用DIS系統(tǒng)探究光電效應實驗規(guī)律

康良溪

(福建省同安第一中學 福建 廈門 361100)

光電效應規(guī)律是近代物理學教學中的難點.要突破這一教學難點，關鍵在于做好光電效應規(guī)律的演示.30多年來，教材始終編排觀察、利用光電管進行的演示實驗，以探索光電效應規(guī)律，而一般中學儀器設備還比較差，就連實驗專用的光電管也難拿到.之前，筆者用傳統(tǒng)方法研究了光電效應規(guī)律的實驗，但是實驗過程記錄、處理、分析數(shù)據(jù)較繁瑣而費時間，現(xiàn)在采用DIS系統(tǒng)探究光電效應規(guī)律，實現(xiàn)用電腦記錄、處理、分析數(shù)據(jù)、輸出探究實驗結果，定量、直接、快捷地探究光電效應規(guī)律.文章試述數(shù)字化光電效應規(guī)律實驗的研究.

1 研制實驗儀器

如圖1所示為用DIS系統(tǒng)探究光電效應規(guī)律的實驗裝置.

圖1 探究光電效應規(guī)律的實驗裝置

2 制作方法

2.1 制作材料

(1)主要材料:GDB-1型光電管,小手電筒,導線,微調(diào)電位器,木板,塑料管等.

(2)外協(xié)材料:直流高壓電源(實驗室的普通儀器)1臺，電腦1臺.

(3)DIS系統(tǒng):直流電壓傳感器“量程-10～+130 V，分度0.1 V”1個，“量程-20～+20 V，分度0.01 V”1個，直流電流傳感器“量程100 μA，分度0.1 μA”1個，數(shù)字采集器1個.

2.2 具體制作方法

(1)儀器示教板：由GDB-1型光電管、直流電壓傳感器、直流電流傳感器、微調(diào)電位器、小手電筒(光源)等器件組成.小手電筒對準光電管K極，由夾子固定在鐵架臺上.示教板再配用250 V直流電源供電使用.

(2)制作光電管管罩：作為遮光套筒(如圖2)，材料是塑料水管，內(nèi)徑比光電管的要大一些，在遮光套筒側面挖一個孔徑φ 20 mm的小孔作為窗口，對準光電管的極板K.遮光套筒窗口上、下粘了一對凹槽，作為遮光板架的軌道.

圖2 光電管管罩

(3)制作遮光板(圖3)：插在光電管的遮光套筒外側的遮光板架軌道，可以推拉，制作材料是光滑塑料薄板，遮光板挖4個透光孔，每個面積分別為1S，2S，3S，4S，實驗時，依次分別使它對準光電管的遮光套筒(管罩)側面的窗口，用它來改變射到光電管陰極上的光通量.儀器示教板電路如圖4組成.

圖3 遮光板

圖4 儀器示數(shù)板電路

3 實驗方法

3.1 演示“光電流”的產(chǎn)生

實驗器材：上述所介紹的自制儀器,DIS器材有直流電壓傳感器“量程-20～+20V，分度0.01V”1個，直流電流傳感器“量程100μA，分度0.1μA”1個，數(shù)字采集器1個等.

實驗方法：

(1)不外加電壓，光照光電管陰極，有光電流，電壓為負值，如圖5(a).為何有這電流？因為光電管陰極K在白光照射下逸出的光電子有一部分遷移到陽極A，光電子在閉合回路中產(chǎn)生電流.

圖5

(2)若用紙板遮擋遮光板的透光孔，電流立即消失，電流表讀數(shù)為零，如圖5(b)，拿開紙板，電流又恢復原值.光電子產(chǎn)生的電流，叫做光電流.

3.2 演示光電流(不飽和)大小跟光強關系

實驗方法：通過保持電壓UAK為一定值，改變光源與光電管K 極的距離.

實驗發(fā)現(xiàn)：距離近，光電管K極收到的光強大，光電流也增大，反之也減少.

3.3 演示光電流與入射光頻率的關系

實驗原理：不同的金屬其極限頻率不同，只有當入射光頻率大于某金屬的極限頻率時，才能使金屬逸出電子，產(chǎn)生光電效應.

實驗器材：本儀器使用的光電管是GDB-1型，陰極是用銻銫材料制成，極限頻率4.62*1014Hz .準備紅、黃、綠、紫四種濾色片，其中紅色濾色片的峰值波長0.660 0 μm，頻率4.55*1014Hz .

