⚠️ AI 草稿,未经人工核对。 型号、价格、参数待核实;改完才能进
experiments/。 原文:https://zh.wikipedia.org/wiki/Special:Search?search=%E5%85%89%E7%94%B5%E6%95%88%E5%BA%94%EF%BC%88%E7%94%A8+LED+%E5%8F%8D%E5%81%9A%EF%BC%89
光电效应(用 LED 反做):用几块钱的 LED 测出普朗克常数
给不同颜色的 LED 加反向电压,测出它刚好不亮时的电压,反推出普朗克常数 h,看它落不落在 6.0–7.5×10⁻³⁴ J·s 之间。
| 需要 | 5 种不同颜色的 LED(红/黄/绿/蓝/紫,型号待核实,买"5mm 直插、颜色分明"的散装即可);可调直流电源 0–12V(或用 9V 电池 + 电位器,型号待核实);数字万用表 1 台(能测 0.01V 即可,型号待核实);电阻 1kΩ 若干;面包板或接线端子;遮光纸筒/黑胶带 |
| 时间 | 一个下午(约 3–4 小时,含搭电路和记录) |
| 花费 | ¥60–120(LED 散装几元、万用表 ¥40 起、电源 ¥30 起,具体价格待核实) |
| 难度 | ★★☆ |
| 验收 | 用 5 个点做线性拟合,斜率换算出的 h 落在 6.0–7.5×10⁻³⁴ J·s 之间(真值 6.626×10⁻³⁴),且拟合 R² > 0.95。达不到就算失败,重测。 |
为什么值得做
这是最便宜的"量子实验"。原理一句话:LED 发光是电子从高能级掉到低能级,放出一个光子,光子能量 E = hν。反过来,给它加反向电压,电压大到能把电子"顶回去",它就不亮了。这个临界电压 V₀ 满足 eV₀ ≈ hν(忽略一个小的修正项,见下文)。所以:测电压 + 查 LED 波长 → 算 h。1902 年勒纳德做的是真光电效应,今天你用 LED 反着做,同样的物理,几十块钱。
怎么做
- 查每个 LED 的波长。 买的时候记下颜色标称波长(红 ~625nm、黄 ~590nm、绿 ~525nm、蓝 ~470nm、紫 ~405nm,具体以你买的批次为准,待核实)。没有标称就用手机拍光谱 App 粗测,或查该颜色典型值并记下不确定度。
- 搭电路。 电源 → 1kΩ 限流电阻 → LED → 万用表(并联在 LED 两端测电压)→ 回电源。注意 LED 反向接(长脚接正、短脚接负是正向;这里要反接,让它处于"该亮却不亮"的方向)。具体接法以你手头 LED 的极性为准,先用正向试亮确认极性。
- 遮光。 用纸筒或黑胶带把 LED 罩住,只留一个小孔观察。环境光越暗,判断"刚好不亮"越准。
- 从 0V 慢慢升压。 每次升 0.01–0.02V,盯着 LED。记录它刚开始微亮时的电压,这就是 V₀。升太快会错过临界点。
- 每个 LED 测 3 次,取平均。换下一个颜色,重复。
- 记录表: 颜色 / 波长 λ(nm) / 频率 ν=c/λ(Hz) / 临界电压 V₀(V) / 3 次读数。
AI 可以怎么帮你
- 帮你算频率和拟合。 把数据贴给 AI,让它算 ν、做 V₀–ν 线性拟合、给出斜率和 h。
prompt:
我有 5 组数据:(波长nm, 临界电压V) = [(625,1.9),(590,2.1),(525,2.4),(470,2.7),(405,3.1)]。请算频率 ν=c/λ(c=3e8 m/s),做 V₀ 对 ν 的线性拟合,斜率 k,然后 h = k·e(e=1.602e-19 C),给出 h 和 R²。 - 帮你判断接线对不对。 描述你的电路,让 AI 检查极性。
prompt:
我用 9V 电源、1kΩ 电阻、一个 5mm 红色 LED 搭反向偏置电路测临界电压,万用表并联在 LED 两端。请检查:LED 应该正接还是反接?万用表红黑表笔怎么接? - 帮你设计记录表和数据检查。
prompt:
帮我做一个 LED 测普朗克常数的实验记录表模板,包含颜色、波长、频率、3 次临界电压读数、平均值、备注,用 Markdown 表格。 - 帮你解释偏差。 结果算出来偏大或偏小,让 AI 列可能原因。
prompt:
我用 LED 反向电压法测普朗克常数,算出来 h=8.2e-34,比真值 6.626e-34 大 24%。可能的原因有哪些?按可能性排序,并说明每个怎么排查。 - 帮你写结论段。
prompt:
根据我的拟合结果 h=6.9e-34 J·s,R²=0.97,帮我写一段 150 字的实验结论,说明是否在验收范围内、主要误差来源。
算一下 / 会看到什么
- 频率:ν = c / λ,c = 3.0×10⁸ m/s。
- 临界电压与频率近似线性:V₀ ≈ (h/e)·ν − 修正项。修正项来自 LED 的禁带宽度和接触电势,通常让截距不为零,但斜率仍然给出 h/e。
- 所以:h = 斜率 × e,e = 1.602×10⁻¹⁹ C。
- 预期:红光 V₀ 最低(
1.8–2.0V),紫光最高(3.0–3.3V)。具体数值随 LED 批次变化,待核实,以你实测为准。 - 拟合 V₀ 对 ν,斜率单位 V/Hz,乘 e 得 J·s。看 h 是否落在 6.0–7.5×10⁻³⁴。
坑
- 临界点判断主观。 "刚好不亮"和"刚开始亮"差 0.05V 很正常。对策:遮光、慢升压、每色测 3 次取平均。这是最大误差源。
- LED 波长标称不准。 标称 625nm 实际可能 630nm。对策:记下不确定度,或用光谱 App 粗测。
- 接反了。 正向接会直接亮,测不到临界电压。先正向试亮确认极性,再反接。
- 电源分辨率不够。 只能 0.1V 步进的话,临界点误差大。对策:用能到 0.01V 的电源,或加电位器细调。
- 环境光干扰。 白天窗边测,微亮根本看不见。对策:暗处、纸筒遮光。
- 只测 2–3 个颜色。 点太少拟合不可靠。至少 5 个颜色,R² 才有意义。
想再往前一步
- 加更多颜色(橙、青、白),看拟合是否更稳。
- 用同一颜色不同批次的 LED,看 V₀ 是否一致(检验"波长决定电压")。
- 把限流电阻换成不同值,看 V₀ 是否变化(应该几乎不变,若变说明电路有问题)。
- 查 1902 年勒纳德原始论文的装置,对比你的"反向"做法和"正向"光电效应的异同。
安全
- 电压 ≤ 12V,电流 ≤ 10mA,无触电风险,但别短路电源。
- LED 长时间正向大电流会发热,限流电阻别省。
- 焊接若用到烙铁:通风、别碰烙铁头、用完断电。
- 别在潮湿桌面操作。电源用电池最省心。
- 本实验不涉及激光、高压、化学品。