光电效应
测普朗克常数
实验目的
实验仪器
实验原理
实验内容与步骤
1
2
3
4
5
6 分析讨论
数据记录与处理
1.引入相关概念，探索生活中的物理现象
2.学习实验原理，激发科学探索的精神
3.关注实验过程，培养求真务实的精神
4. 科学撰写实验报告，培养严谨的学习态度
课程思政
微光夜视仪
光电效应在日常生活中的应用
微光夜视仪是指利用夜间的微弱月光、星光、银河光等自然界的夜天光作
照明，借助于光增强器把目标反射回来的微弱光子放大并转换为可见图像，
以实现夜间观察的仪器。微光夜视仪的重要部位是光像增强器。
，
光电效应在工程技术上的应用
在工程技术上，光电倍增管是将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件。
光电倍增管用在光学测量仪器和光谱分析仪器中。它能在低能级光度学和光谱
学方面测量波长200~1200纳米的极微弱辐射功率。
，Part 01
实验目的
，
了解光电效应的规律，加深对光的量子性的理解。
测量普朗克常数 。
，Part 02
实验仪器
，
光电效应实验仪
仪器由汞灯、电源、
滤色片、光阑、光电管、
测试仪构成。
，Part 03
实验原理
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光电效应的实验原理如图1所示。
入射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 迁移构成光电流，改变外加电压
UAK，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
图1 实验原理图
，
（1）对于某一频率，光电效应的 I-UAK 关系
如图2所示。从图中可见，对一定的频率，有
一电压 U0，当 UAK≤U0 时，电流为零，也就
是这个负电压产生的电势能完全抵消了由于
吸收光子而从金属表面逸出的电子的动能。
这个相对于阴极的负值的阳极电压 U0，被称
为截止电压。
（2）当UAK≥U0 后，电势能不足以抵消逸出
电子的动能，从而组件产生电流 I。I 迅速增
加，然后趋于饱和，饱和光电流 IM 的大小与
入射光的强度 P 成正比。
光电效应
图2 同一频率,不同光强
时光电管伏安特性曲线
，
（3）对于不同频率的光，由于它们的光子能量
不同，赋予逸出电子的动能不同。显然，频率越高
的光子，其产生逸出电子的能量也越高，所以截止
电压的值也越高，如图3所示。
（4）作截止电压U0与频率 n的关系图如图4所示。
U0与n成正比关系。显然，当入射光频率低于某极
限值n0（n0随不同金属而异）时，不论光的强度如
何，照射时间多长，都没有光电流产生。
（5）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n0，在开始照射后立即有
光电子产生，所经过的时间至多为10－9 秒的数量级。
光电效应
0
图4
图3
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光电效应
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n的光子具有能量E=hn
，h为普朗克常数。当光子照射到金属表面上时，一次为金属中的电
子全部吸收，而无需积累能量的时间。电子把这能量的一部分用来克
服金属表面对它的吸引力，余下的就变为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，A为金属的逸出功， 为光电子获得的初始动能
为最大速度，m为光电子的质量， 为光的频率，h 为普朗克常数。
（1）
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光电效应
由（1）式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动
能越大，所以即使阳极电位比阴极电位低时也会有电子落入阳极形
成光电流，直至阳极电位低于截止电压，光电流才为零，此时有关
系：
阳极电位高于截止电压后，随着阳极电位的升高，阳极对阴极
发射的电子的收集作用越强，光电流随之上升；当阳极电压高到一
定程度，已把阴极发射的光电子几乎全收集到阳极，再增加UAK 时I
不再变化，光电流出现饱和，饱和光电流 IM的大小与入射光的强度
P 成正比。
光子的能量h0 <A时，电子不能脱离金属，因而没有光电流产
生。产生光电效应的最低频率（截止频率）是0 =A/h。
（2）
，
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光电效应
此式表明截止电压U0是频率n的线性函数，直线斜率k=h/e，只要
用实验方法得出不同的频率对应的截止电压，求出直线斜率，
