可調節全譜系可見光新型光電效應演示器

羅春春

摘 要：“光電效應”內容是注重核心素養理念的新髙考重點考查內容，也是學生比較難掌握的部分。設計出的新型光電效應演示器，采用GD-5型大尺寸光電管，光源改為可見光內全譜系可調節波長和亮度的遙控燈泡。該演示器能直觀展示出極限頻率、截至電壓、飽和電流等光電物理現象，對光電效應規律的掌握有非常大的幫助。

關鍵詞：光電效應；新型演示器；全譜系；可見光；電源模塊

1 發現問題

筆者上課用的教材是魯科版的高中物理（選修3-5），課本采用如圖1所示的實驗來演示光電效應現象：用紫外光照射鋅板，驗電器的金屬箔展開一個角度，表明發生了光電效應。課本采用圖2所示實驗裝置繼續探究光電效應：分別用白熾燈和紫外線照射鋅板，改變白熾燈和紫外線光的強度，觀察靈敏電流計有無偏轉及偏轉角度大小，得出光電效應的極限頻率（極限波長）和光的強度對光電流的影響[ 1 ]。

筆者上課時花了較長時間準備好上述器材，做實驗過程中，發現圖1實驗由于受周圍環境溫濕度影響不易成功，驗電器金屬箔片基本看不到張開角度。圖2實驗的靈敏電流計不管怎么照射，也沒反應。

后來在淘寶網上看到如圖3采用紫外光照射鋅板的實驗器，，這個實驗器雖然有所改進，但也易受周圍環境尤其是濕度影響，演示操作不方便，實驗現象有時不明顯，較抽象，電壓高不安全，且缺乏探究。

實驗室現有一種J2517光電效應演示器，該演示器把零散器材組合在一個箱子里，可以用可見光照射光電管來演示光電效應現象，較好用了。安裝了針式電壓表、毫安表、光電效應原理電路中的電壓、電流通過指針所指示數得以定量測量。筆者在使用中感到毫安表指針偏轉角度還算大，現象較直觀。筆者較好奇，把這套儀器拆解開來，發現里面的光電效應原理電路沒有串聯滑動變阻器，面板左下方的電位器（滑動變阻器）直接接到了交流220V市電電路，其說明書介紹的改變電壓來觀測飽和電流是無法實現的！而且里面實際電路采用了放大電路，使得流過電流表的電流較大達毫安級，這樣指針才會偏轉。這樣的加了放大電路的電流表所測值實際上不是光電效應直接產生的光電子流強度（光電流），要知道典型普通光電管飽和電流值是微安級（μA）。筆者還發現，該套演示器的光電管也太小，參數規格也不適合直接演示光電效應。

2 問題解決的思路

鑒于上述光電效應器材的問題，筆者想，可見光有紅橙黃綠青藍紫七種顏色，能否設計一種在可見光光譜區域內，在波長較長的照射下有極限頻率（極限波長），比如紅橙光照射；在波長較小的光照射下能打出光電子，在光電管電路里，能測飽和電流、截至電壓等光電效應現象的一套儀器。

GD-5大尺寸側窗式光電效應管，光譜響應范圍“200～600nm”，最佳波長380～420nm，尺寸高138mm，玻璃泡直徑38mm，最佳工作電壓直流30V以下，最高100V；尺寸較大，直觀性問題解決了；由于可見光波長范圍是“390～780nm”，光電材料的極限波長小于可見光最大波長，因此非常適合演示“極限頻率”現象參數，準備用它作新型光電效應演示器的光電管。

在淘寶網上購買有遙控彩光燈泡，可無級遙控調光，可方便調紅橙黃綠藍靛紫可見光譜區域內任意顏色，可調亮度。調節光的顏色（光的頻率），可以觀察照射光頻率與光電子最大初動能之間的關系。這種遙控彩光燈泡適合做新型光電效應演示器的全譜系可見光光源。

筆者采用如圖4所示的光電管電路圖：通過滑動變阻器的分壓器電路，直接在光電管兩端加上正向直流電壓0～24V用于測飽和電流，加直流電壓用于測截至電壓。正向直流電壓0～24V和反向0～-5V的電壓從交流220V電經過ac-dc雙路輸出5v0.1a-24v0.1a開關電源模塊得到的（圖5）。這個開關電源模塊是在第一代基礎上改進了的第二代，尺寸明顯小了許多。

光電管的光電流只有微安級，用指針式靈敏電流表無法測量，即使勉強有偏轉，精度也不夠。研究發現指針式電壓表的精度也無法滿足實驗要求。為了解決電壓和光電流的測量要求，筆者找到了高精度數字電表如下：

微安表DC200μA技術參數：測量范圍為直流0～200μA，測量精度：0.1μA；工作電壓：8V-18V（寬供電電壓），工作電流：<200mA；顯示方式：0.5"LED，紅色），外型尺寸：79×43×25 mm，安裝開孔：75×39.5 mm。

電壓表DC100V技術參數：測量范圍為直流0～99.9V，測量精度0.1V；工作電壓：DC8-18V（寬供電電壓）；工作電流：<200mA；顯示方式：0.56"LED，紅色；外型尺寸：79×43×25 mm；安裝開孔：75×39.5 mm；重量：約60g。

