創(chuàng)新實驗突破光電效應的重難點

周耀虎

(安徽省合肥一六八中學)

《光電效應》是高中物理選擇性必修三第四章第二節(jié)的內(nèi)容,在整個單元中起著承上啟下的作用,為后面研究光的粒子性奠定基礎。學生在學習了本節(jié)內(nèi)容前已有電學實驗的基礎,學完本節(jié)后仍存在一些不太理解的概念,如光電流、飽和光電流、遏止電壓等。為了能夠讓學生突破這些難點,掌握物理規(guī)律,從認識現(xiàn)象到實驗探究,體驗自然規(guī)律探究方法,筆者自制了實驗裝置,帶領(lǐng)學生一起來探究光電效應的實驗規(guī)律,效果非常好。具體實驗過程如下。

一、實驗器材的準備

通過與實驗員溝通交流,發(fā)現(xiàn)本校實驗室中有三種不同的實驗儀器。

1.紫外線照射鋅板的實驗裝置

圖1這種裝置配有紫外線光源和白熾燈,裝置易漏電,而且難以定量研究光電流與頻率、光強的關(guān)系。

圖1

2.老式箱式光電效應演示器

圖2演示器的電路與課本上基本相同,學生很容易看懂,但它使用光敏管代替光電管,且用機械式電表,讀數(shù)上不直觀也不方便快速記錄數(shù)據(jù)。

圖2

3.普朗克常量測量儀

圖3這個測量儀集成度高,可以用來演示光電效應,但封閉在箱內(nèi),學生看不見電路結(jié)構(gòu),且電路與教材中的電路不同,不便于學生理解、探究。

圖3

對比來看,這三種器材有的便于演示,有的便于觀察電路,有的方便操作讀數(shù),結(jié)合上述三種優(yōu)點,筆者自己購買相應材料,設計電路,通過演示實驗來幫助學生突破光電效應的重難點。

二、實驗所選器材

1.光源及調(diào)節(jié)模塊(如圖4、圖5所示)

圖4

圖5

之前實驗中常用白熾燈發(fā)出的光再透過不同顏色的濾光片來進行實驗,這種方式顯然不太方便,本實驗通過紅綠藍三色LED燈泡,直接實現(xiàn)了不同顏色的變化,且價格低廉,方便演示;再配一個調(diào)節(jié)支架,可上下左右輕松調(diào)節(jié)光源的位置。

2.光電管(靈敏度高)

學生大多沒見過光電管真實的樣子,所以準備了一個靈敏度很高的光電管(圖6),讓學生結(jié)合書本上的示意圖來觀察它的結(jié)構(gòu),學習從物理的角度去觀察事物并應用物理知識。

圖6

3.直流穩(wěn)壓電源

實驗室里的學生電源一般最大電壓只有16 V,實驗過程中發(fā)現(xiàn)它調(diào)節(jié)不到飽和電流所對應的電壓值,所以準備了一個輸出電壓更大的直流穩(wěn)壓電源(圖7)。

圖7

4.遮光罩、通光孔

利用商店、超市里很容易買到的黑色卡紙制作了一個一端開口的遮光罩(圖8),然后利用圓規(guī)在剩余的黑紙帶上裁剪出大小成比例的圓孔,這樣可以半定量控制光強(同種頻率的光,光強與遮光罩通光孔的面積成正比),便于研究光電流、飽和光電流、遏制電壓與光強、頻率的關(guān)系。

圖8

5.數(shù)字電壓表、數(shù)字電流表

研究發(fā)現(xiàn),一般器材中用的都是微安表,指針轉(zhuǎn)動靈敏,但不易于讀出精確數(shù)值。普通電流傳感器量程一般都很大,無法測出光電效應中的微小電流。用微電流傳感器測量時測得的數(shù)據(jù)還不是很精確。而其他一些老師改進、創(chuàng)新實驗里使用的電流傳感器,一般都是花大價錢讓廠家定制的小量程微安傳感器,所以本實驗利用實驗室常備的J01402數(shù)字演示交、直流電表來充當電流表(實驗所選量程2 mA)和電壓表(實驗所選量程200 V),既能讀出微小電流,也能實時顯示準確的數(shù)值,方便調(diào)節(jié)、記錄。

三、利用所選器材連接好實驗電路圖(如圖9)

