基于用光電效應測量普朗克常數(shù)的實驗教學探討

摘要：為了提高光電效應測量普朗克常數(shù)實驗的教學效果，針對學生在實驗教學中存在的主要問題，提出了光電效應測量普朗克常數(shù)的實驗教學設計，達到了教學效果好、實驗誤差小的效果，同時也培養(yǎng)了學生的實驗綜合能力。

關鍵詞：普通物理實驗;光電效應;普朗克常數(shù);教學設計

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）20-0220-02

一、引言

光電效應在工程技術和現(xiàn)代科技領域中有著廣泛的應用，利用光電效應制造光電轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)光信號與電信號之間的相互轉(zhuǎn)換，這些光電轉(zhuǎn)換器如光電管、光敏電阻、光電耦合器、光敏二極管、光敏三極管、光電池、光電倍增管等廣泛應用于光功率測量、光信號記錄、光電法測轉(zhuǎn)速、光電控制電路、鼠標器、電影、電視和自動控制等現(xiàn)代生產(chǎn)和科研中。普朗克常數(shù)是近現(xiàn)代物理以及自然界中一個很重要的常數(shù)。用光電效應測量普朗克常數(shù)是很多高校必須開設的近代物理實驗之一。

二、實驗教學中學生存在的主要問題[1]

通過多年來的大學物理實驗教學，發(fā)現(xiàn)學生在實驗中存在著各種各樣的問題，導致實驗教學效果不佳。

1.實驗預習不到位。學生沒有認真對實驗進行預習，實驗目的不明確，對實驗原理和實驗內(nèi)容不清楚，對實驗儀器的使用一無所知，寫的實驗預習報告完全是照著書抄一遍。

2.實驗綜合素質(zhì)能力不強。對實驗內(nèi)容和步驟很不熟悉，完全離不開教師的講解，按照教師所講的機械地去操作測量實驗數(shù)據(jù)，在實驗中不能用所學的物理理論去判斷所測實驗數(shù)據(jù)的正誤，不能發(fā)揮團結協(xié)作精神和動手、動腦的能力。

3.撰寫實驗報告質(zhì)量較差。撰寫實驗報告不規(guī)范，一部分學生對實驗數(shù)據(jù)不進行處理或處理數(shù)據(jù)有誤，實驗報告的內(nèi)容完全照著書一個字不漏的抄寫下來，缺乏歸納、總結能力和對實驗數(shù)據(jù)的處理能力。

三、光電效應測量普朗克常數(shù)的實驗教學設計

1.了解學生預習實驗的情況，為有的放矢教學作準備。首先在上課前檢查學生是否按要求寫了預習報告，然后提出學生要能獨立的完成該實驗必須知道的幾個關鍵問題：①光電效應實驗規(guī)律是什么？②測量普朗克常數(shù)的原理是什么？③測量普朗克常數(shù)要測的關鍵物理量是什么？④什么是截止電壓？⑤測量截止電壓的方法有幾種？通過隨機抽查讓學生回答問題，并作為預習實驗成績，促使學生提高預習實驗的效果。再者，教師根據(jù)學生回答問題的情況有針對性的對實驗進行講解，有利于提高實驗教學效率。

2.重點講授測量普朗克常數(shù)的實驗原理[2]和方法。結合光電效應的實驗原理圖（如圖1所示），用愛因斯坦的光子理論和光電效應方程解釋光電效應的四條規(guī)律。著重分析當光電管兩端加反向電壓時，光電流迅速減小，當反向電壓達到某一值U 時，光電流為零，此時加在光電管兩端的反向電壓稱為截止電壓U ，這表明了光電子的初動能全部用來克服外電場力做功。故eU = mυ ?？搖①，愛因斯坦的光電效應方程：hv= mυ ?+W②，逸出功和金屬的截止頻率的關系：W=hv ③，由①、②、③式解得：U = （v-v ）④，④式說明U 與入射光頻率v成線性關系。

實驗中減小測量不同頻率對應的截止電壓U 的實驗誤差是提高測量普朗克常數(shù)精確度的關鍵?？捎貌煌l率的入射光照射光電管，分別測出相應的截止電壓U ，為了減小測量截止電壓U 的實驗誤差，可以多測量幾次，取平均值。然后就可做出U ～v的實驗直線（圖2），此直線的斜率就是k=h/e，為了減小實驗的誤差，采用最小二乘法[3]求出直線的斜率k，即：

