光闌大小和光電管接收距離對實驗結果影響分析

張風昀，王雪鵬，隋宏光，郭雅慧

(中國石油大學 理學院，山東 青島 266580)

光闌大小和光電管接收距離對實驗結果影響分析

張風昀，王雪鵬，隋宏光，郭雅慧

(中國石油大學 理學院，山東 青島 266580)

該文通過光電效應伏安特性及普朗克常數(shù)測量實驗，研究光電管與汞燈光源之間距離和不同光闌對普朗克常數(shù)實驗測量誤差的影響。研究結果表明，隨著光闌大小的增大，光源和光電管距離越近測得結果的相對誤差越小，普朗克常數(shù)越接近理論值。

光電效應；普朗克常量；光闌；截止電壓

普朗克常數(shù)是聯(lián)系物質的粒子性與波動性的重要參數(shù)，因此常數(shù)測量是大多數(shù)高校所必需開設的實驗項目，通過本實驗項目的學習和研究，學生不但可以理解光電效應的原理，也可更好地認識光的本性。隨著科技水平的發(fā)展，利用光電效應制成光電元件，生活和科學研究中隨處可見[1-3]。通過查閱現(xiàn)有相關科研資料和文獻，可以發(fā)現(xiàn)研究人員已經(jīng)在測量儀器的改進和改造上做過相關的研究，對截止電壓的不同測量方法和實驗測量數(shù)據(jù)誤差來源分析上也做過大量的研究分析[4-8]，但是在現(xiàn)有使用的實驗測量儀器下，通過改變不同孔徑光闌的大小和光源與光電管之間的接收距離，研究兩個實驗條件同時變化對普朗克常數(shù)的實驗測量的影響目前還沒有發(fā)現(xiàn)有關的研究報告。本文通過對光電效應伏安特性實驗和普朗克常數(shù)測定實驗的研究，總結出一些影響實驗結果因素。通過豐富相關的實驗研究內容，改變光闌大小，也改變高壓汞燈光源與光電管之間接收距離，采取Origin軟件線性擬合，分析直線斜率，測得普朗克常數(shù)值，并研究分析了不同孔徑光闌大小和汞燈與光電管接收距離對實驗測量結果的影響。

1 實驗原理

光電效應是一定頻率的光照射到某些金屬表面，有電子逸出的現(xiàn)象，逸出的電子稱為光電子，光電子做定向運動形成的電流稱為光電流。光電效應實驗原理[9-12]如圖1所示。

圖1 光電效應實驗原理圖

愛因斯坦光電效應方程：

(1)

(2)

將式(2)代入式(1)可得：

(3)

2 實驗儀器及測量

圖2 普朗克常數(shù)測試儀結構示意

實驗采用了ZKY-GD-3型普朗克常數(shù)實驗儀，示意圖如圖2所示。包含有高壓汞燈電源、濾光片、光闌，光電管和實驗儀。移動汞燈光源與光電管距離為300 mm，光闌的口徑大小選擇為2 mm時，利用濾光片得到波長分別為365.0 nm、404.7 nm、435.8 nm、546.1 nm和577.0 nm單色光，記錄不同波長下的截止電壓。依次把光闌大小換為4 mm和8 mm， 測量不同波長下截止電壓大小，如表1所示，列出光源與光電管之間距離為300 mm，光闌分別為2 mm、4 mm 和8 mm時，不同波長光源下得到截止電壓的大小。如表2所示，汞燈光源與光電管之間的距離為350 mm，光闌分別為2 mm、4 mm和 8 mm時，不同波長光源下得到截止電壓的大小。如表3所示，汞燈光源與光電管之間的距離400 mm，更換光闌分別為2 mm、4 mm、8 mm時，不同波長光源下得到截止電壓的大小。

3 實驗結果及討論

利用Origin軟件對數(shù)據(jù)進行處理，得到截止電壓與頻率的關系曲線及其線性擬合方程，如圖3所示。利用上面所得的數(shù)據(jù)根據(jù)線性回歸的方法計算出斜率，從圖形看出光闌越大距離越小，直線擬合得越好，通過公式計算出相應的普朗克常量h的值并計算出每種情況下相對誤差值，如表4～表6所示。從表中分析的數(shù)據(jù)可以看出，接收距離為300 mm，光闌從小依次變大時，計算出的普朗克常數(shù)越接近理論值6.63×10-34J·s，相對誤差越小；接收距離依次變?yōu)?50 mm、400 mm時，計算出普朗克常數(shù)數(shù)值，越遠離理論值，相對誤差依次變大。通過對比發(fā)現(xiàn)當光闌大小為8 mm，接收距離為300 mm時，計算出普朗克常數(shù)最接近理論值，光闌越大、接收距離越近說明入射光的強度越強。因此得到結論：入射光越強所得到的普朗克常數(shù)越接近理論值。

