实验报告
学生：宋思博     学号： U202440851      院系：机械工程    批阅时间： 2026-4-22 17:57

实验目的：1)观察光电效应现象，了解光电效应的基本实验规律，加深对光的量子性的理解。2)测量普朗克常数h，逸出功和红线频率。

实验仪器：ZKY-GD-4光电效应实验仪

          研究光电效应的实验装置中的真空光电管在具有适当频率的入射光通过窗口W照射到光电管金属阴极K上，发射出光电子。这些光电子在电场的作用下向金属阳极A迁移形成光电流。改变外加电压(也称光电管电压)，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）光电管电压对光电流的影响：施加在阳极与阴极之间的电压对光电流大小的影响，对于给定的入射光频率和光强，光电流的大小随施加在阳极与阴极之间的电压的增大而增大，当所有的光电子都到达阳极A，光电流达到最大值，这一电流被称为饱和电流。当电压减小时，光电流减小，但当电压减小为零时，光电流并没有变为零。这表明，即使没有加速电压，有些光电子依靠自己的动能也能到达阳极A。当在阳极与阴极之间施加一个负的电压时，在某一特定电压,光电流变为零，这一电压被称为截止电压。从图5.10-2可以看到，对于光强分别为P1和P2的入射光，截止电压相同，表明人射光的光强对截止电压没有影响。

             (2)入射光强对光电流的影响:对于给定的入射光频率，饱和光电流的大小随入射光强P的增大而线性增大,如图5.10-3所示。

            (3)入射光频率对光电流的影响:对于给定的入射光强，饱和光电流不依赖于入射光的频率。由于光电流的大小只依赖于逸出的光电子的数量，因而只依赖于入射的光子的数量，而与光子的能量无关，如图5.10-4所示。(4)入射光频率对截止电压的影响 :对于给定的入射光强，光电流随施加在阳极与阴极之间的电压的增大而增大，直至饱和。但对于不同频率的入射光，饱和电流相同，如图5.10-4所示。人射光频率越高，截止电压也越高。

(5)截止频率 :截止电压U与频率，成正比关系，但直线并不通过原点。这表明有一个最小频率v存在，当人射光频率低于该值时，不论光的强度如何大，都没有光电流产生。这个最小频率被称为截止频率，也称为红限，v随不同金属而异。

(6)瞬时过程:光电子发射过程是瞬时过程。即具有适当频率的光一照射到金属上.立即就有光电子发射出来，所经过的时间只有量级。

(7)一对一发射:光电子的发射是一对一发射，即每一个具有适当频率的光子发射1个光电子

以上就是光电效应的基本实验事实。为了解释光电效应现象，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程。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v的光子具有的能量为E=hv，h为普朗克常量。当具有能量h的光子照射到金属表面上时，光子的能量一次被金属中的电子全部吸收，而无需积累能量的时间。电子把这一能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力(即表面势垒)而脱离金属表面，这一部分能量也叫作逸出功(A=hvo)，余下的能量就变成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:

,式中，为光电子获得的初始动能.

考虑到逸出功A=hv0，可改写成

,Us是截止电压

所以有,这表明截止电压Us是光波频率的线性函数，直线斜率k=h/e，截距为A/e。只要用实验方法得出不同的光波频率对应的截止电压，求出直线斜率和截距，就可求得普朗克常量h、逸出功A和红限频率v

本实验的研究内容包括两部分:

1)测光电管在不同波长光照射下的伏安特性，并获得普朗克常量h和红限频率v0（

2）研究饱和光电流i与光强P之间的关系。为了更好地理解实验现象，所有测量均采用手动测量。实际操作前，请仔细阅读仪器上所贴的注意事项，以避免损坏仪器。

实验中获得单色光的方法:使用汞灯发出的稳定白光作为光源，再使用不同颜色的滤光片罩在光电管的入光口以得到相应颜色的单色光。

测试前的准备:（1）将汞灯及光电管暗箱遮光盖盖上，再将光电效应实验仪及汞灯的电源接通，预热20min（2）调整光电管与汞灯距离约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试验仪电压输出端链接（4）使用手动模式，将仪表盘上的“电流量程”选择开关所选档位，仪器充分预热后，进行测试前调零（5）按下面板上的“调零确认系统清零”，系统进入测试状态。

(1)测量光电管在不同波长光照射下的伏安特性： 测量波长为365.0nm、404.7nmm、435.8nm、546.1nm、577.0nm的光照射下光电管的伏安特性曲线，研究人射光频率对光电流的影响。

具体实验步骤如下:

1）光电效应实验仪面板上“伏安特性测诚/截止电压测试”状态键应为优安特性测试状态。“电流量程”开关选择“A”档，调零。此时电压表显示的值，单位为伏;电流表显示对应的光电流值，单位为所选的“电流量程”单位。
2)将直径4mm的光阑及365nm的滤色片装在光电管暗箱光输入口上。打开汞灯遮光盖。电压测量范围为-1~50V，从低到高调节电压，合理分布测量点，以给出完整的光电管电压-光电流变化曲线以及关键特征，将实验数据记录到表5.10-2中。
3)依次换上405nm、436nm、546nm、577nm的滤色片，重复第2)步的测量

