12-20 22:53:02 浏览次数:809次 栏目：高考物理实验
高考物理演示实验：光电效应实验
一. 实验目的
1. 了解光电效应的基本规律，加深对光量子性的理解。
2. 了解光电管的结构和性能，并测定其基本特性曲线。
3. 验证爱因斯坦光电效应方程，测定普朗克常数。
二. 实验仪器
光电管、光源、滤色片、微电流计、电压表、滑线电阻、直流电源、开关和导线等。
三. 实验原理
1. 光电效应及其规律
在一定频率的光的照射下，电子从金属（或金属化合物）表面逸出的现象称为光电效应，从金属（或金属化合物）表面逸出的电子称为光电子。研究光电效应的电路图如图3-19-1所示。实验表明光电效应有如下规律：
(1)只有当入射光频率大于某一定值时，才会有光电子产生，若光的频率低于这个值，则无论光强度多大，照射时间多长，都不会有光电子产生。即光电效应存在一个频率阈值υ0，称为截止频率。
（2）光电子的多少与光的强度有关，即饱和光电流IH与入射光的光强成正比。如图3-19-2所示，I～U曲线称为光电管伏安特性曲线，曲线（2）的光强是曲线（1）光强的一半。
(3) 光电子的动能（
）与入射光的频率υ成正比，与光强无关。实验中反映初动能大小的是遏止电位差Ua。在图3-19-1电路中，将光电管阳极与阴极连线对调，即在光电管两极间加反向电压，则K、A间的电场将对阴极逸出的电子起减速作用，若反向电压增加，则光电流I减小，当反向电压达到Ua时，光电流为零（如图3-19-2所示），此时电场力对光电子所作的功eUa等于光电子的初动能
，Ua称为遏止电位差。以不同频率υ的光照射时，Ua～υ关系曲线为一直线，如图3-19-3所示。
光电效应的这些实验规律，用光的电磁波理论不能作出圆满的解释。
1905年爱因斯坦提出了一个著名的理论——光量子理论，成功地解释了光电效应现象。他认为一束频率为υ的光是一束以光速c运动的、具有能量 的粒子流。这些粒子称为光量子，简称光子。h为普朗克常数。
按照光子论和能量守恒定律，爱因斯坦提出了一个著名的方程：
（3-19-1）
金属中自由电子，从入射光中吸收一个光子的能量 ，克服电子从金属表面逸出时所需的逸出功A后，逸出表面，具有初动能 。
式（3-19-1）即为爱因斯坦光电效应方程，由此方程可圆满的解释光电效应的实验规律。
同样，由式（3-19-1）可知，要能够产生光电效应，需 ≥0，即hυ-A≥0，υ≥ 
，而就是截止频率υ0，
。
实验时，测出不同频率υ的光入射时的遏止电位差Ua后，作Ua～υ曲线，Ua与υ成线性关系：
即：
（3-19-2）
从直线斜率可求出普朗克常数h，由直线的截距可求得截止频率υ0。式（3-19-2）中的e为电子的电量。
2. 光电管
光电管是利用光电效应制成的能将光信号转化为电信号的光电器件。在一个真空的玻璃泡内装有两个电极，一个是阳极A，另一个是光电阴极K，如图3-19-4所示。光电阴极是附在玻璃泡内壁的一个薄层（有的附在璃泡内的半圆形金属片的内侧），此薄层由具有表面光电效应的材料制成（常用锑铯金属化和物）。在阴极的前面，装有金属丝制成的单根（或圈成一个小环）的阳极。阴极受到光线照射的时候便发射电子，电子在外场的作用下向阳极运动形成光电流。
除真空式光电管以外，还有一种充气式的光电管。它的构造和真空式的完全相同，所不同的仅仅在真空的玻璃泡内充入了少量的惰性气体，如氩气等。当光电阴极被光线照射时便发射电子，发射的电子在趋向阳极的途中撞击惰性气体的分子，使气体游离成为正离子、负离子以及电子。撞击出的负离子、电子以及阴极发射的电子共同被阳极吸收，因此阳极的总电流便增大了，故充气式光电管比真空式光电管有较高的灵敏度。
（1）光电管的伏安特性
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