光电效应演示实验研究(光电效应演示实验方法)

光电效应演示实验是在高中阶段考察比较多的一个实验，因为这个实验涉及的物理量比较多，区别也比较麻烦，特别容易让学生产生混淆。我们今天就来结合爱因斯坦的光电效应方程，仔细看一下这个实验的考察点。

首先我们来了解一下这个实验的大致原理

如上图所示，最左边是验电器，中间是锌板，右边是弧光灯。我们知道金属在一定频率的光子照射下，会产生电子，而电子到达验电器，就会使验电器张开。所以一个很小的知识点就是会问你验电器带什么电，当然是负电了这是光电效应，产生光电流的基本装置也就是我们在下图中所说的光电管。接下来我们看具体的实验电路。如下图所示。

我们可以看到。光电管的阴极也就是k极就是即将发生电子逃逸的金属涂层。

我们首先将光电管的左侧与电源的正极相连，右侧与电源的负极相连，通电。此时，电路中的电流表没有显示。但是当我们用一定频率的光照射k极的时候，电流表有显示，此时就说明金属上的电子逃出来了，并且形成了光电流，也就是说，电子不光逃出来，还逃到了光电管的正极A。只有这样，才形成了电流。我们再次强调，电子能不能逃出来？取决于入射光光子的能量与逸出功的大小比较。逸出功由金属的性质决定。而逃出来的电子的最大动能，就是我们所说的光电效应方程，光子的能量减逸出功。

接下来就是涉及到的几个新的物理量，那就是在这个实验中的截止频率，遏止电压和饱和光电流。大家首先要对他们的定义明确。

截止频率是指发生光电效应的最低频率，也就是说光的频率低于截止频率时不能发生光电效应，如果用光电效应方程来说的话，那就是此时电子的最大动能是零所对应的光的频率。所以截止频率在数值上等于逸出功除以普朗克常数。因此，搞明白定义，我们就能知道这个物理量到底是什么？到底怎么计算？

接下来我们看一下什么是遏止电压，首先注意它的前提是必须发生光电效应，谈论这个物理量才有意义。其次，要注意这个电压必须是阻止光电管中产生的电子的运动，才会出现这个物理量。比如说我们前面的电路连接方法就不可能有遏止电压。但是当在发生光电效应的前提下，我们把光电管的阴极和电源的正极相连。此时，电源的电压就是阻碍电子的运动，此时，如果电压把电子的最大动能变成零，那么这个电压我们称之为遏止电压。eUc=Ek=hν-w0。公式中的Uc就是我们所说的遏止电压。还是强调注意定义。注意这个公式，还有一个考察点。如下图

把遏止电压的公式进行变形，就可以得出如上图所示的直线方程。而斜率等于h/e，通过斜率，我们就可以知道普朗克常数是多少，这是这个图的第一个考察点。另外，直线与横轴的交点就是截止频率。因为此时就是我们所说的电子的最大动能为零。这是第二个考察点，第三个就是我们要知道直线与纵轴的交点的坐标-W0/e。由此我们可以看出，遏止电压是由光的频率所决定的。通俗的说，光的频率就决定了光的能量，能量的大小，当然就会决定我们所需要的电压。算是一种暗示记忆吧！

第三个物理量就是饱和光电流。下图比较重要，大家注意记清楚。

在发生光电效应的前提下，光电流与电压之间的关系为：开始时，光电流随电压u的增加而增大，当u比较大时，光电流达到饱和值 ，这时即使再增大u，在单位时间内也不可能有更多的光电子定向移动，光电流也就不会再增加，即饱和光电流是在一定功率与强度的光照射下的最大光电流。

我们知道电流的微观表达式，I=nesv（n：表示单位体积内的自由电荷数；e：电子的电量；s：为导体横截面积；v：为自由电子定向移动的速率。）所以我们就可以得出以下结论

在发生光电效应的前提下，当入射光频率不变时，饱和光电流的值与入射光强度成正比。原因很简单，入射光强度与单位时间照射到金属上的光子数成正比。光子数的变化导致单位时间内吸收光子的电子数变化，故飞出的光电子数变化，导致电流的变化。大家不要忘了，我们前面所说的光强其实可以近似看做光子数。所以我们就可以看到光强比较大的黄光，比光强比较小的黄光的饱和电流较大。但是他们的遏止电压是相等的。

但是当入射光强度不变时，饱和光电流不一定随入射光频率的增大而增大。这个理解起来比较难。可以这么想：光强不变，即入射光总的能量不变，而入射光的频率增大，根据E=nhν，即入射的光子减少。虽然每个光子的能量变大，电子获得的初动能变大，根据电流表达式：I=nesv中v增大，n变小，s、e不变，所以饱和光电流不一定增大。很明显，蓝光的遏制电压由于其频率大，遏止电压的绝对值也大。但是它的饱和电流，就要看光子数了，而他恰好介于强和弱的黄光之间，需要大家记忆。我个人觉得这个图并不是很严谨。但是作为考试，我们只能把它记住。

我觉得关于上面所说的现象，应该补充两点，第一个是为什么电压增加，电流也会增加，因为产生光电效应之后的电子，并不是所有的电子都往光电管的阳极去走，而增加电压，只不过是为了让更多的电子走向阳极，而不是往其他地方走。第二个是，为什么会有饱和电流？我觉得电流其实就是电子的数目，而电子的数目是由光子的数目所决定的，所以在入射光的光子数目决定的前提下，必然有饱和电流。

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