接通，预热20分钟。

2. 调整光电管与灯的距离为约40cm，并保持不变。

3. 用专用连接线将光电管暗箱电压输入端与实验仪电压输出端连接起来。

4. 将电流量程选择开关置于所选档位（-2V-30V），进行测试前调零。

5. 调节好后，用专用电缆将电流输入连接起来，系统进入测试状态。

6. 将伏安特性测试/遏止电压测试状态键切换到伏安特性测试档位。

7. 调节电压调节的范围为-2~30V，步长自定。

8. 记录所测UAK及I的数据，在坐标纸上绘制UAK-I曲线。

9. 重复以上步骤，改变入射光的频率，记录不同频率下的UAK-I曲线。

10. 根据UAK-I曲线，计算不同频率下的饱和电流和截止电压。

11. 利用爱因斯坦光电效应方程，计算普朗克常量。

五、实验数据整理与归纳1. 不同频率下的UAK-I曲线（附图）2. 不同频率下的饱和电流和截止电压3. 计算得到的普朗克常量六、实验结果与分析1. 根据实验数据，绘制不同频率下的UAK-I曲线，可以看出随着入射光频率的增加，饱和电流逐渐增大，但增速逐渐减小。