实验要求与内容.doc

第 1 页 共 1 页实验要求一、实验过程实验前认真记录实验设备及桌椅的初始状态，实验后复原二、实验报告报告内容包括 4 个部分：1、实验目的；2、实验数据处理与误差分析，要有实验原理框图、实验数据表及分析图；3、降低误差的途径与实际结果；4、实验收获与心得实验报告有雷同成绩最高为 C三、实验报告上交方式1、时间：5 月 5 日上午 10 点；2、地点：E 楼 II 区 103；3、学习委员统一收齐 word 格式的纸质打印版后上交，实验报告按学号排列，每个学生的实验报告按实验序号排列四、实验报告评分参考标准1、独立完成实验，了解实验原理，认识实验设备得“C” ；2、能够在实验现场计算误差并分析误差来源得“B” ；3、根据误差分析结果，能够提出问题并在实验现场验证提出的问题得“A” 第 1 页 共 6 页实验一 光电效应法测定普朗克常数实验普朗克常量是在辐射定律研究过程中，由普朗克（1858-1947）于 1900 年引入的与黑体的发射和吸收相关的普适常量普朗克公式与实验符合得很好发表后不久，普朗克在解释中提出了与经典理论相悖的假设，认为能量不能连续变化，只能取一些分立值，这些值是最小能量的整数倍。

1905 年，爱因斯坦（1879-1955）把这一观点推广到光辐射，提出光量子概念，用爱因斯坦方程成功地解释了光电效应普朗克的理论解释和公式推导是量子论诞生的标志1 实验装置各器件安装在一个 700×290×80mm 的底座上（图 1） 在箱体内部有AC220V/DC12V 开关和±5V 电源1 卤钨灯箱 2 聚光器 3 单色仪 4 光电管盒 5 零点调节 6 电压调节7 电流倍率开关 8 正负转换开关 9 微安表 10 测量开关 11 电源开关12 直流电压表 13 波长调节 14 聚光器横向调节 另有遮光板 2 个图 1 普朗克常量实验装置1.1 光源：12V,75W 卤钨灯；1.2 风扇：DC12V 0.17A，供光源散热用；1.3 聚光器：由 f’=50mm 和 f’=70mm 两个透镜组成；1 2 3 4 5 6 7 8 91011121314光电效应法测定普朗克常数实验第 2 页 共 6 页1.4 单色仪：WGD-100 型，光栅式波长范围：200-800nm狭缝宽度：0.3mm波长精度：±3nm波长重复性：±1nm1.5 光电管：GD31A 型；1.6 直流稳压电源：±1.8V，用数字电压表；1.7 测量放大器：为电流放大，4 档倍率转换，磁电式 100μA 电流计。

图 2 WGD-100 小型光栅单色仪2 工作原理图 3 表示实验装置的光电原理卤钨灯 S 发出的光束经透镜组 L 会聚到单色仪 M 的入射狭缝上，从单色仪出射狭缝发出的单色光投射到光电管 PT 的阴极金属板 K，释放光电子（发生光电效应） ，A 是集电极（阳极） 由光电子形成的光电流经放大器 AM 放大后可以被微安表测量如果在 AK 之间施加反向电压（集电极为负电位） ，光电子就会受到电场的阻挡作用，当反向电压足够大时，达到 V0，光电流降到零，V 0 就称作遏止电位V 0 与电子电荷的乘积表示发射的最快的电子动能 Kmax，即光电效应法测定普朗克常数实验第 3 页 共 6 页（1） 0maxeVKG±2DC AμMSLPT S：卤钨灯；L ：透镜；M：单色仪；G：光栅；PT ：光电管； AM：放大器图 3 普朗克常量实验装置光电原理按爱因斯坦的解释，频率为 的光束中的能量是一份一份地传递的，每个光子ν的能量（2）hvE其中的 h 就是普朗克常量他把光子概念应用于光电效应，又得出爱因斯坦方程（3） max0KEhv并做出解释：光子带着能量 hv 进入表面，这能量的一部分（E 0）用于迫使电子挣脱金属表面的束缚，其余（hv － E0）给予电子，成为逸出金属表面后所具有的动能。

