創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)突破光電效應(yīng)的重難點(diǎn)

周耀虎

(安徽省合肥一六八中學(xué))

《光電效應(yīng)》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(gè)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(chǔ)。學(xué)生在學(xué)習(xí)了本節(jié)內(nèi)容前已有電學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ),學(xué)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(xué)生突破這些難點(diǎn),掌握物理規(guī)律,從認(rèn)識(shí)現(xiàn)象到實(shí)驗(yàn)探究,體驗(yàn)自然規(guī)律探究方法,筆者自制了實(shí)驗(yàn)裝置,帶領(lǐng)學(xué)生一起來探究光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,效果非常好。具體實(shí)驗(yàn)過程如下。

一、實(shí)驗(yàn)器材的準(zhǔn)備

通過與實(shí)驗(yàn)員溝通交流,發(fā)現(xiàn)本校實(shí)驗(yàn)室中有三種不同的實(shí)驗(yàn)儀器。

1.紫外線照射鋅板的實(shí)驗(yàn)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(qiáng)的關(guān)系。

圖1

2.老式箱式光電效應(yīng)演示器

圖2演示器的電路與課本上基本相同,學(xué)生很容易看懂,但它使用光敏管代替光電管,且用機(jī)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(cè)量?jī)x

圖3這個(gè)測(cè)量?jī)x集成度高,可以用來演示光電效應(yīng),但封閉在箱內(nèi),學(xué)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(xué)生理解、探究。

圖3

對(duì)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(diǎn),筆者自己購(gòu)買相應(yīng)材料,設(shè)計(jì)電路,通過演示實(shí)驗(yàn)來幫助學(xué)生突破光電效應(yīng)的重難點(diǎn)。

二、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中常用白熾燈發(fā)出的光再透過不同顏色的濾光片來進(jìn)行實(shí)驗(yàn),這種方式顯然不太方便,本實(shí)驗(yàn)通過紅綠藍(lán)三色LED燈泡,直接實(shí)現(xiàn)了不同顏色的變化,且價(jià)格低廉,方便演示;再配一個(gè)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(xué)生大多沒見過光電管真實(shí)的樣子,所以準(zhǔn)備了一個(gè)靈敏度很高的光電管(圖6),讓學(xué)生結(jié)合書本上的示意圖來觀察它的結(jié)構(gòu),學(xué)習(xí)從物理的角度去觀察事物并應(yīng)用物理知識(shí)。

圖6

3.直流穩(wěn)壓電源

實(shí)驗(yàn)室里的學(xué)生電源一般最大電壓只有16 V,實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)它調(diào)節(jié)不到飽和電流所對(duì)應(yīng)的電壓值,所以準(zhǔn)備了一個(gè)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(gè)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(qiáng)(同種頻率的光,光強(qiáng)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(qiáng)、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(dòng)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(cè)出光電效應(yīng)中的微小電流。用微電流傳感器測(cè)量時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)還不是很精確。而其他一些老師改進(jìn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)里使用的電流傳感器,一般都是花大價(jià)錢讓廠家定制的小量程微安傳感器,所以本實(shí)驗(yàn)利用實(shí)驗(yàn)室常備的J01402數(shù)字演示交、直流電表來充當(dāng)電流表(實(shí)驗(yàn)所選量程2 mA)和電壓表(實(shí)驗(yàn)所選量程200 V),既能讀出微小電流,也能實(shí)時(shí)顯示準(zhǔn)確的數(shù)值,方便調(diào)節(jié)、記錄。

三、利用所選器材連接好實(shí)驗(yàn)電路圖(如圖9)

按照課本上的電路圖來指導(dǎo)學(xué)生連接電路,既方便學(xué)生理解電路結(jié)構(gòu),又能讓學(xué)生復(fù)習(xí)電路的接法,一舉多得。

四、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)及數(shù)據(jù)處理

創(chuàng)新點(diǎn)1:光電效應(yīng)的瞬時(shí)性

實(shí)驗(yàn)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(yīng)幾乎是瞬間發(fā)生的。

創(chuàng)新點(diǎn)2:研究光電流與正向電壓的半定量關(guān)系

實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(diǎn)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(dá)到飽和光電流后,增大電壓光電流不變。

創(chuàng)新點(diǎn)3:飽和電流與光強(qiáng)的關(guān)系(綠光)

選取上述表格中的光強(qiáng)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(biāo)注出這條直線的公式y(tǒng)=0.009 5x。

圖11 飽和光電流與光強(qiáng)的關(guān)系

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

創(chuàng)新點(diǎn)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(dá)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(shí)驗(yàn)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(shí))頻率越高,飽和光電流越大。“光照度一定”很明顯是錯(cuò)誤結(jié)論,他忽視了入射光的頻率發(fā)生了變化,錯(cuò)誤地把通光孔面積相等認(rèn)為光照強(qiáng)度相同。

創(chuàng)新點(diǎn)5:研究遏止電壓的特點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)操作過程:

(1)將電源正負(fù)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(lán)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(lán)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(qiáng)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(duì)光電管均有影響,如圖15所示,實(shí)驗(yàn)中,存在陽極光電效應(yīng)所引起的反向電流和暗電流(即無光照射時(shí)的微弱電流)。我們實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的電流實(shí)際上是包括上述兩種電流和由陰極光電效應(yīng)所產(chǎn)生的正向電流三個(gè)部分,所以當(dāng)反向電壓加到一定值后,光電流會(huì)出現(xiàn)負(fù)值,且隨著電壓增大,反向電流也隨之增大。而在平時(shí)的教學(xué)中,老師和學(xué)生會(huì)普遍產(chǎn)生“當(dāng)反向電壓增大到遏止電壓時(shí),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(cuò)誤觀點(diǎn),而通過實(shí)驗(yàn)就可以輕松讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到正確的理論。

圖15

六、結(jié)束語