康良溪

(福建省同安第一中學(xué) 福建 廈門 361100)

光電效應(yīng)規(guī)律是近代物理學(xué)教學(xué)中的難點(diǎn).要突破這一教學(xué)難點(diǎn)，關(guān)鍵在于做好光電效應(yīng)規(guī)律的演示.30多年來，教材始終編排觀察、利用光電管進(jìn)行的演示實(shí)驗(yàn)，以探索光電效應(yīng)規(guī)律，而一般中學(xué)儀器設(shè)備還比較差，就連實(shí)驗(yàn)專用的光電管也難拿到.之前，筆者用傳統(tǒng)方法研究了光電效應(yīng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)，但是實(shí)驗(yàn)過程記錄、處理、分析數(shù)據(jù)較繁瑣而費(fèi)時(shí)間，現(xiàn)在采用DIS系統(tǒng)探究光電效應(yīng)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)用電腦記錄、處理、分析數(shù)據(jù)、輸出探究實(shí)驗(yàn)結(jié)果，定量、直接、快捷地探究光電效應(yīng)規(guī)律.文章試述數(shù)字化光電效應(yīng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)的研究.

1 研制實(shí)驗(yàn)儀器

如圖1所示為用DIS系統(tǒng)探究光電效應(yīng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置.

圖1 探究光電效應(yīng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置

2 制作方法

2.1 制作材料

(1)主要材料:GDB-1型光電管,小手電筒,導(dǎo)線,微調(diào)電位器,木板,塑料管等.

(2)外協(xié)材料:直流高壓電源(實(shí)驗(yàn)室的普通儀器)1臺(tái)，電腦1臺(tái).

(3)DIS系統(tǒng):直流電壓傳感器“量程-10～+130 V，分度0.1 V”1個(gè)，“量程-20～+20 V，分度0.01 V”1個(gè)，直流電流傳感器“量程100 μA，分度0.1 μA”1個(gè)，數(shù)字采集器1個(gè).

2.2 具體制作方法

(1)儀器示教板：由GDB-1型光電管、直流電壓傳感器、直流電流傳感器、微調(diào)電位器、小手電筒(光源)等器件組成.小手電筒對(duì)準(zhǔn)光電管K極，由夾子固定在鐵架臺(tái)上.示教板再配用250 V直流電源供電使用.

(2)制作光電管管罩：作為遮光套筒(如圖2)，材料是塑料水管，內(nèi)徑比光電管的要大一些，在遮光套筒側(cè)面挖一個(gè)孔徑φ 20 mm的小孔作為窗口，對(duì)準(zhǔn)光電管的極板K.遮光套筒窗口上、下粘了一對(duì)凹槽，作為遮光板架的軌道.

圖2 光電管管罩

(3)制作遮光板(圖3)：插在光電管的遮光套筒外側(cè)的遮光板架軌道，可以推拉，制作材料是光滑塑料薄板，遮光板挖4個(gè)透光孔，每個(gè)面積分別為1S，2S，3S，4S，實(shí)驗(yàn)時(shí)，依次分別使它對(duì)準(zhǔn)光電管的遮光套筒(管罩)側(cè)面的窗口，用它來改變射到光電管陰極上的光通量.儀器示教板電路如圖4組成.

圖3 遮光板

圖4 儀器示數(shù)板電路

3 實(shí)驗(yàn)方法

3.1 演示“光電流”的產(chǎn)生

實(shí)驗(yàn)器材：上述所介紹的自制儀器,DIS器材有直流電壓傳感器“量程-20～+20V，分度0.01V”1個(gè)，直流電流傳感器“量程100μA，分度0.1μA”1個(gè)，數(shù)字采集器1個(gè)等.

實(shí)驗(yàn)方法：

(1)不外加電壓，光照光電管陰極，有光電流，電壓為負(fù)值，如圖5(a).為何有這電流？因?yàn)楣怆姽荜帢OK在白光照射下逸出的光電子有一部分遷移到陽極A，光電子在閉合回路中產(chǎn)生電流.

圖5

(2)若用紙板遮擋遮光板的透光孔，電流立即消失，電流表讀數(shù)為零，如圖5(b)，拿開紙板，電流又恢復(fù)原值.光電子產(chǎn)生的電流，叫做光電流.

3.2 演示光電流(不飽和)大小跟光強(qiáng)關(guān)系

實(shí)驗(yàn)方法：通過保持電壓UAK為一定值，改變光源與光電管K 極的距離.

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：距離近，光電管K極收到的光強(qiáng)大，光電流也增大，反之也減少.

3.3 演示光電流與入射光頻率的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)原理：不同的金屬其極限頻率不同，只有當(dāng)入射光頻率大于某金屬的極限頻率時(shí)，才能使金屬逸出電子，產(chǎn)生光電效應(yīng).

實(shí)驗(yàn)器材：本儀器使用的光電管是GDB-1型，陰極是用銻銫材料制成，極限頻率4.62*1014Hz .準(zhǔn)備紅、黃、綠、紫四種濾色片，其中紅色濾色片的峰值波長0.660 0 μm，頻率4.55*1014Hz .

