利用自制教具探究光電效應的實驗規(guī)律

陳金貴 陳劍峰

(1. 莆田第四中學,福建 莆田 351100; 2. 莆田第二中學,福建 莆田 351131)

1 背景

圖1 傳統(tǒng)光電效應實驗器

“光電效應”是魯科版高中物理3-5第5章第1節(jié)的內容,作為量子理論的入門,其涉及量子物理最基礎的內容[1],同時,還有著厚重的物理學科文化積淀,有物理學史、科學方法[2]、辯證唯物主義思想、創(chuàng)新意識等人文精神教育的題材．光電效應的規(guī)律一直是教學的重難點,規(guī)律本身十分抽象難懂,而教材對此介紹頗略．課堂上教師大多采用J2517光電效應演示器進行演示(如圖1),實踐發(fā)現(xiàn)其存在如下不足.

(1) 電路僅提供正向電壓,無法測量遏止電壓.

(2) 指針式電表無法演示光電效應的瞬時性.

(3) 濾光片采用普通塑料材料,效果差.

(4) 遮光罩套在光源上,外界光線對實驗影響非常大．

基于以上問題,大多教師只能采用灌輸知識后通過練習強化知識點,學生被動接受,學習效率低．鑒于此,筆者對裝置進行改進,改進后的裝置能全面探究光電效應規(guī)律,很好地突破教學中的重難點．

2 自制光電效應實驗裝置

(1) 材料.

GD32光電倍增管、無級調光調色智能LED燈泡、微安表頭(-50 μA～50 μA，0.001 μA每秒刷新23次)、電壓表頭(-20 V～200 V，0.1 V/0.001 V)、3D打印可變透光面積的套筒、有機玻璃板、5 k電位器、開關、導線.

(2) 制作過程.

① 利用CAD制圖.

利用CAD繪制裝置面板和遮擋部分電路白板(如圖2),用激光雕刻機在白色有機玻璃板上裁樣．

圖2 實驗面板

圖3 3D設計可變透光套筒

② 3D設計可變透光面積的套筒(如圖3).

內筒: 將底面外徑40 mm、高70 mm的空心圓柱的側面開一長方形透光口(長40 mm，寬13 mm).

外筒: 在底面內徑40.5 mm、高75 mm的空心圓柱側面開4個面積倍增的透光孔將外筒套在內筒上,旋轉外筒,可通過改變透光面積來改變光強．

③ 組裝原件．

圖4 自制光電效應實驗裝置實物圖

分別將GD32光電倍增管、LED光源、微安表頭、電壓表頭、3D打印帶可變透光面積的套筒、5k電位器、開關、導線安裝在面板上相應位置,按電路圖連接好電路,效果如圖4．

3 實驗過程

3.1 探究光電效應的“瞬時性”

圖5 探究光電效應的“瞬時性”

(1) 實驗步驟.

① 利用遮電路白板將部分電路遮住,如圖5.

② 旋轉外筒為全遮光模式(內開口正對外筒兩孔之間,內筒開口被外筒全遮擋).

③ 閉合LED燈泡的開關,利用APP調為白光.

④ 快速旋轉外筒為透光模式(外筒透光孔正對內筒透光口),反復操作對光電管進行有光照和無光照控制,觀察電流表的示數(shù)變化．

(2) 實驗數(shù)據(jù).

表1 光電效應的瞬時性實驗數(shù)據(jù)

(3) 實驗結論.

當透光孔全遮,光電流立即減為0;快速調到通光,電流表示數(shù)立即恢復原值．即光電效應具有瞬時性．

3.2 探究光電效應的“截止頻率”

(1) 實驗步驟.

① 利用遮電路白板將部分電路遮住,如圖5.

② 旋轉外筒為透光遮光模式(內開口正對外筒開孔).

③ 利用APP調節(jié)LED光源的發(fā)光顏色(保持透光孔大小不變,從紅光調到藍光),記錄不同的色光對應的電流表示數(shù)(光電流沒出現(xiàn)時,調大亮度,增加光照時間).

(2) 實驗數(shù)據(jù).

表2 探究光電效應的“截止頻率”實驗數(shù)據(jù)

(3) 實驗結論.

光電效應產(chǎn)生與頻率有關,與光強和光照時間無關;存在“截止頻率”．

3.3 探究飽和光電流大小的影響因素

(1) 實驗步驟.

① 拆掉遮電路板塊,旋轉透光外筒,讓光線從開孔面積為1.5S孔射入(燈泡的光強一定,光照度與開孔面積成正比,此時光照度為1.5E).

② 利用手機APP將LED燈光調至黃光.

③ 不斷增加穩(wěn)壓電源提供的正向電壓,分別記錄正向電壓與光電流值.

④ 旋轉外筒,分別讓光線從面積為2S、2.5S的孔射入(對應的光照度為2E、2.5E),重復以上步驟,采集數(shù)據(jù).

⑤ 再次旋轉外筒,讓光線從面積為1.5S的孔射入,利用手機APP分別將燈炮色光調成綠光和藍光,重復以上操作,采集數(shù)據(jù)．

(2) 實驗數(shù)據(jù).

圖6 不同光照度的光電流實驗數(shù)據(jù)

圖7 黃光飽和光電流與光照度的關系數(shù)據(jù)

圖8 不同色光電流實驗數(shù)據(jù)

(3) 實驗結論.

存在飽和光電流,其大小與頻率有關,(光照度一定時)頻率越高,飽和光電流越大;當頻率一定時,飽和光電流與光照度成正比．

3.4 探究遏止電壓的影響因素

(1) 實驗步驟.

① 旋轉透光外筒,讓光線從面積為1.5S孔射入.

② 利用手機APP將LED燈光調至藍光,記錄光電流值.

③ 不斷增加反向電壓大小,分別記錄反向電壓與光電流值.

④ 旋轉外筒,分別讓光線從面積為2S、2.5S的孔射入,重復習以上步驟,采集數(shù)據(jù).

⑤ 再次旋轉外筒,讓光線從面積為2S的孔射入,利用手機APP分別將燈泡的色光調成黃光和綠光,重復以上操作,采集數(shù)據(jù).

(2) 實驗數(shù)據(jù).

圖9 藍光光電流與反向電壓實驗數(shù)據(jù)

圖10 不同色光光電流與反向電壓實驗數(shù)據(jù)

(3) 實驗結論.

遏止電壓與光照度大小無關,與入射光的頻率有關．當光照度一定時,頻率越大,遏止電壓越大,光電子的最大初動能越大．

4 結束語

通過自制的光電效應演示裝置全面、量化完成光電效應各項規(guī)律的探究,很好地突破了光電效應教學中的教學難點．通過探究式教學,激發(fā)學生學習的欲望,培養(yǎng)物理學科特征的品質,最終內化成適應個人的終身學習和社會發(fā)展所需要的核心素養(yǎng)．[3]