实验20 光电管特性测定

大学物理实验教案

实验名称：光电管特性测定

1 实验目的

1）掌握光电管的伏安特性和光电特性的测定方法。 2）进一步理解光电效应。

2 实验仪器

双路输出直流稳压电源、微电流测量仪、TH-V型直流数字电压表、GD型光电效应实验暗箱

3 实验原理

（一） 光电管的光电效应及伏安特性曲线

用一定频率的光照射在金属（或半导体）表面上时，会有电子从金属表面逸出，这种现象叫做光电效应，从金属表面逸出的电子叫做光电子，光电子定向流动形成光电流。本实验用的光电管是由光敏物质做阴极，金属网做阳极，封闭在玻璃管内而成。

按照爱因斯坦“光量子”的理论，光电效应的实质是当光子和电子相碰撞时，光子把全部能量传递给电子。电子所获得的能量一部分用来克服金属表面对它的束缚，其余的能量则成为该光电子逸出金属表面后的能量。光电方程如下式

12hv?mu0?A2 （1）

12mu0式中h为普朗克常数，v为光电子频率，hv为光子能量，A为金属的逸出功，2为

光电子初动能。由式中可知，若光子能量hv?A时，则不能产生光电子，刚好能使金属发射电子的照射光的最低频率限”。

实验发现，照射光的频率在“红限”以上，如果照射光越强，发射光电子数则越多，光电流也越大。在照射光强度一定情况下，加速电压增大则光电流也随着增加。

图38-1是光电管伏安特性曲线。图38-2是测试伏安特性曲线电路原理图。曲线（1）、（2）分别表示照射光强度不同的伏安特性曲线，曲线（1）照射光比（2）强，光电流较大。伏安特性曲线可分段解释，光电流随着加速电压增加而增加，到饱和点后，加速电压增加但光电流不再增加，此时的光电流被称为饱和光电流IH。当加速电压V?0时仍有光电流，这说明从阴极逸出的电子具有初动能，在没有加速电压作用仍有一部分光电子跑向阳极而形成电流。要使光电流为零必须加反向电压，光电流为零时的反向电压（负值）Va称为截止（遏止）电压。

v0?Ah，称为该金属的“红限”，不同的金属材料有不同的“红

I

Va 光强较大 光强较小 数字电压表 微电流表 V 电 源＋ － 图38—2 光电管伏安特性测量原理图 图38—1 光电管伏安特性曲线 （二）光电流和照射光强度的关系实验发现，饱和光电流强度IH与照射光强度P成正比。要测定光电流和照射光强度的关系有两种办法：一是改变照射光的强度；二是保持照射光的强度不变而改变照射光源与光

PA?电管阴极K间的距离。若光源可 视为点光源，根据照射第一定律 (A2是点光源光线垂直照在物体表面上的照度，P是光源的发光强度，r是被照射面到光源的距离平方)。

0

在光源发光强度P不变（即灯泡工作电压不变）

122rIH（nA） 1-2(cm) r 2

图38—3 光电管光电特性曲线 IH?1r2，因而在实验中测定r和IH对应值，然后以r为横坐标，IH为纵坐标，便可得出饱和光电流和照度的关系曲线，即光电特性曲线，如图38-3所示。

4 教学内容

1．简要讲解实验原理（光电效应现象，光电管的伏安特性和光电特性）。 2．介绍有关仪器及其使用方法（微电流表，电压表，电源，暗箱），在讲解仪器时结合提问题检查学生的预习情况。

