光電效應(yīng)演示實驗幾種方案的比較

李志武

(保定市第三中學(xué) 河北 保定 071051)

1 以往實驗中存在的問題

中學(xué)物理教材(人教版)中的光電效應(yīng)的演示實驗表述如下：將擦亮的鋅板和驗電器相連，用弧光燈照射鋅板，鋅板帶電，驗電器的指針就會張開.但用此實驗方案操作時驗電器指針并不會張開.分析如下：

假設(shè)弧光燈的溫度為6 000 K，根據(jù)維恩位移定律

λmT=b=2.88×10-3m·K

和頻率公式

計算得此弧光燈在6×1014Hz附近的輻射強度最大，設(shè)此頻率的輻射強度為1.由普朗克黑體輻射公式

可知其輻射頻率為1016Hz(40 eV)的電磁波強度只有10-30，即頻率大于1016Hz的光子數(shù)幾乎為零.所以用弧光燈照射的鋅板對地電壓不會超過40 V.而實驗表明給驗電器的小球和外殼之間加上400 V的電壓，驗電器的指針角度不大于5°.所以弧光燈照射下的鋅板帶電的電壓不會使驗電器指針張開.

2 3種實驗改進方案

【方案1】使鋅板預(yù)帶電.

實驗器材:鋅板,弧光燈,指針驗電器,毛皮,橡膠棒,絲綢,玻璃棒.

實驗步驟：

(1)讓鋅板和驗電器帶一定量的負(fù)電荷(如接觸和毛皮摩擦過的橡膠棒)，用弧光燈照射鋅板，觀察到驗電器的指針迅速下降，說明了在弧光燈的照射下鋅板表面有電子飛出.

(2)讓鋅板先帶一定量的正電荷，用弧光照射，觀察到驗電器的指針偏角不變.

原因分析：鋅板受紫外線照射后，電子從鋅板表面飛出，由于帶負(fù)電的鋅板電勢比周圍空間的電勢低，其周圍的電場能夠使電子在電場力的作用下向外加速運動，使鋅板帶的負(fù)電荷很快消失.若鋅板帶正電，則鋅板的電勢比周圍空間高，紫外線照射鋅板后，其表面飛出的電子，在電場力的作用下又重新飛回鋅板表面，所以鋅板上仍然帶正電.

綜上所述，可以說明鋅板在受弧光燈照射后有電子從表面飛出.

【方案2】在鋅板旁邊用帶正電的物體，吸附鋅板釋放出的電子，如圖1所示.

圖1

實驗步驟:

(1)將不帶電的鋅板和驗電器相連.用帶正電的玻璃棒靠近鋅板后遠(yuǎn)離,可以看到驗電器的指針先張開,后閉合.

(2)用弧光燈照射鋅板，再次將帶正電的玻璃棒靠近鋅板后遠(yuǎn)離,可以看到弧光燈照射鋅板時驗電器指針并不發(fā)生偏轉(zhuǎn).玻璃棒靠近驗電器時驗電器的指針張開,玻璃棒移走后驗電器指針并不完全閉合；說明此時鋅板帶電,進一步的檢驗證明鋅板帶正電.

圖2

(3)用弧光燈照射鋅板，將帶負(fù)電的橡膠棒靠近鋅板后遠(yuǎn)離.可以看到橡膠棒靠近驗電器時驗電器的指針張開,橡膠棒移走后驗電器指針完全閉合,說明此時鋅板不帶電.

【方案3】利用光電管進行實驗.

實驗器材：數(shù)字電流表(或MF500型電表)，GD-28型光電管，自制彩色光源.

實驗步驟：

(1) 將光電管與電流表連成圖3所示的電路.

圖3

(2)將高亮度發(fā)光二極管(紅、黃、綠、藍各一支)串聯(lián)適當(dāng)電阻后接到電源上制成彩色光源.

(3)電阻的阻值可以按如下公式估算

其中E代表電源電壓，U為發(fā)光二極管的工作電壓.紅色發(fā)光二極管的工作電壓為2.4 V，其他顏色的發(fā)光二極管工作電壓在3.3 V左右；I為發(fā)光二極管的工作電流，一般為20 mA，連接不同的發(fā)光二極管就能得到不同的單色光源.

注意事項：為了避免環(huán)境光對光電管的干擾，應(yīng)在光線比較弱的室內(nèi)進行或把光電管放在有開口的暗盒中.

實驗現(xiàn)象：用紅光照射光電管時，電流表沒有示數(shù).當(dāng)用綠光、藍光照射光電管時，電流表有示數(shù)，電流的大小隨發(fā)光二極管與光電管的距離而變化;單個發(fā)光二極管照射時產(chǎn)生的最大電流可達到2～3 μA.說明了光電效應(yīng)的產(chǎn)生和光的頻率有關(guān).

3 實驗方案的比較

前兩種實驗方案和教材上給出的方案儀器相近，但都借助于加速電場來達到實驗?zāi)康?在講述時需要向?qū)W生講明加速電場的作用，以免產(chǎn)生誤解.

第3種方案沒有借助外界電場，實驗原理最簡單，且實驗不受天氣影響，成功率最高.缺點在于光電管太小，課上學(xué)生不易觀察其結(jié)構(gòu).在授課時可結(jié)合板書(或幻燈片)給出光電管的示意圖，便于學(xué)生理解其結(jié)構(gòu).