表1 透過四種濾色片后的入射光頻率

實驗方法：

(1)先保持光源的發(fā)光強度及它與光電管G陰極的距離一定，依次在遮光板透光孔前放黃、綠、紫濾色片，都有光電流，如圖6(a)、(b)、(c)，表明這幾種光都能使光電管的陰極(銻銫)產(chǎn)生光電效應.

圖6

(2)在遮光板透光孔前放紅的濾色片，不見產(chǎn)生光電流，如圖6(d)，再把光源移近光電管G陰極以增大入射光的強度，也不見產(chǎn)生光電流.

實驗結論：要使某種金屬產(chǎn)生光電效應，入射光的頻率必須大于某個極限頻率，低于這個極限頻率的光，無論強度如何，照射的時間多久，也不能產(chǎn)生光電效應.

3.4 研究光電子的最大初動能與入射光頻率的關系

實驗方法：

(1)將儀器示教板的電源輸入端的正、負極反接，調(diào)節(jié)電位器R，使UAK= 0，按亮小手電筒(光源)，保持它與光電管G陰極的距離，這時光電流為0.5 μA，如圖7(a)，把紅色濾色玻璃擋在遮光板的透光孔，光電流變?yōu)榱?，如圖7(b)；把擋光濾色片換為黃色，再調(diào)節(jié)R，使反向電壓繼續(xù)增大，直到光電流剛好為零，這時反向電壓為0.4 V，如圖7(c).根據(jù)能量守恒定律,有

則具有最大初動能的光電子恰好不能到達陽極A，即末速度

vA=0

因此，它們的最大初動能為

Ek代入數(shù)據(jù)得

Ek=0.4eV

圖7

表2 光電子最大初動能

比較它們初動能大小，得出“入射光的頻率越大，光電子的初動能越大”的實驗結論.

3.5 研究入射光強不變時，光電流的大小跟正向電壓的關系，什么是“飽和光電流”

實驗器材：DIS器材有直流電壓傳感器“量程-10～+130 V，分度0.1 V”1個，直流電流傳感器“量程100 μA，分度0.1 μA”1個，數(shù)字采集器1個等.

實驗方法：設光源發(fā)光強度為I，則它對距離為r處的遮光板透光孔的照度為

再設遮光板的透光孔面積S，那么,通過遮光板的透光孔并照射在光電管陰極K上的光通量，即入射光通量

所以，只要保持I，r一定，分別4次改變遮光板的透光孔面積，這樣就控制了這4次的入射光通量(4Φ，3Φ，2Φ，1Φ)各自保持不變.在這4次中，每次實驗通過逐漸調(diào)整電位器R，使電壓UAK由零逐漸升至100 V.為了讓各數(shù)據(jù)點分布均勻，電壓每升高10 V就在電腦功能鍵上點擊“記錄數(shù)據(jù)”一次，記錄電壓UAK和光電流的相應值.這樣4次改變遮光板的透光孔面積就有4組實驗數(shù)據(jù)，最后，再點擊功能鍵“繪圖”，電腦就自動擬合出4組光電流隨正向電壓變化的i-UAK關系圖像，如圖8.

實驗結論：從界面圖看出，當入射光強度不變時，光電流隨正向電壓UAK的升高而增大(非線性)，當電壓UAK達到一定值時，光電流就保持飽和值.再增加電壓，光電流也不再增大了.這表明K極板發(fā)射的光電子已全部被A極吸收去.

圖8 電流隨正向電壓變化的i-UAK圖像

3.6 研究當保持電壓UAK為一定值時，飽和光電流大小與入射光強度的關系

實驗方法：在上面i-UAK圖中，從產(chǎn)生飽和光電流的電壓區(qū)域中任取一電壓值，如圖9(a),點擊“im-Φ圖像”功能按鍵，擬合如圖9(b).

(a)

(b)

實驗結論：從圖9(b)可以看出，當電壓UAK達到一定值時，飽和光電流的大小和入射光的強度成正比(線性關系).

4 結束語

研究光電效應規(guī)律的實驗，其過程內(nèi)容多，如果采用傳統(tǒng)方法，所用的時間較長，而采用現(xiàn)代DIS系統(tǒng)，實驗者不但能從繁瑣的操作中解脫出來而且能實現(xiàn)定量、直接、快捷地探究光電效應規(guī)律，解決光電效應規(guī)律教學中的難點，為“新課標”下的教材提供配套的定量探究光電效應規(guī)律實驗的儀器.本儀器結構簡單，取材容易，成本低廉，具有很高的實用推廣價值.