电子的最大初动能与入射光的强度
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图1光电效应实验原理图3.2光电效应测定普朗克常数1887年，赫兹在做电磁波的发射与接收的实验中，发现了光电效应现象。
1905年爱因斯坦在普朗克能量子假说的基础上提出“光量子”假说，圆满地解释了光电效应，并给出了光电效应方程。
约十年后密立根以精确的光电效应实验证实了爱因斯坦的光电效应方程，并精确测出了普朗克常数h （公认值h=6.626075540×10-34J ·s ）。
爱因斯坦和密立根因在光电效应方面的杰出贡献，分别于1921年和1923年获得诺贝尔物理奖。
而今光电效应已经广泛地应用于各科技领域，利用光电效应制成的光电元件（如光电管、光电池、光电倍增管等）已成为生产和科研中不可缺少的器件。
【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）验证截止电压与入射光频率的正比关系，测量普朗克常数h 。
（3）研究光电管的光电流与其极间电压的关系。
（4）验证光电效应中关于饱和电流与光强的正比关系。
【实验原理】以一定频率的光照射在金属表面上，有电子从金属表面逸出的现象称为光电效应。
把产生光电效应的金属板K 接电源负极，称为光电阴极（光电阴极往往由电子逸出功较小的金属化合物制成，这样就能在较低频率的光照下有光电子逸出）；把另一块金属板A 接电源正极，并把它们一起封装在抽成真空的玻璃壳里就成了光电管。
光电管在现代科学技术中，如自动控制、有声电影、电视、以及光讯号测量等领域都有重要的应用。
观察光电效应规律的实验装置如图（1）所示。
在光电阴极K 与阳极A 之间加上电压（称为极间电压），则K 、A 之间形成电场。
平时K 、A 之间绝缘，电路中没有电流通过。
当用适当频率的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，于是回路中就有了流，在电流计上有读数I ，，这个电流值与无光照射时的电流I g （称为暗电流,由于热电子发射、漏电等原因产生的）之差I ω叫光电流(I ω=I-I g )。
本实验所用光电管的暗电流非常小（≤2×10-12A ），可以用回路里的电流I 代替光电流Iω。
改变改变外加电压U ，测量出光电流I ω的大小，即可得出光电管的伏安特性曲线。
光电效应有如下实验的规律：（1）饱和电流I ω0：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I ω0，对不同的光强，I ω0与入射光的强度P 成正比。
（2）截止电压U 0：当光电管两端加反向电压时，光电流迅速减小，但不立即降为零，直至反向电压达到U 0时，光电流为零，U 0称为截止电压。
这表明此时静电场力对光电子所做的功等于光电子的最大初动能：（1）2021mu eU 0=实验表明，截止电压U 0与入射光的强度P 无关（如图2所示），只与入射光的频率ν有关。
即光电子的最大初动能与入射光的强度P 无关，只与入射光的频率ν有关。
（3）红限频率：改变入射光频率ν时截止电压U 0随之改变，（如图3所示），且U 0与ν成线性关系（如图4所示）。
实验表明，无论光多么强，只有当入射光频率ν大于ν0时才能发生光电效应，ν0称为红限频率。
对于不同的金属阴极ν0的值也不同。
（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ν0，一经光线照射，就立刻产生光电流，驰豫时间﹤10－9秒。
上述光电效应的实验规律是麦克斯韦的经典电磁理论无法解释的。
爱因斯坦光量子假说成功地解释了这些规律。
假设光是由能量h ν的粒子（称为光子）组成的，其中h 为普朗克常量，实验确定的数值为：=(6.62607554±0.00000052)×10-34Jh 当光束照射在金属上时，光子一个个地打在金属上面，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h ν。
只有当这能量大于电子摆脱金属表面约束所需要的逸出功W 时，电子才会以一定的初动能逸出金属表面。
根据能量守恒有（2）W mu 21h 20+=ν式（2）称为爱因斯坦方程。
将（1）式代入（2）式，并知，则爱因斯坦光电效应方0h /W νν=≥程可改写为0h eU h νν+=即（3）)(00e h U νν−=（3）式表明了U 0与ν成线性关系，由直线斜率可求h ，由截距可求ν0。
这正是密立根验证爱因斯坦光电效应方程的实验思想。
【实验仪器】滤色片5组：中心波长365.0，404.7，435.8，546.1，578.0nm ；ZKY-GD-4智能光电效应（普朗克常数）实验仪。
1汞灯电源2汞灯3滤色片4光阑5光电管6基座7实验仪图2频率ν一定，不同光强下的U AK -I 曲线图3不同频率ν的U AK -I 曲线图4截止电压U 0与入射光频率ν的关系U AK -I 曲线图5仪器结构图GD-4型智能光电效应（普朗克常数）实验仪由两部份组成，仪器结构如图5所示：1．光电检测装置包括：光电管暗箱GDX-1，高压汞灯灯箱GDX-2；高压汞灯电源GDX-3和实验基准平台GDX-4。
2．实验主机为GD-4型光电效应（普朗克常数）实验仪。
【实验内容与步骤】1．测试前准备：（1）连线：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（后面板上）连接起来（红—红，兰—兰）。
（2）调整光电管与汞灯距离为400mm并保持不变。