3．讲解实验操作要领及操作难点。 ①微电流表，电压表使用之前要先调零

②接线时注意分清光源电源和加速电压电源。

③按照图38—2连接电路，并演示如果调节加速电压。 ④讲解如何测定截止电压。

4．检查学生实验状况及测量结果，并给出相应的评定结果。 5．根据评分标准批改实验报告并给出成绩。

5 实验教学组织及教学要求

1． 教学组织

1） 检查学生的预习实验报告，同时给学生5-10分钟时间熟悉仪器，对本实验有

一定的感性认识。

2） 讲解实验要点及注意事项，同时以提问的方式检查学生的预习情况，加深学生

对实验原理的理解。

3） 随时注意学生的实验操作过程，及时指导并解决学生实验中出现的突发情况。 4） 检查每个学生的实验数据，记录实验情况。 2． 教学要求

1） 初步了解光电效应现象。 2） 研究光电管的伏安特性。 3） 研究光电管的光电特性

4） 掌握如何使用双路输出直流稳压电源，微电流测量仪以及 电压表。

6 实验教学重点及难点

1）重点：光电管伏安特性和光电特性的测定。 2）难点：①电路的连接。 ②加速电压的调节。 ③截止电压的测量。

7 实验中容易出现的问题

1）在调节加速电压的时候没有分清光源电压和加速电压导致灯泡烧坏。 2）测量截止电压的时候，没有理解截止电压的意义导致接线错误。

8 实验参考数据

表一 光电管伏安特性测定数据（以r=15cm为例）

－8－8

U（v） U（v） I（×10A） I（×10A） 0.2 11.8 3.8 42.9 0.4 19.8 4.0 43.0 0.6 23.4 4.2 43.1 0.8 28.4 4.4 43.2 1.0 32.9 4.6 43.3 1.2 35.1 4.8 43.6 1.4 37.4 5.0 43.9 1.6 39.5 6.0 44.5 1.8 40.4 7.0 45.2 2.0 40.7 8.0 45.8 2.2 41.1 9.0 46.4 2.4 41.3 10.0 46.8 2.6 41.5 11.0 47.2 2.8 41.8 12.0 47.6 3.0 42.0 13.0 47.7 3.2 42.3 14.0 47.9 3.4 42.5 15.0 48.0 3.6 42.7 16.0 47.9 表二光电管光电特性测定数据

2-2

r（cm） 1/r（cm）

25.00 23.00 21.00 19.00 17.00 15.00 13.00

0.0016 0.0019 0.0023 0.0028 0.0035 0.0044 0.0059

U（v） 17.0 18.0 19.0 20.0 21.0 22.0 23.0 24.0 25.0 26.0 27.0 28.0 －0.24

I（×10A）

47.9 48.0 48.0 48.1 48.2 48.4 48.5 48.6 48.7 48.8 48.9 49.0 0.0

－8

－8

IH（×10A）

28.5 31.5 34.7 38.7 43.3 48.5 54.4

作图法处理数据

图一：光电管伏安特性曲线 光电管伏安特性曲线50电流 (10的-8次方A)I101214161820222426283032343638404244464812345678910111213141516171819202122232425262728加速电压 (v)图二 光电管光电特性曲线 光电管光电特性曲线54 线性适配, Linear Fity = a1 + a2 xa1 = 20.61294a2 = 6040.59766chi^2 = 12.45400重复次数=20饱和电流 (10的-8次方A)I283032343638404244464850520.00200.00301/r*r (1/cm@*cm)0.0040 9 实验结果检查方法 检查数据是否大概符合伏安特性曲线，并检查表一中加速电压为20v与表二中r＝15cm

的数据是否相差较小。

10 课堂实验预习检查题目

1） 检查是否有按照预习报告纸上的要求撰写完整的预习报告，包括实验目的、实验所

需器材、实验涉及的物理量及主要计算公式、实验内容、简要步骤及注意事项、数据表格等）重点检查数据表格是否正确，是否包含要测量的所有物理量； 2） 光电效应现象描述以及光电方程如何理解。

3） 实验注意事项；如：电路接好后要检查，电源开关打开时要先把调节旋钮逆时针旋

转到头等。

11 思考题

1） 为什么当加速电压为零时，光电流I不为零？如何使I为零？ 2） 光源跟光电管靠得太近时（即r较小时），误差就较大，为什么？ 3） 本实验中如何使小灯泡为点光源且发光强度不变？

4） 试分析光电管伏安特性测定中，可能出现的系统误差，应如何处理以消除其影响？

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