4)测量截止电压:理论上，测出不同频率的光照射下，阴极电流为零时对应的UAK，其绝对值即是该频率的截止电压，然而一般情况下由于光电管的阳极反向电流、暗电流、本底电流及极间接触电位差的影响，所测电流并非阴极电流，因而电流为零时对应的Uk也并非截止电压。光电管制作过程中阳极往往被污染，沾上少许阴极材料，入射光照射阳极或入射光从阴极反射到阳极后都会造成阳极光电子发射，Uak为负值时，阳极发射的电子向阴极迁移构成了阳极反向电流。暗电流和本底电流是热激发产生的光电流与杂散光照射光电管产生的光电流，可以在光电管制作、或测量过程中采取适当的措施以减小或消除它们的影响。极间接触电位差与人射光频率无关，只影响U的准确性，不影响U-v直线的斜率，此外，由于截止电压是光电流为零时对应的电压，若电流放大器灵敏度不够，或稳定对测定h无影响。本实验所用仪器采用了新型结构的光电管。其特殊结构使光不能直接照射到阳极，由性不好，也会给测量带来较大误差。阴极反射照到阳极的光也很少，再加上采用新型的阴、阳极材料及制造工艺，使得阳极反向电流大大降低，暗电流和本底电流都很小。因此，本实验仪器在测量不同频率光波的截止电压us时，可以采用“零电流法”或“补偿法”。“零电流法”是直接将各频率光照射下测的电流为零时对应的电压U的绝对值作为截止电压Us。“补偿法”是调节电压U使为零后，保持Uak不变，遮挡汞灯光源，此时测得的电说为电压接近截止电压时的暗电流和本地电流。重新让未灯照射光电管，调节电Uak使电流值至i，将此时对应的电压u的绝对值作为截正电压。此法可补偿暗电流和本底电流对测量结果的影响。

这里将采用零电流法测量波长分别为:365.0nm、404.7nm、435.8nm、546.Im
577.0nm入射光的截止电压U;。具体测量步骤如下:1将光电效应实验仪面板上“伏安特性测试/截止电压测试”状态键切换为截止电颐试状态，并按“调零确认/系统清零”键进行确认。“电流量程”开关应处于“10-RA”档2将直径4mm的光阑及365nm的滤色片装在光电管暗箱光输人口上，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[
值，以其绝对值作为该波长对应的U的值，将数据记于表5.10-3中。3依次换上405nm、436nm、546um、577nm的滤色片，重复第2步测量。(2)人射光光强P对饱和光电流L的影响 采用改变光阑直径的办法改变照射到光电管入射窗口的光强。人射光波长为435.8nm。光电效应实验仪面板上“伏安特性测试截止电压测试”状态键为伏安特性测试状态。“电流量程”开关选择“10-1A”档，重新调零。在U为50V时，测量并记录光阑直径分别为2mm、4mm、8mm时对应的电流值，并记录于表5.10-4中。

存在截止频率（红限频率）ν0​

只有入射光频率 ν>ν0​ 时，才会产生光电流；低于该频率，无论光强多大都无光电子逸出。
说明：光的能量与频率有关，与强度无关，支持爱因斯坦光子理论 E=hν。

光电子最大初动能与入射光频率呈线性关系

由爱因斯坦方程：
eUc​=hν−W0​
Uc​ 为遏止电压，W0​ 为金属逸出功。
Uc​−ν 图像为直线，斜率 k=h/e，可由此计算普朗克常量。

光强只影响饱和光电流大小

频率一定时，光强越大，单位时间入射光子数越多，逸出光电子数越多，饱和电流越大。
与波动理论 “光强越大能量越大” 矛盾，进一步证明光的粒子性。

光电效应的瞬时性

光照瞬间（<10−9 s）即产生光电流，无需能量积累时间。
波动理论无法解释，光子理论则自然：光子一次性被电子吸收，能量立即转移。

暗电流与本底电流暗电流：阴极热电子发射、管壳漏电产生的微弱电流，使实测遏止电压偏小。

反向电流阳极被阴极材料污染，光照阳极也会逸出光电子，形成与正向相反的电流，导致 Uc​ 难以精确判断。

单色光不纯滤色片并非理想单色，存在杂散光，影响频率准确性，使 Uc​−ν 线性变差。

读数与作图误差微安表、电压表精度有限；作图拟合直线时人为取点偏差，会影响斜率与 h 计算结果。

接触电势差光电管两极材料不同存在接触电势差，叠加在遏止电压上，引入系统误差。

光电效应实验有力验证了爱因斯坦光子假说，证实光具有波粒二象性；通过遏止电压与频率的线性关系可较准确测量普朗克常量；实验误差主要来自反向电流、暗电流及单色性不佳，合理处理数据可显著提高精度。