（3）将实验仪及汞灯电源接通（注意：将汞灯及光电管暗箱遮光盖盖上），预热20分钟。
开机后，实验仪进入系统调零状态，，前面板显示如下：a.电压指示为“----”；b.电流指示为零偏电流值；c.截止电压测试灯亮；d.手动测试灯亮。
若要动态显示采集曲线，需将实验仪的“信号输出”端口接至示波器的“Y”输入端，“同步输出”端口接至示波器的“外触发”输入端。
示波器“触发源”开关拨至“外”，“Y衰减”旋钮拨至约“1V/格”，“扫描时间”旋钮拨至约“20µs/格”。
此时示波器将用轮流扫描的方式显示5个存储区中存储的曲线，横轴代表电压U0，纵轴代表电流Iω。
2．测试截止电压：由于本实验仪器的电流放大器灵敏度高，稳定性好；光电管阳极反向电流，暗电流水平也较低。
在测量各谱线的截止电压U0时，可采用零电流法，即直接将各谱线照射下测得的电流为零时对应的电压U的绝对值作为截止电压U0。
测量要求：实验仪在截止电压测试状态；手动测量；“电流量程”置10-13A；光阑Ф=4mm；光电管与汞灯距离为r=400mm。
（1）实验仪调零：旋转“调零”旋钮使电流指示为000.0，然后用高频匹配电缆将光电管暗箱电流输出端K与实验仪微电流输入端（后面板上）连接起来，按“调零确认/系统清零”键，系统进入测试状态。
（2）取去光电管暗箱遮光盖，将光阑及滤色片（365.0nm，404.7nm，435.8nm，546.1nm，577.0nm）装在光电管暗箱光输入口上，再打开汞灯遮光盖，此时电压表显示U的值，单位为伏；电流表显示与U0对应的电流值Iω，单位为所选择的“电流量程”。
（3）调节电压观察电流值的变化，寻找电流为零时对应的U，即为此时的截止电压U0值，记录数据，完成表格一。
3．测光电管的伏安特性曲线：测量要求：实验仪在伏安特性测试状态；“电流量程”置10-10A档；滤色片波长λ=546.1nm；光阑Ф=4mm；光电管与汞灯距离为r1=350mm，r2=400mm。
（1）实验仪重新调零后接光电流输入线。
（2）测量r1=350mm的伏安特性曲线，要求自动测量。
自动测量方法：①按“手动/自动”键，则仪器进入自动测试状态，“溢出/起止电压设置指示”灯闪烁。
②设定光电管扫描电压起始、终止值：进行自动测试时，实验仪自动提供一个默认的光电管扫描起始、终止电压：-1V～35V，扫描步长1V。
此时，区﹤2﹥是自动扫描起始电压设置指示区；﹤3﹥是自动扫描终止电压设置指示区。
（如果需要修改，用“电压调节”键↑/↓,←/→可完成光电管扫描起始、终止电压的具体设定。
）③启动自动测试：确定自动测试状态设置正确后，按下相应的存贮区按键，经30秒倒计时自动测试开始，测试数据存贮在对应的存贮区内。
且从面板电流指示区（区<2>），测试电压指示区（区<3>），可观察光电流与扫描电压相关变化情况。
④查询数据：自动测试过程正常结束后，区<11>的查询灯亮。
所有按键都被再次开启工作。
按下相应存贮区的按键，用“电压调节”键改变电源电压指示值，就可得到对应的光电流值的大小，该数值显示于区<2>的电流指示表上。
在草稿上记录数据。
⑤结束查询：按灭“查询”键，实验仪回到自动测试的电压设置状态。
按下“手动/自动”键至手动测试状态，实验仪进入手动测试状态，自动退出查询过程。
⑥分析测量数据，从中选择16个电压值（V=-1V 和V=0V 必选）及相应的光电流值记入表格二。
注意：在自动测试过程中，为避免面板按键误操作，导致自动测试失败，面板上除“手动/自动”按键外的所有按键都被屏蔽禁止。
在自动测试过程中，若要中断自动测试过程，只要按下“手动/自动”键，手动测试指示灯亮，实验仪就回复到手动测试状态。
所有按键都被再次开启工作。
（3）测量r 2=400mm 的伏安特性曲线，要求手动测量。
①按“手动/自动”键将实验仪切换至手动测量模式。
②分析自动测试数据，确定合适的电压测量点，要求：电压值从-1V 开始，共选择16个电压测量点（v=-1V 和v=0V 必选）。
③按“电压调节”键调节电压，使电压由-1V 开始逐渐升高，记录每个电压测量点下的光电流值，完成表格三。
4．观察入射光频率ν一定时，光电管的饱和光电流I ω0与光强P 的关系测量要求：实验仪在伏安特性测试状态；手动测试；“电流量程”置10-10A 档；滤色片波长λ=405nm 或436nm ；光阑Ф=4mm 。
（1）按要求选定光阑及一个滤色片装在光电管暗箱光输入口上，再打开汞灯遮光盖。
（2）将电压U AK 调至50V 且保持不变，改变光电管与汞灯的距离r （从300mm 至400mm,每次改变20mm ，共测量六个点），记录各个距离下的饱和电流值，完成表格四。
0I ω实验完毕后，切断电源整理好仪器。
【数据记录】1．测量截止电压：表一：Φ=4mm r=400mm2．测量光电管的伏安特性曲线：表二：λ=546.0nm Ф=4mmr 2=350mm 表三：λ=546.0nmФ=4mm r 1=400mm 3．一定时，I ω0与P 的关系：ν表四：U AK =50V Ф=4mmλ=U AK （V ）（×10-10A ）AK （V ）（×10-10A ）U AK （V ）（×10-10A ）AK （V ）（×10-10A ）r （mm ）波长λi (nm)365.0404.7435.8546.1577.0频率νi (×1014Hz)8.2147.408 6.879 5.490 5.196截止电压U 0i (V)【数据处理】1.由表一的实验数据，绘制U 0—ν曲线，并用最小二乘法处理数据，得出r=400mm 的U 0—ν直线的斜率K ，然后计算出普朗克常数，并与h 的公认值h 0进行比较求出相对误差。
