可調(diào)節(jié)全譜系可見光新型光電效應(yīng)演示器

羅春春

摘 要：“光電效應(yīng)”內(nèi)容是注重核心素養(yǎng)理念的新髙考重點考查內(nèi)容，也是學(xué)生比較難掌握的部分。設(shè)計出的新型光電效應(yīng)演示器，采用GD-5型大尺寸光電管，光源改為可見光內(nèi)全譜系可調(diào)節(jié)波長和亮度的遙控?zé)襞荨Ｔ撗菔酒髂苤庇^展示出極限頻率、截至電壓、飽和電流等光電物理現(xiàn)象，對光電效應(yīng)規(guī)律的掌握有非常大的幫助。

關(guān)鍵詞：光電效應(yīng)；新型演示器；全譜系；可見光；電源模塊

1 發(fā)現(xiàn)問題

筆者上課用的教材是魯科版的高中物理（選修3-5），課本采用如圖1所示的實驗來演示光電效應(yīng)現(xiàn)象：用紫外光照射鋅板，驗電器的金屬箔展開一個角度，表明發(fā)生了光電效應(yīng)。課本采用圖2所示實驗裝置繼續(xù)探究光電效應(yīng)：分別用白熾燈和紫外線照射鋅板，改變白熾燈和紫外線光的強(qiáng)度，觀察靈敏電流計有無偏轉(zhuǎn)及偏轉(zhuǎn)角度大小，得出光電效應(yīng)的極限頻率（極限波長）和光的強(qiáng)度對光電流的影響[ 1 ]。

筆者上課時花了較長時間準(zhǔn)備好上述器材，做實驗過程中，發(fā)現(xiàn)圖1實驗由于受周圍環(huán)境溫濕度影響不易成功，驗電器金屬箔片基本看不到張開角度。圖2實驗的靈敏電流計不管怎么照射，也沒反應(yīng)。

后來在淘寶網(wǎng)上看到如圖3采用紫外光照射鋅板的實驗器，，這個實驗器雖然有所改進(jìn)，但也易受周圍環(huán)境尤其是濕度影響，演示操作不方便，實驗現(xiàn)象有時不明顯，較抽象，電壓高不安全，且缺乏探究。

實驗室現(xiàn)有一種J2517光電效應(yīng)演示器，該演示器把零散器材組合在一個箱子里，可以用可見光照射光電管來演示光電效應(yīng)現(xiàn)象，較好用了。安裝了針式電壓表、毫安表、光電效應(yīng)原理電路中的電壓、電流通過指針?biāo)甘緮?shù)得以定量測量。筆者在使用中感到毫安表指針偏轉(zhuǎn)角度還算大，現(xiàn)象較直觀。筆者較好奇，把這套儀器拆解開來，發(fā)現(xiàn)里面的光電效應(yīng)原理電路沒有串聯(lián)滑動變阻器，面板左下方的電位器（滑動變阻器）直接接到了交流220V市電電路，其說明書介紹的改變電壓來觀測飽和電流是無法實現(xiàn)的！而且里面實際電路采用了放大電路，使得流過電流表的電流較大達(dá)毫安級，這樣指針才會偏轉(zhuǎn)。這樣的加了放大電路的電流表所測值實際上不是光電效應(yīng)直接產(chǎn)生的光電子流強(qiáng)度（光電流），要知道典型普通光電管飽和電流值是微安級（μA）。筆者還發(fā)現(xiàn)，該套演示器的光電管也太小，參數(shù)規(guī)格也不適合直接演示光電效應(yīng)。

2 問題解決的思路

鑒于上述光電效應(yīng)器材的問題，筆者想，可見光有紅橙黃綠青藍(lán)紫七種顏色，能否設(shè)計一種在可見光光譜區(qū)域內(nèi)，在波長較長的照射下有極限頻率（極限波長），比如紅橙光照射；在波長較小的光照射下能打出光電子，在光電管電路里，能測飽和電流、截至電壓等光電效應(yīng)現(xiàn)象的一套儀器。

GD-5大尺寸側(cè)窗式光電效應(yīng)管，光譜響應(yīng)范圍“200～600nm”，最佳波長380～420nm，尺寸高138mm，玻璃泡直徑38mm，最佳工作電壓直流30V以下，最高100V；尺寸較大，直觀性問題解決了；由于可見光波長范圍是“390～780nm”，光電材料的極限波長小于可見光最大波長，因此非常適合演示“極限頻率”現(xiàn)象參數(shù)，準(zhǔn)備用它作新型光電效應(yīng)演示器的光電管。