其中，

再利用h=ke，計算出普朗克常數(shù)h。

3.介紹實驗儀器的使用。學生對實驗儀器不熟悉，要在有限的時間內(nèi)完成實驗確實存在著困難。首先介紹實驗儀器XD-ZP4智能光電效應實驗儀：由汞燈及電源、濾色片、光闌、光電管、智能測試儀構成。照射光電管的單色光是由汞燈所發(fā)出的復色光分別通過365nm、405nm、436nm、546nm、577nm不同波長的濾色片后就變成了365nm、405nm、436nm、546nm、577nm的單色光，然后介紹智能測試儀的各個旋鈕、按鍵等的作用和使用方法，著重講解在實驗過程中怎樣使用智能測試儀測量截止電壓。首先將“電流量程”置于所需檔位，斷開輸入到智能測試儀的電流輸入線，然后對測試儀進行校零，再接通輸入到智能測試儀的電流輸入線后做實驗。在實驗中，如改變“電流量程”就必須對測試儀進行重新校零。而電流的量程選擇遵從由小量程逐漸到大量程，電壓的量程選擇是：如加在光電管兩端的電壓在-2V～0V就選-2V～0V檔，如加在光電管兩端的電壓在2V～20V就選0V～50V檔。

4.測量截止電壓U的實驗方法。測量不同頻率對應的截止電壓的實驗誤差直接影響測量普朗克常數(shù)的精確度，因此選擇合適的測量截止電壓的方法是關鍵。測量截止電壓的方法有拐點法、交點法（零電流法）和補償法。由于我們所用的實驗儀器采用了新型結構的光電管，光電管的陽極反向電流、暗電流、本底電流水平很低，因此采用交點法和補償法測量截止電壓誤差較小。

（1）拐點法：分別用不同波長的單色光照射光電管，通過改變加在光電管兩端的電壓（-2V～20V），測出對應的通過光電管的電流，然后用描點法繪出不同波長對應的光電管的伏安特性曲線圖，從圖上找出“抬頭點”（如圖3所示的a點），“抬頭點”所對應的電壓就是截止電壓U（如圖3所示）。再分別畫出五條光電管的伏安特性曲線圖，從而得出五個波長對應的截止電壓。用此方法測量截止電壓主觀誤差大，由此計算出的普朗克常數(shù)誤差大，在實驗中一般不采用拐點法來測量截止電壓，只是讓學生了解此方法。

（2）交點法（零電流法）：將電壓選擇按鍵置于-2V～0V檔，將“電流量程”選擇開關置于10-13檔，并對測試儀進行校零。分別用不同波長的單色光照射光電管，改變加在光電管兩端的電壓使通過光電管的電流為零，此時所對應的電壓就是用不同波長的單色光照射光電管所對應的加在光電管兩端的截止電壓U。此方法要求學生掌握。

（3）補償法：將電壓選擇按鍵置于-2V～0V擋，將“電流量程”選擇開關置于10-13檔，分別用不同波長的單色光照射光電管，當改變加在光電管兩端的電壓為UAK時，使通過光電管的電流為零，然后保持UAK不變，遮擋汞燈光源，此時測得的電流I為電壓接近截止電壓時的暗電流和雜散光產(chǎn)生的電流。重新讓汞燈照射光電管，調(diào)節(jié)電壓使電流至I，將此時對應的電壓分別為用不同波長的光照射光電管的截止電壓U。有興趣的學生在實驗室開放時可以用此方法來測截止電壓U，從而計算出普朗克常數(shù)并與用交點法測截止電壓U計算出的普朗克常數(shù)進行比較，找出減小實驗誤差的最佳方法。此方法要求學生理解。

5.實驗注意事項。①每次改變測試儀“電流量程”，都應調(diào)零。②在實驗過程中保持照射光電管的光強不變，即保持光源和光電管之間的距離為40cm。③選擇合適的電流量程和電壓量程。④不要用手去摸濾色片。

6.實驗報告的撰寫。實驗報告是在預習報告的基礎上進行修改和完善。它包括實驗名稱、實驗目的、實驗原理、實驗器材、實驗內(nèi)容和步驟、實驗數(shù)據(jù)記錄、實驗數(shù)據(jù)的處理、實驗誤差討論。著重講解實驗數(shù)據(jù)的分析和處理，培養(yǎng)學生處理和分析數(shù)據(jù)的能力。為了提高撰寫實驗報告的質(zhì)量，教師可以把往屆生寫得好的實驗報告上傳到網(wǎng)絡學堂上讓學生作為參考。

通過以上教學設計，學生對該實驗掌握得比較好，提高了實驗教學效果?？傊?，在大學物理實驗教學中要針對不同的學生采用不同的教學方式和方法，充分發(fā)揮學生的學習積極性和主動性，培養(yǎng)學生的實驗觀察能力、實驗動手能力、理論聯(lián)系實際的能力，發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，分析處理實驗數(shù)據(jù)的能力，總結、歸納和撰寫實驗報告的能力以及求實的科學精神和協(xié)作精神。

參考文獻：

[1]王本菊.理工科學生學習大學物理實驗的現(xiàn)狀及其對策[J].四川師范大學學報（自然科學版），2013，（36）.

[2]蒲利春，王本菊.大學應用物理實驗[M].成都：西南交通大學出版社，2005.

[3]溫誠忠，郭開惠，魏云.大學應用物理實驗[M].成都：西南交通大學出版社，2002.