自然光照射下光电管U－Ⅰ特性探究

陈洪叶，曹学成

(山东农业大学 信息科学与工程学院，山东 泰安 271018)

光电效应法测量普朗克常量的实验中，用微电流测量放大器、微机化X－Y 记录仪软件及普朗克常量测量软件，对光电管阴极和阳极之间的电压和电流值进行采集和处理，显示伏安特性曲线，并能测出普朗克常量。实验中用到的光源是高压汞灯，如果实验中不用高压汞灯，而是用自然光(太阳光)作为光源来照射滤色片，也能观察到光电管上电压和电流的变化规律。

本文重点研究在关闭高压汞灯，自然光作为光源的情况下，光电管上的电压与电流的数据采集和处理方法，电压与电流发生变化的规律曲线，并找出它们之间的规律变化式。

1 光电管上电压电流的数据采集和变化曲线显示

选择通光孔径φ=10 毫米的光阑，滤色片转盘对应的波长为365 nm、405 nm、436 nm、546 nm、577 nm，打开电脑，连接好微电流测量放大器，待微电流测量放大器充分预热后，“校准/调零”和“测量”档全部按要求调整好，以滤色片波长为405 nm为例叙述，当自然光照射到光电管阴极上时，电子从阴极逸出，形成电流，阴极和阳极之间形成电压，打开光电效应实验记录仪——“腾飞”记录仪，可以同步显示电压和电流的数值，时时进行数据的采集并显示变化曲线，选择起始电压采集范围为“－3V～0V”，一般情况下，选用常规X－Y 记录方式，设置参数X 量程(mv)为5000 mV，Y 量程为25 mV，记录间隔为“同步显示”，坐标选择为“四象限”，当电压接近－3V 时，点击“记录”选项，开始数据采集，在几分钟内，电压电流变化曲线清晰地显示在面板上，并同时采集到上百对电压和电流实验数据，数据采集完毕后，选择“暂停”，再选择“选定”，选择好曲线所在的空间范围，再选择“平滑”对曲线进行平滑处理。

在光电效应实验面板上，用鼠标去除掉左侧水平变化曲线，保留变化明显的上升曲线，保存数据以“*.XYD”的形式记录下来，405 nm 波长对应的文件为“405.XYD”，把数据转化为到EXCEL 表格中保存下来，在后面的统计软件中再使用。

打开文件“405.XYD”，选择“文件”下拉菜单中“保存当前图片”保存下来，再打开电脑附件中的画图板，打开这个文件，并选“图像”下拉菜单中的“反色”，得到图1:在画图板上选点，在“腾飞”记录仪(可处处显示曲线上任意一点坐标)中找到这些点，把横坐标和纵坐标记录下来，并在图形中标注，如图1 所示。

图1 光电管上的光电流与电压变化曲线Fig.1 Variation curve between voltage and current of photoelectric tube

记录仪中的曲线可以直接保存、拍摄，也可以直接打印、引入到画图板获得图像，记录仪虽然能够记录电压电流对应曲线中每个点的横、纵坐标值，但是不能找到整个曲线的变化方程，本文采取把采集的数据文件转化成一定格式后，再引入到Origin7.5 统计软件进行数据的多项式拟合，就解决了这个问题。事实证明，是可行的。

2 光电管上电压电流的数据选取处理

打开文件“405.XYD”对应的文档，可以看到共采集了330 对数据，根据采集的330 对数据，发现光电流小于－0.491 范围内，电流变化幅度很小，变化曲线基本上处于水平状态，这样去除掉小于－0.491 范围的数据(为前172 对数据)，重点研究变化幅度明显的上升曲线。可以用鼠标先选取水平变化曲线(显示了浅绿色边框)，右击鼠标键，出现下拉菜单，选择“剔除坏点”，把小于－0.491 以下的数据点对应的水平线删掉了。这样剩下的158 对数据就是我们重点研究的数据，在大于－0.491 范围的数据对应的电流变化曲线非常明显，成较快速的上升。在“腾飞”记录仪中，显示了变化曲线，再选定剩余的曲线，选择“平滑”，再选择“选定”，再选择“文件”下拉菜单中“保存数据文件”，保存为“自然光405.xyd”，如果打开这个数据文件，发现这是以word 文档存储的两列数据。

采集处理后的158 对数据如下:

表1 记录仪采集到的电压和电流数据(共158 对数据)Table 1 Voltage and current from recorder (Total 158)

3 电压电流数据选取后转化到origin 7.5 表格中的方法

“自然光405.xyd”文件中对应的是两列数据，如果把这两列数据直接复制粘贴到Excel 表格或直接导入到Origin 7.5 软件中，两列数据是不能显示是分开各自独立的两列，而是都挤到一列中去了。数据处理的方法是:打开“自然光405.xyd”文件后，选择“文件”下拉菜单中“另存为”，选择“纯文本”保存类型，这样文件就被保存在记事本中，以文本类型保存下来，这时再全选所有数据，再复制粘贴到Excel 表中，就能分成两列了，也能复制到Original 7.5 软件中进行数据处理了。

4 用origin 7.5 统计软件进行数据拟合，找到拟合方程

打开Origin 7.5 统计软件，把数据引入，选择软件中“Tools(工具)”下拉菜单中“Policy Fit(多项式拟合)”选择拟合系数“2”(观察变化曲线类似抛物线的一部分，所以选择拟合系数为2)，选择“Fit”进行拟合，这样两组数据的关系及拟合曲线就能清晰地显示在Origin 面板上了。根据拟合结果，就能把相对应的拟合参量:A(参量)、B1(参量)、B2(参量)、R2(相关系数的平方)、SD(标准偏差)、N(拟合对数)、P(显著性)都清晰地显示出来了。

4.1 滤色片波长为405 nm，拟合的方程及拟合曲线

选择滤色片波长为405 nm 时，拟合结果如表2 所示。

表2 拟合对应的相关量Table 2 The related values of the fitting

拟合曲线如图2 所示。

图2 电压和电流拟合曲线Fig.2 Fitting curve of voltage and current

4.2 类似方法处理其它滤色片对应的波长得到的拟合结果

类似地，对于其它滤色片对应波长为365 nm、436 nm、546 nm、577 nm 时，当自然光照射时，用类似的处理方法来处理，得到的拟合结果，如表3 所示:

表3 其它滤色片拟合对应的相关量Table 3 The related values of the fitting of other color filters

其它滤色片拟合得到的拟合方程，如表4 所示。

表4 滤色片对应的拟合方程Table 4 Fitting equation of color filters

可以看出，光电流与电压相关性显著，相关系数的平方都达到了0.99 以上，接近为1，显著性强，也反应出用这种实验方法和数据处理方法是可行和有效的。

［1］曹学成，姜永超.大学物理［M］.北京:中国农业出版社，2009.8

［2］曹学成，姜贵君.大学物理学习指导［M］.北京:中国农业出版社，2010.6

［3］王永刚，曹学成，高 峰，等.大学物理实验［M］.北京:中国农业出版社，2011.8