淺議光電效應(yīng)演示實驗設(shè)計策略

馮洪毅

摘 要： 在高中物理選修3-5波粒二象性的教學(xué)中，光電效應(yīng)和光的量子說是關(guān)鍵的一節(jié)內(nèi)容，而在這節(jié)中只有先讓學(xué)生理解光電效應(yīng)演示實驗，才能引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入量子理論學(xué)習(xí)。光電效應(yīng)演示實驗的設(shè)計尤為重要，作者介紹了各種光電效應(yīng)演示實驗設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞： 光電效應(yīng) 演示實驗設(shè)計 設(shè)計策略

一、光電效應(yīng)的實驗原理和一般設(shè)計方案

光電效應(yīng)現(xiàn)象是指在光的照射下，物體發(fā)射電子的現(xiàn)象。如圖所示，將鋅板與驗電器相連，用紫外燈照射鋅板，若有電子從鋅板上飛離，驗電器的張角便會張開。

所以一般我們都是設(shè)計一個金屬被光照射能打出電子的演示實驗，和金屬板相連的驗電器由于金屬板失去電子帶上正電，驗電器指針偏轉(zhuǎn)，這是讓學(xué)生最形象地理解光電效應(yīng)演示實驗。這個實驗要受到空氣的濕度、驗電器是否漏電、指針重力偏大等因素的影響，實驗很難成功演示；而且這個實驗不能直接說明鋅板打出了電子使得驗電器帶正電。但這個實驗的優(yōu)點(diǎn)就是用不同頻率的光照射金屬，觀察光電效應(yīng)產(chǎn)生的條件，發(fā)現(xiàn)金屬發(fā)生光電效應(yīng)的截止頻率。

二、采用預(yù)帶電法進(jìn)行光電效應(yīng)演示實驗

先用毛皮摩擦過的橡膠棒不斷接觸鋅板，讓鋅板帶上負(fù)電，和鋅板相連的驗電器的指針的張角顯示出鋅板帶負(fù)電量的情況，然后用紫外燈照射鋅板，觀察到驗電器指針的張角逐漸減小到零，說明紫外光使鋅板失去了電子，鋅板由帶負(fù)電變成了不帶電的狀態(tài)。用頻率較小的光照射鋅板發(fā)現(xiàn)驗電器指針偏角沒有發(fā)生變化，以此說明光電效應(yīng)的產(chǎn)生條件和光子的頻率有關(guān)。

這種方法簡便易行，但容易讓學(xué)生產(chǎn)生誤解：似乎只有帶負(fù)電的鋅板在紫外光的照射下才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。對此，我們要進(jìn)行一個補(bǔ)充實驗，接下來介紹用中和法進(jìn)行光電效應(yīng)演示實驗。

三、采用中和法進(jìn)行光電效應(yīng)演示實驗

在驗電器上安裝一個銅網(wǎng)，用毛皮摩擦過的橡膠棒不斷接觸銅網(wǎng)，讓銅網(wǎng)帶上負(fù)電，用紫外線直接照射銅網(wǎng)，觀察到驗電器指針偏角并沒有發(fā)生變化，說明紫外光不能使銅網(wǎng)發(fā)生光電效應(yīng)。再用絲綢摩擦后的玻璃棒不斷接觸銅網(wǎng)，讓銅網(wǎng)帶上正電，用紫外線直接照射銅網(wǎng)，觀察到驗電器指針偏角也沒有發(fā)生變化。在銅網(wǎng)后放一塊不帶電的鋅板，紫外光照射到鋅板上，發(fā)現(xiàn)驗電器指針偏角逐漸減小，說明被紫外線照射的鋅板發(fā)射出電子，打到銅網(wǎng)上中和銅網(wǎng)上的負(fù)電。改變光照頻率重復(fù)實驗總結(jié)出光電效應(yīng)產(chǎn)生條件是光子的頻率大于或者等于截止頻率，每種金屬都有固定的逸出功，對應(yīng)這種金屬的截止頻率。

四、采用附加電場法進(jìn)行光電效應(yīng)演示實驗研究光電流和遏止電壓

用鋅板作為光電管的陰極，當(dāng)頻率足夠大的光照射鋅板就足以使鋅板打出電子，電子在外加正向電場的作用下就可以運(yùn)動到陽極從而接通電路，觀察靈敏電流計的讀數(shù)就可以判斷是否發(fā)生光電效應(yīng)，以此研究光電效應(yīng)發(fā)生的條件。

當(dāng)我們觀察到光電效應(yīng)現(xiàn)象后調(diào)節(jié)滑動變阻器增加兩極的加速電壓，發(fā)現(xiàn)在電流較小的時候電流隨著加速電壓的增大而增大，當(dāng)電流增大到一定值之后，即使加速電壓再增大，電流也不會增大，即達(dá)到飽和電流。這說明在一定的光照強(qiáng)度下，單位時間內(nèi)陰極K發(fā)射的光電子數(shù)目是一定的，加速電壓增加到一定值時，所有光電子都被陽極A吸收，這時即使在增大電壓，電流也不會增大。當(dāng)我們增加光子頻率時，光電流大小不發(fā)生變化，但我們增加光照強(qiáng)度時，單位時間的光子數(shù)增多，單位時間打出的光電子就會增多，光電流就越大。

將加速電壓反向，電壓變成反向減速電壓，并逐漸加大減速電壓知道光電流剛好為零，說明光電子剛好不能從陰極到達(dá)陽極，我們把這時的減速電壓稱為遏止電壓。當(dāng)增大光子的頻率，我們又發(fā)現(xiàn)光電流，進(jìn)一步加大減速電壓，發(fā)現(xiàn)光電流再次變?yōu)榱?。這說明光子頻率增大，光電子動能增大，遏止電壓增大。遏止電壓的發(fā)現(xiàn)說明光電子的初動能只與光子頻率有關(guān)，和光照強(qiáng)度、光照時間無關(guān)。電子一次性吸收光子能量克服逸出功后剩余的能量轉(zhuǎn)化為電子的動能，因為光子能量只與光子的頻率有關(guān)，所以電子的初動能也只與光子頻率有關(guān)，遏止電壓也只與光子頻率有光。這個現(xiàn)象非常有助于我們對光電方程的理解。

總之，做光電效應(yīng)的實驗，作為一個已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并證實的物理規(guī)律，我們通過實驗去驗證這個規(guī)律，并讓學(xué)生從科學(xué)家的工作中感受前輩科學(xué)探究的執(zhí)著精神，感受物理是一門實驗學(xué)科，感受物理實驗設(shè)計的技巧。