表1 光電管接收距離D為300 mm，光闌Φ分別為 2mm、4 mm和8 mm時不同波長下截止電壓

表2 光電管接收距離D為350 mm,光闌Φ分別為2 mm、4 mm和8 mm時不同波長下截止電壓

表3 光電管接收距離D為400 mm,光闌Φ分別為2 mm、4 mm和8 mm時不同波長下截止電壓

利用上面所得的數(shù)據(jù)根據(jù)線性回歸的方法計算出直線斜率，并求出普朗克常量h的值及計算結果的相對誤差值如表4、表5和表6所示。

表4 接收距離300 mm時不同光闌大小的實驗數(shù)據(jù)處理結果

表5 接收距離350 mm時不同光闌大小的實驗數(shù)據(jù)處理結果

表6 接收距離400 mm時不同光闌大小的實驗數(shù)據(jù)處理結果

由表4、表5和 表6可以看出，隨著實驗測量過程中光闌大小的變大，普朗克常數(shù)測量值的相對誤差越小，隨著光電管與汞燈之間接收距離的減少，測量常數(shù)結果的相對誤差越小。

(a)Φ=2 mm (b)Φ=8 mm (c)Φ=4 mm圖3 光電管接收距離D分別為300 mm、350 mm和400 mm時，和光闌Φ分別為2 mm、4 mm、8 mm的截止電壓與頻率的關系曲線及其線性擬合方程

4 結束語

本實驗通過改變光闌大小和接收距離，讓5種不同波長的光通過光電管，得到相應條件的截止電壓，對實驗數(shù)據(jù)進行線性擬合得到普朗克常數(shù)。隨著實驗過程中光闌孔徑的增大和光電管接收距離的減少，通過實驗數(shù)據(jù)處理得到普朗克常數(shù)越接近理論值，相對誤差越小。綜上所述，通常情況下光闌孔徑大和光電管接收距離小時，測量誤差小。光闌是控制入射光的，光電管與汞燈的距離大小,也決定光強大小，光闌越大，接收距離越小，說明入射光的強度越大，光的強度越大測量誤差越小，但是在實際實驗操作過程中如果光的強度越強時，測量過程中接近截止電壓時，電流較大，往往超過相應的量程，這也會給測量帶來不便。在實驗室進行實驗教學時,對實驗結果要求不高的情況下,為了更好更方便地完成實驗,我們讓學生選擇4 mm 光闌和光電管接收距離為400 mm進行實驗。

[1]鄭冬梅，閆迎利.光電效應與光電器件的應用[J].現(xiàn)代物理知識，2006，18(2)：12-13.

[2]黃梅珍，唐九耀，陳鈺清.基于半導體橫向光電效應的位置敏感探測器[J].光電與控制，2000，2(1)：34-37.

[3]袁振卓.光電效應及光電方程的作用[J].物理教學探討，2008，314(26)：21-30.

[4]王云志，趙敏.光電效應測普朗克常數(shù)的數(shù)據(jù)處理及誤差分析[J].大學物理實驗，2011，24(2)：93-95.

[5]宋曉東.光電效應測量普朗克常數(shù)的方法及誤差分析[J].吉林建筑工程學院報， 2009，26(6)：96-98.

[6]吳麗君，李倩.光電效應測普朗克常數(shù)的三種方法[J].大學物理實驗，2007，20(4)：49-52.

[7]白光富，袁升，馬澤斌，等.光電效應測普朗克常數(shù)新數(shù)據(jù)處理方法[J].物理與工程，2013，23(3)：4-8.

[8]馬靖，陸培民.光電效應仿真實驗的教學探討[J].中外教育研究，2011(1)：99-100.

[9]李書光，張亞萍，朱海豐.大學物理實驗[M].北京：科學出版社，2012.

[10]章佳偉，殷士龍.在光電效應試驗中用曲率法測普朗克常量[J].物理實驗，2003，23(11)：42-44.

[11]聞春敖，鄭曉東.光電效應法測量普朗克常數(shù)的數(shù)據(jù)處理及誤差分析[J].光學技術，2009(35)：191-193.

[12]王林香.光電效應實驗的影響因素及誤差分析[J].物理與工程，2016，26(5)：33-35.

DiscussionofEffectofApertureSizeandPhotocellReceivingDistanceonExperimentalResults

ZHANG Fengyun，WANG Xuepeng，SUI Hongguang，GUO Yahui

(College of Science，China University of Petrolem，Qingdao 266580，China)

In this paper，the influence of the distance between the photoelectric tube and the mercury lamp and the measurement error of the planck constant is studied by the photoelectric effect volt-ampere characteristic and the planck's constant measurement experiment.The results shown that with the increase in apeture diatance，the relative error between the light source and the photoelectric tube is smaller，and the closer the planck constant is near the theoretical value.

photoelectric effect；plankconstant；aperture；cut-off voltage

2016-10-31；修改日期:2017-04-17

中國石油大學(華東)自主創(chuàng)新項目(17CX02034A)；中國石油大學(華東)精品實驗項目(JS201608)；中國石油大學(華東)重點教改項目(JYA201616)。

張風昀(1979-)女，碩士，實驗師，主要從事物理實驗教學與分子反應理論研究工作。

O431.8

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.009