運用自制教具探究光電管中光電流的伏安特性

郭興華

摘? ?要：筆者利用光電管自制光電效應實驗裝置，定量、直觀、快捷地獲得光電流隨電壓變化的數據，并利用Excel表格處理實驗數據，從而幫助學生深度學習和理解光電流的伏安特性曲線。

關鍵詞：自制教具;光電流;伏安特性

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）8-0046-2

1? ? 制作背景

光電效應實驗現象和規(guī)律是人們認識光的粒子性與提出光子說的重要基礎，是高中近代物理教學的重點和難點。突破這一教學難點關鍵是做好光電效應實驗規(guī)律的演示，由于實驗室缺少現成的實驗器材，教師講解費時費力，學生學習單調抽象，教學效果不好。筆者自制了教具，大膽創(chuàng)新，用實驗直觀展示物理現象，從而激發(fā)了學生的學習興趣，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力。

2? ? 制作過程

2.1? ? 實驗器材

GD-28光電管（響應波長范圍300 nm～670 nm，如圖1）、智能七彩燈泡（可調任意顏色可見光、可調入射光強度，如圖2）、可調穩(wěn)壓直流電源（可替代滑動變阻器與電壓表功能，如圖3）、微安表、開關、導線。

2.2? ? ?制作步驟

（1）將七彩燈泡和開關安裝在小木板上，然后再固定在大木板的側面，光源燈泡連接220 V交流電。

（2）繪制探究光電流規(guī)律的實驗電路圖，并將圖紙粘貼在可豎直放置的大木板上。

（3）按照圖4中元件位置依次固定光電管、微安表與可調穩(wěn)壓直流電源。為了減少外界光對實驗的影響，將光電管放置在一個紙盒內，將其側面開口與燈泡正對。

（4）用導線連接好各個元件，注意光電管的陰陽極與電路電源正負極、電表接線柱正負相匹配。（如圖4）

3? ? 實驗過程

3.1? ? 探究光電流與正向電壓間的關系

用攝像頭將微安表的表盤投影在屏幕上，關閉教室前排的燈。用弱黃光照射光電管，這時觀察到微安表的示數為0.25 A。這個電流稱為光電流。調節(jié)直流電源的電壓旋鈕，逐漸增大加在光電管兩端的電壓，可以觀察到微安表的示數逐漸變大。但是，當電壓增大到24 V時，這時電流達到了最大值1.1 A。我們把這個電流稱為飽和光電流。（見表1）

實驗結論：這說明從K極發(fā)射的光電子已經全部被A極接收了，光電流達到了最大值。

3.2? ? 探究飽和光電流與入射光強度的關系

保持入射光的頻率不變，增加入射光的強度，用強黃光照射光電管。這時觀察到微安表的示數為0.5 A。逐漸增大光電管兩端的電壓，觀察到微安表的示數逐漸增大到2 A時就不再繼續(xù)增大。（見表1）

實驗結論：這說明對于同種頻率的入射光，光強越強，單位時間內發(fā)射的光子個數越多，對應的光電子個數就越多，所以飽和光電流就越大。

在Excel表格中，輸入電壓和電流的數據值，利用圖像擬合，即可得出在加正向電壓時，飽和光電流與電壓之間的關系。（如圖5）

3.3? ? 探究反向電壓與入射光強度的關系

（1）將電源輸入端的正負極反接，先不打開電源。用弱黃光照射光電管，這時光電流值為0.25 A，這說明從陰極射出的光電子具有初速度與初動能。打開電源，調節(jié)電壓旋鈕，增大反向電壓值，觀察到光電流逐漸減小。這說明一部分初動能比較小的光電子在電場力的作用下，返回到K極，無法到達A極。繼續(xù)增大電壓值，當電壓增大到0.33 V時，光電流減為0 A。這個電壓稱為遏止電壓。（見表2）

（2）用遙控器調節(jié)入射光的強度，改用強黃光照射光電管，重復上一步的實驗操作，發(fā)現當反向電壓增加到0.35 V時，光電流減小到0 A。（見表2）

實驗結論：這說明遏止電壓的大小與入射光的強度無關。

3.4? ? 探究反向電壓與入射光頻率的關系

用藍光照射光電管，分別測出光電流減小為0 A時，反向電壓的值為0.68 V。（見表2）

實驗結論：入射光的頻率越大，光電子的最大初動能越大。

在Excel表格中，輸入電壓和電流的數據值，利用圖像擬合，即可得出在加反向電壓時，光電流與電壓之間的關系。（如圖6）

4? ? 實驗注意事項

（1）進行實驗時，應盡量減少外界雜光照射到光電管，以減小實驗干擾。

（2）探究飽和光電流與入射光強度的關系時，光強要適中，否則電流值會超過微安表的量程。

（3）GD-28光電管有八個引腳，接入電路時要認真對照說明書選擇正確的陰陽極引腳。

（4）用遙控器控制光源變化時，要注意選擇合適的遙控距離。

參考文獻：

[1]康良溪.光電效應規(guī)律實驗的研究[J]. 物理通報，2013（2）：59-62.

[2]李松嶺，李明雪.光電效應演示實驗的難點分析與成功改進[J].物理教師，2015，36（4）：52-54.

[3]王林香.光電效應伏安特性實驗改進研究[J].大學物理實驗，2016，29（1）：60-62.

（欄目編輯? ? 王柏廬）