光电效应实验：测定普朗克常量与理解量子性质

"本实验是关于光电效应和普朗克常量测定的大学物理实验，旨在让学生理解光电效应的规律，验证爱因斯坦方程，并通过实验测定普朗克常量。实验涉及到量子力学基础，光电效应的四个基本规律，以及光子的能量概念。实验方法包括使用‘减速法’来测量光电子的最大动能，从而推算出普朗克常量。" 光电效应是物理学中的一个重要现象，由赫兹于1888年首次发现。它揭示了光的粒子性，即光不仅具有波动性，还具有粒子（光子）的特性。当光子与物质相互作用时，若其能量足够大，可以将金属表面的电子击出，形成光电流。实验表明，光电效应的特性包括： 1. 入射光的强度与产生的饱和光电流成正比。 2. 存在一个阈频率，低于这个频率的光无法产生光电效应。 3. 入射光频率与截止电压（使光电流消失所需的反向电压）呈线性关系。 4. 光电效应是瞬时的，光照即产生响应。 1905年，爱因斯坦提出光子假说，解释了光电效应。他指出，频率为v的光子能量hv等于电子获得的能量，而电子能否逸出金属取决于该能量是否大于电子的逸出功W。根据能量守恒，电子的最大动能Km与光子能量hv和逸出功W的关系由爱因斯坦方程给出： \[ K_{\text{m}} = hν - W \] 其中，h是普朗克常量，ν是光的频率，W是金属的逸出功。当hv<W时，光电效应不会发生。极限频率ν0定义为光子能量恰等于逸出功的频率，对应的Km=0。 在实验中，通常采用“减速电势法”来测量光电子的最大动能。这种方法通过改变反向电压，使光电子的速度减慢至零，此时的电压就是截止电压U0，对应的Km可以通过U0计算得出。通过测量不同频率的光产生的截止电压，可以绘制U0-v图，根据线性关系得到ν0，并进一步计算出普朗克常量h。 实验步骤通常包括准备光电管，调整光源，设置合适的光强和频率，测量光电流，以及通过改变反向电压观测截止电压。通过对实验数据的精确处理和分析，学生可以深入理解光电效应的物理原理，验证爱因斯坦的理论，并实际测定普朗克常量，从而深化对量子理论的理解。此外，实验也强调了光电器件在现代科技中的广泛应用，如光学信号处理、夜视设备、电视、有声电影等领域。