在淘寶網(wǎng)上購買有遙控彩光燈泡，可無級遙控調(diào)光，可方便調(diào)紅橙黃綠藍(lán)靛紫可見光譜區(qū)域內(nèi)任意顏色，可調(diào)亮度。調(diào)節(jié)光的顏色（光的頻率），可以觀察照射光頻率與光電子最大初動能之間的關(guān)系。這種遙控彩光燈泡適合做新型光電效應(yīng)演示器的全譜系可見光光源。

筆者采用如圖4所示的光電管電路圖：通過滑動變阻器的分壓器電路，直接在光電管兩端加上正向直流電壓0～24V用于測飽和電流，加直流電壓用于測截至電壓。正向直流電壓0～24V和反向0～-5V的電壓從交流220V電經(jīng)過ac-dc雙路輸出5v0.1a-24v0.1a開關(guān)電源模塊得到的（圖5）。這個開關(guān)電源模塊是在第一代基礎(chǔ)上改進(jìn)了的第二代，尺寸明顯小了許多。

光電管的光電流只有微安級，用指針式靈敏電流表無法測量，即使勉強(qiáng)有偏轉(zhuǎn)，精度也不夠。研究發(fā)現(xiàn)指針式電壓表的精度也無法滿足實驗要求。為了解決電壓和光電流的測量要求，筆者找到了高精度數(shù)字電表如下：

微安表DC200μA技術(shù)參數(shù)：測量范圍為直流0～200μA，測量精度：0.1μA；工作電壓：8V-18V（寬供電電壓），工作電流：<200mA；顯示方式：0.5"LED，紅色），外型尺寸：79×43×25 mm，安裝開孔：75×39.5 mm。

電壓表DC100V技術(shù)參數(shù)：測量范圍為直流0～99.9V，測量精度0.1V；工作電壓：DC8-18V（寬供電電壓）；工作電流：<200mA；顯示方式：0.56"LED，紅色；外型尺寸：79×43×25 mm；安裝開孔：75×39.5 mm；重量：約60g。

以上兩個電表精度和量程都滿足實驗要求。

用塑料藥瓶改造成了一個光電管座，用膠水固定，便于安裝光電管；當(dāng)然少不了電烙鐵等制作工具。

3 可調(diào)節(jié)全譜系可見光新型光電效應(yīng)演示器的制作

3.1 材料配件

主要有摩光燈泡，側(cè)面開有小孔的遮光筒，光電管，電源模塊，數(shù)字高精度電壓表和微安表，變壓器，電位器（滑動變阻器），圓形開關(guān)，光電管座，螺口燈座，電源線，導(dǎo)線若干，高密度纖維板。

3.2 設(shè)計改進(jìn)過程

（1）設(shè)計面板（圖6）：用電腦軟件設(shè)計圖紙，標(biāo)準(zhǔn)安裝孔尺寸。并到學(xué)?？萍蓟顒邮矣械窨虣C(jī)等工具打好孔。

（2）在高密度纖維板面板上畫上電路原理圖和作品名稱。

（3）把圓形開關(guān)、燈座、光電管座、數(shù)字電壓表、數(shù)字電流表、電位器（滑動變阻器）等依次安裝在面板上。

（4）在面板的背面安裝好電源模塊，變壓器，數(shù)字電壓表和電流表的供電模塊，按電路原理圖連接好光源的供電電路和右邊的光電管控制電路。

（5）裝上摩光彩色燈泡和光電管，在光電管上罩上遮光筒。

筆者最終制作完成一套如圖7所示的“可調(diào)節(jié)全譜系可見光新型光電效應(yīng)演示器”。

4 實驗測試

把該新型演示器接上220V市電，打開開關(guān)，燈泡發(fā)光，通過遙控器可調(diào)節(jié)紅橙黃綠藍(lán)靛紫七種色光，還可調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度。電流表和電壓表示數(shù)清晰，精度高，通過旋轉(zhuǎn)面板右下角的電位器（滑動變阻器）可以控制光電管兩端電壓大小及正反向電壓，可以演示遏止電壓、飽和電流兩個現(xiàn)象。遙控器調(diào)到紅光照射，無論怎樣調(diào)亮度和電壓，靈敏電流表示數(shù)均為0.00μA，因此來演示極限頻率現(xiàn)象。本演示器可調(diào)電壓范圍為+24V～-5V，完全滿足實驗的電壓要求。