按照課本上的電路圖來指導學生連接電路,既方便學生理解電路結(jié)構(gòu),又能讓學生復習電路的接法,一舉多得。

四、實驗創(chuàng)新點及數(shù)據(jù)處理

創(chuàng)新點1:光電效應的瞬時性

實驗操作過程:

(1)斷開開關(guān),用遮光罩完全擋住透光孔。

(2)打開LED光源,使綠光照射被遮光罩套住的光電管,觀察數(shù)字電流表是否有示數(shù)?(無示數(shù))

(3)迅速拿走遮光罩,觀察數(shù)字電流表是否有示數(shù)?(立即出現(xiàn)數(shù)值)

結(jié)論:光電效應幾乎是瞬間發(fā)生的。

創(chuàng)新點2:研究光電流與正向電壓的半定量關(guān)系

實驗操作過程:

(1)使用綠光,并控制其亮度不變

(2)分別使用面積為S、3S、9S、13S的通光孔,即光強比為1∶3∶9∶13;閉合開關(guān),調(diào)節(jié)電位器,記錄數(shù)據(jù)并描點作圖如圖10,表1所示。

圖10 光電流與外加正向電壓關(guān)系

表1

結(jié)論:(1)存在飽和光電流。

(2)剛開始正向電壓越大,光電流越大;達到飽和光電流后,增大電壓光電流不變。

創(chuàng)新點3:飽和電流與光強的關(guān)系(綠光)

選取上述表格中的光強比和最后一行的飽和電流值,通過excel擬合處理后很容易發(fā)現(xiàn)它是線性的直線,并標注出這條直線的公式y(tǒng)=0.009 5x。

圖11 飽和光電流與光強的關(guān)系

結(jié)論:證明了飽和電流與光強成正比,即與單位時間發(fā)射的光電子數(shù)成正比。

創(chuàng)新點4:研究光電流與正向電壓、入射光頻率的半定量關(guān)系(通光孔面積均為3S)

圖12 光電流與正向電壓、入射光頻率的關(guān)系

表3

結(jié)論:在通光孔面積均為3S的情況下,頻率越大,電壓越大,光電流越大;達到飽和后,頻率越大,飽和光電流也越大。

之前看到有老師通過實驗得到另外一種結(jié)論:存在飽和光電流,其大小與頻率有關(guān),(光照度一定時)頻率越高,飽和光電流越大?！肮庹斩纫欢ā焙苊黠@是錯誤結(jié)論,他忽視了入射光的頻率發(fā)生了變化,錯誤地把通光孔面積相等認為光照強度相同。

創(chuàng)新點5:研究遏止電壓的特點

實驗操作過程:

(1)將電源正負極調(diào)換位置。

(2)使用綠光,并控制其亮度不變,分別使用面積不同的通光孔,研究遏止電壓。

(3)換用藍光,研究遏止電壓。

圖13

表4 光源為綠光,用3S通光孔面積

表5 光源為綠光,用13S通光孔面積

表6 光源為藍光,用13S通光孔面積

圖14 遏止電壓與頻率關(guān)系

結(jié)論:表1、表2中綠光的遏止電壓有些許差異的原因在于數(shù)字電表的量程較大,精度不夠,所以可以說在誤差允許的范圍內(nèi),遏止電壓與光強無關(guān),只與頻率有關(guān)。

表2

五、誤差分析及重要發(fā)現(xiàn)

(1)數(shù)字電表本身的系統(tǒng)誤差及其精度帶來的誤差。

(2)光電管性能造成的誤差(重要發(fā)現(xiàn))。

環(huán)境、溫度、濕度對光電管均有影響,如圖15所示,實驗中,存在陽極光電效應所引起的反向電流和暗電流(即無光照射時的微弱電流)。我們實驗中測得的電流實際上是包括上述兩種電流和由陰極光電效應所產(chǎn)生的正向電流三個部分,所以當反向電壓加到一定值后,光電流會出現(xiàn)負值,且隨著電壓增大,反向電流也隨之增大。而在平時的教學中,老師和學生會普遍產(chǎn)生“當反向電壓增大到遏止電壓時,電流變成0,以后再繼續(xù)增大反向電壓,電流始終為0”的錯誤觀點,而通過實驗就可以輕松讓學生認識到正確的理論。

圖15

六、結(jié)束語