将式（1）代入式（3） ，并加以整理，即有（4）eEhV00ν这表明 V0与 之间存性关系，实验曲线的斜率应当是 是常量因ν he0此，只要用几种频率的单色光分别照射光电阴极，做出几条相应的伏安特性曲线，然后据以确定各频率的截止电位，再作 关系曲线，用其斜率乘以电子vV0光电效应法测定普朗克常数实验第 4 页 共 6 页基本电荷 e，即可求得普朗克常量图 4 光电管的伏安特性曲线应当指出，本实验获得的光电流曲线，并非单纯的阴极光电流曲线，其中不可避免地会受到暗电流和阳极发射光电子等非理想因素的影响，产生合成效果图 4 表示，实测曲线光电流为零处（A 点）阴极光电流并未被遏止，此处电位也就不是遏止电位，当加大负压，伏安特性曲线接近饱和区段的 B 点时，阴极光电流才为零，该点对应的电位正是外加遏止电位实验的关键是准确地找出各选定频率入射光的遏止电位3 实验方法与步骤3.1 接通卤钨灯电源，松开聚光器紧定螺丝，伸缩聚光镜筒，并适当转动横向调节纽，使光束会聚到单色仪的入射狭缝上（以电流表指示最大为准，×10 -4 档、500nm 可达 50μA 以上） 3.2 单色仪的调节3.2.1 将光电管前的挡光板置于挡光位置。

转动波长读数鼓轮（螺旋测微器） ，观察通过出射缝到达挡光板的从红到紫的各种单色光斑，直到波长度数鼓轮转到零位置，挡光板上出现白光可能发生的零位偏差，实验读数中应予以修正光电效应法测定普朗克常数实验第 5 页 共 6 页0451小 管 鼓 轮图 5 单色仪的读数装置3.2.2 单色仪输出的波长示值是利用螺旋测微器读取的如图 5 所示，读数装置的小管上有一条横线，横线上下刻度的间隔对应着 50 nm 的波长鼓轮左端的圆锥台周围均匀地划分成 50 个小格，每小格对应 1 nm当鼓轮的边缘与小管上的“0”刻线重合时，单色仪输出的是零级光谱而当鼓轮边缘与小管上的“5”刻线重合时，波长示值为 500 nm3.3 通电预热 20-30min 后，调节测量放大器的零点位置先将电压表调至 0V，再将单色仪前的挡光板置于挡光位置，光电管的遮光罩要向左推到头，然后微调零点调节纽，使电流表指向零位3.4 测量光电管的伏安特性3.4.1 在可见光范围内选择一种波长输出，根据微安表指示，找到峰值，并设置适当的倍率按键3.4.2 调节电压调节旋纽，改变光电管遏止电压从-1.3V 起，缓慢调高外加直流电压，先注意观察一遍电流变化情况，记住使电流开始明显升高的电压值。

3.4.3 针对各阶段电流变化情况，分别以不同的间隔施加遏止电压，读取对应的电流值在上一步观察到的电流起升点附近，要增加监测密度，以较小的间隔采集数据（电流转正后，可适当加大测试间隔，电流可测到 90×10-11A 为止） 3.4.4 陆续选择适当间隔的另外 3~4 种波长光进行同样测量，列表记录数据4 使用 Excel 处理数据4.1 分别做出被测光电管在 4~5 种波长（频率）光照射下的伏安特性曲线，并从图 5光电效应法测定普朗克常数实验第 6 页 共 6 页这些曲线找到和标出 IAK 的遏止电位，填入下表提示：作 GD31A 型光电管伏安特性曲线，若用到红光波段，随着频率的降低，遏止电位倾向于从曲线的“拐点”逐渐向上偏移波长 λ（nm ）频率 v（×10 14Hz）遏止电位 V0（V）4.2 根据上表数据作 V0- 关系图，可得一直线，说明光电效应的实验结果与爱ν因斯坦光电方程是相符合的用该直线的斜率 ehν0乘以电子电荷 e（1.602×10 -19C） ，求得普朗克常量4.3 普朗克常量与公认值作比较，分析误差5 实验图例 6.0h=6.8×10-34JsEr9%-V0().50.3421976810.51.0 54.30068547-V() .ν(×1Hz)IKA(-实测光电管伏 /安特性的 I-V 曲线 - 图及所得普朗克常量0注：1）GD-31A 型光电管属高灵敏度光电管，但产品个体之间灵敏度可能会有较大光电效应法测定普朗克常数实验第 7 页 共 6 页差别，其中该指标较低的光电管，不同频率单色光的几条伏安特性曲线容易靠得太近。