筆者發(fā)現(xiàn)，如果沒在光電管上罩帶透光小孔的遮光筒，白天實驗易受外界光的影響，造成實驗數(shù)據(jù)誤差大，所以建議一定要使用遮光筒。

實驗測試結(jié)果表明該套新型光電效應(yīng)演示器能夠全面展示光電效應(yīng)規(guī)律。經(jīng)過物理課堂實踐檢驗，該演示器能有效幫助學(xué)生完整理解掌握光電效應(yīng)規(guī)律，明顯提高了教學(xué)效果。

5 演示及數(shù)據(jù)

5.1 演示1

（1）電路接好后，在光電管上罩上遮光筒，使遮光罩的透光小孔正對光源。

（2）打開開關(guān)，長按3秒遙控器電源健，發(fā)出較強(qiáng)白光。

（3）轉(zhuǎn)動電位器旋鈕調(diào)節(jié)電壓到零，記錄電流表示數(shù)。

（4）用遙控器關(guān)掉光源的白光，記錄數(shù)字電流表示數(shù)。

實驗記錄如表1所示。

由表1可得出結(jié)論1：普通可見光可產(chǎn)生光電效應(yīng)，瞬時打出光電子。

5.2 演示2

（1）調(diào)節(jié)光電管兩端電壓到3.0V

（2）用遙控器調(diào)節(jié)燈泡發(fā)紅光，記錄電流表示數(shù)。

（3）用遙控器調(diào)節(jié)燈泡發(fā)黃光，記錄電流表示數(shù)。

（4）用遙控器調(diào)節(jié)燈泡發(fā)藍(lán)光，記錄電流表示數(shù)。

由表可得出結(jié)論2：紅光對應(yīng)的頻率（波長）是該光電管的極限頻率（極限波長）

5.3 演示3

（1）保持摩光燈泡發(fā)藍(lán)光不變，用遙控器調(diào)到強(qiáng)光，記錄電流表示數(shù)。

（2）用遙控器調(diào)到藍(lán)色較弱光，記錄電流表示數(shù)。

由表3可得出結(jié)論3：光電流與光的強(qiáng)度有關(guān)。強(qiáng)度越大，光電流越大。

5.4 演示4

（1）用遙控器調(diào)燈泡發(fā)綠光、保持不變的發(fā)光亮度。

（2）轉(zhuǎn)動電位器旋鈕，光電管兩端電壓從0正向增大到20.0V，記錄兩個數(shù)字電表示數(shù)在表4。

（3）轉(zhuǎn)動電位器旋鈕，反向增大光電管兩端電壓到1.5V，記錄兩個數(shù)字電表示數(shù)在表5。

由表4可得出結(jié)論4：當(dāng)電壓增大到一定程度時，有飽和電流出現(xiàn)。

由表5可得出結(jié)論5：光電管的反向電壓加到一定值，就會出現(xiàn)截至電壓，沒有電流。

6 創(chuàng)新部分

（1）可以在可見光譜系內(nèi)演示極限波長（極限頻率）、截至電壓、飽和電流。

（2）通過分壓器電路的巧妙連接，只需使用一個高精度電位器不但可以調(diào)到正向電壓24.5V，還可調(diào)出反向電壓-5V，保證在電壓范圍內(nèi)連續(xù)靈活可調(diào)。

（3）用高精度數(shù)字微安表、電壓表代替指針式電表，能測微小電流（0.1μA）、電壓（0.1V），保證測量到實際光電流值，而不是經(jīng)放大電路放大處理過的。

（4）采用了直流電源模塊可以直接使用市電220V電源，不需電池。

（5）采用雙路隔離式直流穩(wěn)壓電源分別給數(shù)字電流表、電壓表供電，避免了電表互相干擾，使電表示數(shù)穩(wěn)定可靠。

（6）采用高精度電位器代替普通的滑動變阻器，調(diào)節(jié)靈活方便。

7 項目的使用情況和進(jìn)一步完善的設(shè)想

經(jīng)過物理課堂實踐檢驗，該演示器能有效幫助學(xué)生完整理解掌握光電效應(yīng)規(guī)律，明顯提高了教學(xué)效果。完善的設(shè)想：使用手機(jī)遙控代替遙控器調(diào)節(jié)光源；增加能測光源頻率的裝置，這樣能定量測出極限頻率；設(shè)計一個軟件來在電腦屏幕或手機(jī)上自動繪出示光電流與電壓的關(guān)系圖象，得出截至電壓與飽和電流具體數(shù)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 司南中學(xué)物理教材編寫組.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理（選修3-5）[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2007：83-84.