以上兩個電表精度和量程都滿足實驗要求。

用塑料藥瓶改造成了一個光電管座，用膠水固定，便于安裝光電管；當然少不了電烙鐵等制作工具。

3 可調節全譜系可見光新型光電效應演示器的制作

3.1 材料配件

主要有摩光燈泡，側面開有小孔的遮光筒，光電管，電源模塊，數字高精度電壓表和微安表，變壓器，電位器（滑動變阻器），圓形開關，光電管座，螺口燈座，電源線，導線若干，高密度纖維板。

3.2 設計改進過程

（1）設計面板（圖6）：用電腦軟件設計圖紙，標準安裝孔尺寸。并到學校科技活動室有雕刻機等工具打好孔。

（2）在高密度纖維板面板上畫上電路原理圖和作品名稱。

（3）把圓形開關、燈座、光電管座、數字電壓表、數字電流表、電位器（滑動變阻器）等依次安裝在面板上。

（4）在面板的背面安裝好電源模塊，變壓器，數字電壓表和電流表的供電模塊，按電路原理圖連接好光源的供電電路和右邊的光電管控制電路。

（5）裝上摩光彩色燈泡和光電管，在光電管上罩上遮光筒。

筆者最終制作完成一套如圖7所示的“可調節全譜系可見光新型光電效應演示器”。

4 實驗測試

把該新型演示器接上220V市電，打開開關，燈泡發光，通過遙控器可調節紅橙黃綠藍靛紫七種色光，還可調節光照強度。電流表和電壓表示數清晰，精度高，通過旋轉面板右下角的電位器（滑動變阻器）可以控制光電管兩端電壓大小及正反向電壓，可以演示遏止電壓、飽和電流兩個現象。遙控器調到紅光照射，無論怎樣調亮度和電壓，靈敏電流表示數均為0.00μA，因此來演示極限頻率現象。本演示器可調電壓范圍為+24V～-5V，完全滿足實驗的電壓要求。

筆者發現，如果沒在光電管上罩帶透光小孔的遮光筒，白天實驗易受外界光的影響，造成實驗數據誤差大，所以建議一定要使用遮光筒。

實驗測試結果表明該套新型光電效應演示器能夠全面展示光電效應規律。經過物理課堂實踐檢驗，該演示器能有效幫助學生完整理解掌握光電效應規律，明顯提高了教學效果。

5 演示及數據

5.1 演示1

（1）電路接好后，在光電管上罩上遮光筒，使遮光罩的透光小孔正對光源。

（2）打開開關，長按3秒遙控器電源健，發出較強白光。

（3）轉動電位器旋鈕調節電壓到零，記錄電流表示數。

（4）用遙控器關掉光源的白光，記錄數字電流表示數。

實驗記錄如表1所示。

由表1可得出結論1：普通可見光可產生光電效應，瞬時打出光電子。

5.2 演示2

（1）調節光電管兩端電壓到3.0V

（2）用遙控器調節燈泡發紅光，記錄電流表示數。

（3）用遙控器調節燈泡發黃光，記錄電流表示數。

（4）用遙控器調節燈泡發藍光，記錄電流表示數。

由表可得出結論2：紅光對應的頻率（波長）是該光電管的極限頻率（極限波長）

5.3 演示3

（1）保持摩光燈泡發藍光不變，用遙控器調到強光，記錄電流表示數。

（2）用遙控器調到藍色較弱光，記錄電流表示數。

由表3可得出結論3：光電流與光的強度有關。強度越大，光電流越大。

5.4 演示4

（1）用遙控器調燈泡發綠光、保持不變的發光亮度。

（2）轉動電位器旋鈕，光電管兩端電壓從0正向增大到20.0V，記錄兩個數字電表示數在表4。

（3）轉動電位器旋鈕，反向增大光電管兩端電壓到1.5V，記錄兩個數字電表示數在表5。

由表4可得出結論4：當電壓增大到一定程度時，有飽和電流出現。

由表5可得出結論5：光電管的反向電壓加到一定值，就會出現截至電壓，沒有電流。

6 創新部分

（1）可以在可見光譜系內演示極限波長（極限頻率）、截至電壓、飽和電流。

（2）通過分壓器電路的巧妙連接，只需使用一個高精度電位器不但可以調到正向電壓24.5V，還可調出反向電壓-5V，保證在電壓范圍內連續靈活可調。

（3）用高精度數字微安表、電壓表代替指針式電表，能測微小電流（0.1μA）、電壓（0.1V），保證測量到實際光電流值，而不是經放大電路放大處理過的。

（4）采用了直流電源模塊可以直接使用市電220V電源，不需電池。

（5）采用雙路隔離式直流穩壓電源分別給數字電流表、電壓表供電，避免了電表互相干擾，使電表示數穩定可靠。

（6）采用高精度電位器代替普通的滑動變阻器，調節靈活方便。

7 項目的使用情況和進一步完善的設想

經過物理課堂實踐檢驗，該演示器能有效幫助學生完整理解掌握光電效應規律，明顯提高了教學效果。完善的設想：使用手機遙控代替遙控器調節光源；增加能測光源頻率的裝置，這樣能定量測出極限頻率；設計一個軟件來在電腦屏幕或手機上自動繪出示光電流與電壓的關系圖象，得出截至電壓與飽和電流具體數值。

參考文獻：

[1] 司南中學物理教材編寫組.普通高中課程標準實驗教科書物理（選修3-5）[M].濟南：山東科學技術出版社，2007：83-84.