表1 透過四種濾色片后的入射光頻率

實(shí)驗(yàn)方法：

(1)先保持光源的發(fā)光強(qiáng)度及它與光電管G陰極的距離一定，依次在遮光板透光孔前放黃、綠、紫濾色片，都有光電流，如圖6(a)、(b)、(c)，表明這幾種光都能使光電管的陰極(銻銫)產(chǎn)生光電效應(yīng).

圖6

(2)在遮光板透光孔前放紅的濾色片，不見產(chǎn)生光電流，如圖6(d)，再把光源移近光電管G陰極以增大入射光的強(qiáng)度，也不見產(chǎn)生光電流.

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：要使某種金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)，入射光的頻率必須大于某個(gè)極限頻率，低于這個(gè)極限頻率的光，無論強(qiáng)度如何，照射的時(shí)間多久，也不能產(chǎn)生光電效應(yīng).

3.4 研究光電子的最大初動(dòng)能與入射光頻率的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)方法：

(1)將儀器示教板的電源輸入端的正、負(fù)極反接，調(diào)節(jié)電位器R，使UAK= 0，按亮小手電筒(光源)，保持它與光電管G陰極的距離，這時(shí)光電流為0.5 μA，如圖7(a)，把紅色濾色玻璃擋在遮光板的透光孔，光電流變?yōu)榱悖鐖D7(b)；把擋光濾色片換為黃色，再調(diào)節(jié)R，使反向電壓繼續(xù)增大，直到光電流剛好為零，這時(shí)反向電壓為0.4 V，如圖7(c).根據(jù)能量守恒定律,有

則具有最大初動(dòng)能的光電子恰好不能到達(dá)陽極A，即末速度

vA=0

因此，它們的最大初動(dòng)能為

Ek代入數(shù)據(jù)得

Ek=0.4eV

圖7

表2 光電子最大初動(dòng)能

比較它們初動(dòng)能大小，得出“入射光的頻率越大，光電子的初動(dòng)能越大”的實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

3.5 研究入射光強(qiáng)不變時(shí)，光電流的大小跟正向電壓的關(guān)系，什么是“飽和光電流”

實(shí)驗(yàn)器材：DIS器材有直流電壓傳感器“量程-10～+130 V，分度0.1 V”1個(gè)，直流電流傳感器“量程100 μA，分度0.1 μA”1個(gè)，數(shù)字采集器1個(gè)等.

實(shí)驗(yàn)方法：設(shè)光源發(fā)光強(qiáng)度為I，則它對(duì)距離為r處的遮光板透光孔的照度為

再設(shè)遮光板的透光孔面積S，那么,通過遮光板的透光孔并照射在光電管陰極K上的光通量，即入射光通量

所以，只要保持I，r一定，分別4次改變遮光板的透光孔面積，這樣就控制了這4次的入射光通量(4Φ，3Φ，2Φ，1Φ)各自保持不變.在這4次中，每次實(shí)驗(yàn)通過逐漸調(diào)整電位器R，使電壓UAK由零逐漸升至100 V.為了讓各數(shù)據(jù)點(diǎn)分布均勻，電壓每升高10 V就在電腦功能鍵上點(diǎn)擊“記錄數(shù)據(jù)”一次，記錄電壓UAK和光電流的相應(yīng)值.這樣4次改變遮光板的透光孔面積就有4組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最后，再點(diǎn)擊功能鍵“繪圖”，電腦就自動(dòng)擬合出4組光電流隨正向電壓變化的i-UAK關(guān)系圖像，如圖8.

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：從界面圖看出，當(dāng)入射光強(qiáng)度不變時(shí)，光電流隨正向電壓UAK的升高而增大(非線性)，當(dāng)電壓UAK達(dá)到一定值時(shí)，光電流就保持飽和值.再增加電壓，光電流也不再增大了.這表明K極板發(fā)射的光電子已全部被A極吸收去.

圖8 電流隨正向電壓變化的i-UAK圖像

3.6 研究當(dāng)保持電壓UAK為一定值時(shí)，飽和光電流大小與入射光強(qiáng)度的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)方法：在上面i-UAK圖中，從產(chǎn)生飽和光電流的電壓區(qū)域中任取一電壓值，如圖9(a),點(diǎn)擊“im-Φ圖像”功能按鍵，擬合如圖9(b).

(a)

(b)

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：從圖9(b)可以看出，當(dāng)電壓UAK達(dá)到一定值時(shí)，飽和光電流的大小和入射光的強(qiáng)度成正比(線性關(guān)系).

4 結(jié)束語

研究光電效應(yīng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)，其過程內(nèi)容多，如果采用傳統(tǒng)方法，所用的時(shí)間較長，而采用現(xiàn)代DIS系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)者不但能從繁瑣的操作中解脫出來而且能實(shí)現(xiàn)定量、直接、快捷地探究光電效應(yīng)規(guī)律，解決光電效應(yīng)規(guī)律教學(xué)中的難點(diǎn)，為“新課標(biāo)”下的教材提供配套的定量探究光電效應(yīng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)的儀器.本儀器結(jié)構(gòu)簡單，取材容易，成本低廉，具有很高的實(shí)用推廣價(jià)值.