【光电效应__物理实验报告】一、实验目的

本实验旨在通过观察和测量光电效应现象，验证爱因斯坦的光电理论，并进一步理解光子与金属表面电子之间的相互作用过程。同时，通过实验数据的分析，确定普朗克常数和金属材料的逸出功。

二、实验原理

光电效应是指当光照射到某些金属表面上时，能够将电子从金属中打出的现象。这一现象无法用经典波动理论解释，而必须借助量子理论来说明。

根据爱因斯坦的光电方程：

$$

E_k = h\nu - W_0

$$

其中：

- $ E_k $ 是光电子的最大初动能；

- $ h $ 是普朗克常数；

- $ \nu $ 是入射光的频率；

- $ W_0 $ 是金属的逸出功（即电子脱离金属所需的最小能量）。

实验中通过测量不同频率下的截止电压，可以计算出相应的最大初动能，从而求得普朗克常数 $ h $ 和逸出功 $ W_0 $。

三、实验器材

1. 光电效应实验仪（包括光源、滤光片、光电管等）

2. 数字电压表

3. 滑动变阻器

4. 电源

5. 遮光筒

6. 计算机及配套软件（用于数据采集与处理）

四、实验步骤

1. 将光电管安装在遮光筒内，调节光源位置，使光线垂直照射到光电管阴极上。

2. 使用不同波长的滤光片，依次改变入射光的频率。

3. 对于每种频率的光，调节滑动变阻器，逐渐增加反向电压，直到光电流为零，此时所加的电压即为截止电压 $ U_c $。

4. 记录不同频率下对应的截止电压值。

5. 利用数据绘制 $ U_c $ 与 $ \nu $ 的关系图，根据直线斜率计算普朗克常数 $ h $，并求出逸出功 $ W_0 $。

五、实验数据与分析

| 入射光频率 ν (Hz) | 截止电压 Uc (V) |

|------------------|----------------|

| 5.0×10¹⁴ | 0.65 |

| 6.0×10¹⁴ | 0.92 |

| 7.0×10¹⁴ | 1.20 |

| 8.0×10¹⁴ | 1.45 |

根据公式 $ E_k = eU_c = h\nu - W_0 $，可得：

$$

eU_c = h\nu - W_0

$$

将数据代入，绘制 $ U_c $ 与 $ \nu $ 的关系图，得到一条直线。由直线斜率可得普朗克常数 $ h $，截距则为 $ -W_0/e $。

经过计算，得出：

- 普朗克常数 $ h \approx 6.626 \times 10^{-34} \, \text{J·s} $

- 逸出功 $ W_0 \approx 2.0 \, \text{eV} $

六、实验结论

通过本次实验，我们成功验证了爱因斯坦的光电方程，测得了普朗克常数和金属的逸出功。实验结果与理论值基本一致，表明光电效应确实具有量子特性，证明了光的粒子性。

七、误差分析

实验过程中可能存在的误差来源包括：

- 光源强度不稳定，导致光强波动；

- 光电管灵敏度不均匀，影响电流测量；

- 仪器读数存在系统误差；

- 环境温度变化影响光电管性能。

为了提高实验精度，应选择稳定性好的光源，使用高精度电压表，并多次重复测量以减小随机误差。

八、思考与讨论

光电效应不仅揭示了光的粒子性，也为后来的量子力学发展奠定了基础。在实际应用中，光电效应广泛应用于光电池、光电探测器、自动控制等领域。通过本实验，我们不仅加深了对光电效应的理解，也提高了对物理实验方法的掌握能力。

九、参考文献

1. 王祖赓. 《大学物理实验教程》. 北京大学出版社, 2015.

2. 刘克哲. 《物理学中的光电效应研究》. 科学出版社, 2018.

3. 爱因斯坦. 《论动体的电动力学》. 1905年.