光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)幾種方案的比較

李志武

(保定市第三中學(xué) 河北 保定 071051)

1 以往實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題

中學(xué)物理教材(人教版)中的光電效應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)表述如下：將擦亮的鋅板和驗(yàn)電器相連，用弧光燈照射鋅板，鋅板帶電，驗(yàn)電器的指針就會(huì)張開(kāi).但用此實(shí)驗(yàn)方案操作時(shí)驗(yàn)電器指針并不會(huì)張開(kāi).分析如下：

假設(shè)弧光燈的溫度為6 000 K，根據(jù)維恩位移定律

λmT=b=2.88×10-3m·K

和頻率公式

計(jì)算得此弧光燈在6×1014Hz附近的輻射強(qiáng)度最大，設(shè)此頻率的輻射強(qiáng)度為1.由普朗克黑體輻射公式

可知其輻射頻率為1016Hz(40 eV)的電磁波強(qiáng)度只有10-30，即頻率大于1016Hz的光子數(shù)幾乎為零.所以用弧光燈照射的鋅板對(duì)地電壓不會(huì)超過(guò)40 V.而實(shí)驗(yàn)表明給驗(yàn)電器的小球和外殼之間加上400 V的電壓，驗(yàn)電器的指針角度不大于5°.所以弧光燈照射下的鋅板帶電的電壓不會(huì)使驗(yàn)電器指針張開(kāi).

2 3種實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案

【方案1】使鋅板預(yù)帶電.

實(shí)驗(yàn)器材:鋅板,弧光燈,指針驗(yàn)電器,毛皮,橡膠棒,絲綢,玻璃棒.

實(shí)驗(yàn)步驟：

(1)讓鋅板和驗(yàn)電器帶一定量的負(fù)電荷(如接觸和毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒)，用弧光燈照射鋅板，觀察到驗(yàn)電器的指針迅速下降，說(shuō)明了在弧光燈的照射下鋅板表面有電子飛出.

(2)讓鋅板先帶一定量的正電荷，用弧光照射，觀察到驗(yàn)電器的指針偏角不變.

原因分析：鋅板受紫外線(xiàn)照射后，電子從鋅板表面飛出，由于帶負(fù)電的鋅板電勢(shì)比周?chē)臻g的電勢(shì)低，其周?chē)碾妶?chǎng)能夠使電子在電場(chǎng)力的作用下向外加速運(yùn)動(dòng)，使鋅板帶的負(fù)電荷很快消失.若鋅板帶正電，則鋅板的電勢(shì)比周?chē)臻g高，紫外線(xiàn)照射鋅板后，其表面飛出的電子，在電場(chǎng)力的作用下又重新飛回鋅板表面，所以鋅板上仍然帶正電.

綜上所述，可以說(shuō)明鋅板在受弧光燈照射后有電子從表面飛出.

【方案2】在鋅板旁邊用帶正電的物體，吸附鋅板釋放出的電子，如圖1所示.

圖1

實(shí)驗(yàn)步驟:

(1)將不帶電的鋅板和驗(yàn)電器相連.用帶正電的玻璃棒靠近鋅板后遠(yuǎn)離,可以看到驗(yàn)電器的指針先張開(kāi),后閉合.

(2)用弧光燈照射鋅板，再次將帶正電的玻璃棒靠近鋅板后遠(yuǎn)離,可以看到弧光燈照射鋅板時(shí)驗(yàn)電器指針并不發(fā)生偏轉(zhuǎn).玻璃棒靠近驗(yàn)電器時(shí)驗(yàn)電器的指針張開(kāi),玻璃棒移走后驗(yàn)電器指針并不完全閉合；說(shuō)明此時(shí)鋅板帶電,進(jìn)一步的檢驗(yàn)證明鋅板帶正電.

圖2

(3)用弧光燈照射鋅板，將帶負(fù)電的橡膠棒靠近鋅板后遠(yuǎn)離.可以看到橡膠棒靠近驗(yàn)電器時(shí)驗(yàn)電器的指針張開(kāi),橡膠棒移走后驗(yàn)電器指針完全閉合,說(shuō)明此時(shí)鋅板不帶電.

【方案3】利用光電管進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)器材：數(shù)字電流表(或MF500型電表)，GD-28型光電管，自制彩色光源.

實(shí)驗(yàn)步驟：

(1) 將光電管與電流表連成圖3所示的電路.

圖3

(2)將高亮度發(fā)光二極管(紅、黃、綠、藍(lán)各一支)串聯(lián)適當(dāng)電阻后接到電源上制成彩色光源.

(3)電阻的阻值可以按如下公式估算

其中E代表電源電壓，U為發(fā)光二極管的工作電壓.紅色發(fā)光二極管的工作電壓為2.4 V，其他顏色的發(fā)光二極管工作電壓在3.3 V左右；I為發(fā)光二極管的工作電流，一般為20 mA，連接不同的發(fā)光二極管就能得到不同的單色光源.

注意事項(xiàng)：為了避免環(huán)境光對(duì)光電管的干擾，應(yīng)在光線(xiàn)比較弱的室內(nèi)進(jìn)行或把光電管放在有開(kāi)口的暗盒中.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：用紅光照射光電管時(shí)，電流表沒(méi)有示數(shù).當(dāng)用綠光、藍(lán)光照射光電管時(shí)，電流表有示數(shù)，電流的大小隨發(fā)光二極管與光電管的距離而變化;單個(gè)發(fā)光二極管照射時(shí)產(chǎn)生的最大電流可達(dá)到2～3 μA.說(shuō)明了光電效應(yīng)的產(chǎn)生和光的頻率有關(guān).

3 實(shí)驗(yàn)方案的比較

前兩種實(shí)驗(yàn)方案和教材上給出的方案儀器相近，但都借助于加速電場(chǎng)來(lái)達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?在講述時(shí)需要向?qū)W生講明加速電場(chǎng)的作用，以免產(chǎn)生誤解.

第3種方案沒(méi)有借助外界電場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)原理最簡(jiǎn)單，且實(shí)驗(yàn)不受天氣影響，成功率最高.缺點(diǎn)在于光電管太小，課上學(xué)生不易觀察其結(jié)構(gòu).在授課時(shí)可結(jié)合板書(shū)(或幻燈片)給出光電管的示意圖，便于學(xué)生理解其結(jié)構(gòu).