“光電效應”實驗的發展脈絡

“光電效應”實驗的發展脈絡*

郝 詳**河北省教育科學研究“十二五”規劃立項課題“高中物理、生物疑難實驗的研究”的階段成果，項目編號：13040338作者簡介：郝詳(1975-)，男，中教一級，研究方向為基礎理論、實驗.

(河北保定外國語學校河北 保定071000)

石亞東

(保定市蓮池區文教局河北 保定071000)

摘 要：有關光電效應的實驗是近代物理中的重要實驗之一，本文聯系物理學史，對光電效應實驗教學進行了反思，理清了科學史上有關光電效應實驗發展的脈絡.

關鍵詞：光電效應物理學史

收稿日期：(2015-05-08)

在講授人教版教材選修3-5第17章第2節“科學的轉折”中“光的粒子性”時，教材中的插圖多、結論多，學生經常詢問實驗方面的相關問題，常常令教師張口結舌.通過查閱相關的資料，發現光電效應實驗的發展并不是一蹴而就的，而是經過了長期的探索、積累過程.在此，按照歷史事件的發展，進行簡單的說明.

1887年，赫茲用實驗裝置(圖1)，觀察到放電針放電過程中產生的紫外線對另外一個放電針產生的電火花長度有影響.

圖1　赫茲研究光電效應實驗電路圖

圖中a，e是感應圈，感應圈由電池組b供電，感應圈a與放電針d相連，感應圈e與放電針f相連，p為隔板,c為水銀開關.他的代表論文為《論紫外線對放電的影響》.

1888年哈耳瓦茲用與圖2類似的裝置(其中用西門子弧光燈為光源而非紫外線燈)進行了實驗，發現當紫外線照射帶負電的鋅板時，鋅板的電荷量損失得很快；用紫外線照射不帶電的鋅板時，鋅板會帶上正電.他發表了文章《紫外線對帶電物體的影響》.這套裝置簡單、直觀，成為證明光電效應的經典裝置.

圖2　觀察光電效應

由于電子發現在后來的1897年，所以赫茲和哈耳瓦茲所做的實驗只是揭開了光電效應現象的一個角，對光電效應發展起到關鍵作用的是德國科學家勒納德.

自1891年，勒納德對陰極射線進行了研究，1902年發表了其研究成果，實驗使用的主要儀器是陰極射線管，如圖3所示.

圖3　勒納德研究光電效應所使用的帶有石英窗的陰極射線管

研究光電效應的實驗原理圖如圖4所示.

圖4　光電效應電路圖

得到的實驗結果如圖5所示.

圖5　光電流與電壓的關系

通過分析上述實驗，可以得到光電效應的一般實驗結論：

(1)存在著飽和電流；

(2)存在著遏制電壓和截止頻率；

(3)光電效應具有瞬時性.

勒納德的這項研究工作，是愛因斯坦1905年發表的論文《關于光的產生和轉化的一個啟發性的觀點》中的重要實驗基礎之一.在文章中，愛因斯坦就是以勒納德實驗觀測結果為基礎，運用光量子假設，建立了光電效應基本定律.通過隨后10多年的研究，物理學家才利用更精確的實驗驗證了愛因斯坦的理論.

參 考 文 獻

1(美)威·弗·馬吉. 物理學原著選讀. 北京:商務印書館, 1986. 108

2錢長炎. 在物理學與哲學之間：赫茲的物理學成就及物理思想. 廣州:中山大學出版社, 2006. 599