这时可在一张 35×25cm 格纸上分作两图，使曲线间有适当距离2）测微电流时必须确认表针停稳后才可以读数3）实验中要注意可能出现的微电流计指针的漂移现象遇短时间的漂移，实验可暂停片刻；对数据有较大影响时，部分测量可以重做；若电网电压波动较大，卤钨灯宜配接交流稳压器参考文献：《物理光学实验》杨志文主编 pp213-223第 1 页 共 4 页实验二 光电探测器探测度的测量实验探测度是衡量光电探测器对于微弱信号的极限探测能力的一个重要指标这一性能指标对光电探测器在弱光探测和军事方面的应用具有重要意义探测度这一参数最初是从噪声等效功率 NEP 引出的 NEP 的定义如下：当探测器输出的基频信号电压的有效值 Vs 等于噪声均方根电压 Vn 时，投射到探测器上的已调制辐射频率 Ps（基频分量的均方根值） ，称作光电探测器的噪声等效功率用公式表示，则为NEP= (1)nSV/这里，NEP 的单位为 W噪声等效功率又称为最小可测功率，因此光电探测器的 NEP 值越小，其探测本领越强，这显然不符合人的心理习惯人们习惯认为探测器的性能越好，表征他性能的参数应越大。

因此通常由 NEP 的倒数定义探测度 D，用公式表示，则为(2)SnPVNED/1探测度 D 可以理解为每单位（瓦）辐射功率照射在探测器上的信噪比 D越大，表明探测器的探测能力越强D 的单位为 1W理论与实验均表明，噪声等效功率与探测器的光敏面积 Ad 和测量系统的带宽 乘积的平方根成正比，即f(3)21fANEPd亦即=常数 (4)21fd其中 为探测器的光敏面积，单位为 cm2; 为测量系统的带宽，单位为dAfHz为了消除光敏面积和测量带宽的影响，便于对不同类别的探测器进行比较，人们引入归一化探测度 D*（又称为比探测度） D*被定义为 D 与 的乘21fAd积，即光电探测器探测度的测量实验第 2 页 共 4 页= = = (5)*D21fAdNEPfd2121/fAVdSnD*的单位是 它表示探测器接受面积为 1cm2,工作带宽为12WHzcm1Hz 时，在单位入射辐射功率照射下所输出的信噪比为简化起见，通常也把D*叫做探测度通常在 D*后将测量条件一并标出，如所用的黑体光源的温度、调制频率、测量系统的带宽等，测量值以 标出。

例如，D*(800,500,1)fTD,为了描述光电探测器对不同单色光的探测能力强弱，还引入光谱探测度 D它表示器件对波长为 λ 的辐射的探测度 的测量结果以 标出f,*一、实验目的（1）掌握光电探测器探测度的测试方法；（2）深入了解光导探测器的探测度与调制频率的关系二、实验内容（1）利用黑体辐射测量 PbS 光导探测器的积分响应度、最小可探测功率及探测度；（2）测量响应度和探测度与调制频率的关系三、基本原理根据定义，探测度可表示为D*= (6)21/fAPVdSn其中，探测器的接收面积 和放大器的工作带宽 在一定的测量系统中为定dAf值，因此，只要测得探测器输出信噪比 ，便可根据计算得到的 求出nS/ SPD*本实验用 500K 黑体做辐射源根据普朗克公式，黑体在单位面积上，在单位波长间隔内发射的辐射功率为(7)1/52kThcBeL光电探测器探测度的测量实验第 3 页 共 4 页式中，普朗克常数 ；玻尔兹曼常数 ；sJh3410625. 12308.1KJk光速 ； 为辐射。