就可算出普朗克常数h。
爱因斯坦的光量子理论成功地解释了光电效应规律。
将（2）式代入（1）式可得：
（3）
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影响准确测量截止电压的因素
测量普朗克常数h的关键是正确的测出截止电压U0，但实际上由于光电管制作工
艺等原因，给准确测定截止电压带来了一定的困难。暗电流、本底电流和反向电流是
对测量产生影响的主要因素。
（1）在无光照时，也会产生电流，称之为暗电流。它是由阴极在常温下的热电
子发射形成的热电流和封闭在暗盒里的光电管在外加电压下因管子阴极和阳极间绝缘
电阻漏电而产生的漏电流两部分组成。
（2）本底电流是周围杂散光进入光电管所致。
（3）反向电流是由于制作光电管时阳极上往往溅有阴极材料，所以当光照射到
阳极上和杂散光漫射到阳极上时，阳极上往往有光电子发射；此外，阴极发射的光电
子也可能被阳极的表面反射。当阳极A为负电势，阴极K为正电势时，对阴极K上发射
的光电子而言起减速作用，而对阳极A发射或反射的光电子而言却起了加速作用，使
阳极A发射岀的光电子也到达阴极K，形成反向电流。
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光电光伏安特性曲线
由于上述原因，实测的光电光伏安特性曲线与理想曲线有区别。
光电流曲线分析
，Part 04
实验内容与步骤
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光电效应实验测定
1.测试前准备：盖上汞灯及光电管暗盒遮光盖，将汞灯暗盒光输出口对准光电
管暗盒光输入口，并调整光电管与汞灯距离为40cm。连接仪器并接好电源，预
热20分钟。
2.调零：将“电流量程”选择开关置于所选档位，仪器在充分预热后，进行测
试前调零。调零时，将“调零/测量”切换开关切换到“调零”档位，旋转“
电流调零”旋钮使电流指示为“000”。调节好后，将“调零/测量”切换开关
切换到“测量”档位，进行实验。
3.测普朗克常数h：将电压选择按键置于-4V～0V档；将仪器按照前面方法调零；
将直径4mm的光阑及的滤色片装在光电管暗盒光输入口上。
从低到高调节电压，测量该波长对应的U0，依次换上 nm ， nm ，
nm ， nm的滤色片，重复以上测量步骤。
，
4.测光电管的伏安特性曲线：将电压选择按键置于-4V～+30V档；选择合适的
“电流量程”档位（建议选择10-11A档）；将仪器按照前面方法调零。将直径
2mm的光阑及的滤色片装在光电管暗盒光输入口上。
从低到高调节电压，记录电流从零到非零点所对应的电流值作为第一组数据，
换上直径4mm的光阑及的滤色片，重复测量步骤。
5. I—UAK关系：在UAK为25V时，将“电流量程”选择开关置于10-10A档，将仪
器按照前面方法调零。在同一谱线，在同一入射距离下，记录光阑分别为2mm、
4mm、8mm时对应的电流值，验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比。
6. IM—P关系：UAK为30v时，将“电流量程”选择开关置于10-10A档并调零，测
量并记录在同一谱线，同一光阑下，光电管与入射光不同距离对应的电流值，
同样验证与入射光成正比。
光电效应实验测定
，Part 05
数据记录与处理
，
表1
表2
数据记录
，
表3
表4
数据记录
，
数据处理
（1）表 1 数据处理
根据线性回归理论， 直线的斜率k的最佳拟合值为：
其中： ， ， ，
求出直线斜率k后，可用 求出普朗克常数 ，并与公认值 比较求出
相对误差 ，式中 ， 。
（2）根据表 2 中的数据，用 Excel 绘制两种波长及光强的伏安特性曲线图。
（3）根据表 3 中的数据，用 Excel 绘制图像，验证光电管的饱和光电流与
入射光强成正比。
（4）根据表 4 中的数据，用 Excel 绘制图像，同样验证光电管的饱和光电
流与入射光强成正比。
，Part 06
分析讨论
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01
02
03
用零电流法和补偿法测量截止
电压U0 有何区别？
根据截止电压U0 与入射光频
率 v 的关系曲线，如何确定光
电管阴极材料的电子逸出
功及截止频率？
如何通过光电效应测定普朗克
常量 h ？
分析讨论
，
注意事项
1. 在仪器的使用过程中，汞灯不宜直接照射光电管，也不宜长时间连续照射
加有光阑和滤光片的光电管，如此将减少光电管的使用寿命。
2. 实验过程中，每换一次量程，必须重新调零。
3. 实验过程中，手请勿触碰滤色片的波片位置。
4. 实验过程中，轻慢调节电压电流旋钮，避免读数误差。
5. 实验完成后，请将光电管用光电管暗盒盖将遮住光电管暗盒入射光口存放。
