李松嶺 李明雪

（1.江蘇師范大學(xué)教師教育學(xué)院，物理與電子工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)理學(xué)院，江蘇 徐州 221008）

1 光電效應(yīng)

照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)（Photoelectric effect）.

2 教材中光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)的裝置與實(shí)驗(yàn)方法

用來(lái)演示光電效應(yīng)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)稱為光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn).光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理和高中物理的一個(gè)重點(diǎn)演示實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)在于光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)是顯示光電效應(yīng)現(xiàn)象的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)；光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)也是一個(gè)難點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，難點(diǎn)在于這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)很難做成功.教材中的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法如圖1和圖2所示.［1－2］

圖1

圖2

從理論上講，把一塊鋅板連接在驗(yàn)電器上，用紫外光燈照射鋅板，鋅板中的電子吸收光子的能量超出逸出功后會(huì)從鋅板表面逸出，鋅板失去電子帶正電，與鋅板連接的驗(yàn)電器指針就會(huì)張開.但按教材中圖1和圖2所示裝置與實(shí)驗(yàn)方法做光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)，打開紫外光燈照射鋅板，不論紫外光燈照射鋅板多長(zhǎng)時(shí)間，與鋅板連接的驗(yàn)電器指針并不會(huì)張開，這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)很難做成功.［3］所以，在實(shí)際物理教學(xué)中，大部分教師都不真實(shí)地去做光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)，而只是在黑板上畫圖講解光電效應(yīng)或用課件來(lái)模擬光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn).

在實(shí)際物理教學(xué)中，因?yàn)楣怆娦?yīng)演示實(shí)驗(yàn)很難做成功就形成了一個(gè)實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)，光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)做不成功就給光電效應(yīng)教學(xué)帶來(lái)了困難，成為一個(gè)教學(xué)難題，一直影響著光電效應(yīng)教學(xué)的效果和質(zhì)量.對(duì)光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)進(jìn)行分析并對(duì)其進(jìn)行成功改進(jìn)非常重要和必要.

3 教材中光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)做不成功的原因分析

物理教材中光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)做不成功的原因分析如圖3所示.

圖3

當(dāng)紫外光燈照射鋅板時(shí)，鋅板中的電子吸收光子的能量超出逸出功后會(huì)從鋅板表面逸出，鋅板失去電子帶正電，帶正電的鋅板本身就會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)E1，而電場(chǎng)E1會(huì)對(duì)逸出去的電子產(chǎn)生吸引作用，會(huì)阻礙電子的繼續(xù)逸出.有的電子逸出去，有的逸出去的電子又被鋅板吸引回來(lái)，隨著鋅板帶正電的電量越多，鋅板產(chǎn)生的電場(chǎng)就越強(qiáng)，鋅板吸引逸出電子的能力也就越強(qiáng)，很快就達(dá)到了電子逸出動(dòng)態(tài)平衡，鋅板帶正電的量不會(huì)再增加，其電勢(shì)達(dá)不到一般教學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的驗(yàn)電器能夠較為明顯的檢測(cè)到的電勢(shì)差.所以，不論用紫外光燈照射鋅板多長(zhǎng)時(shí)間，與鋅板連接的驗(yàn)電器指針都不會(huì)張開，用教材中光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)驗(yàn)方法是很難做成功光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)的.

4 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的成功改進(jìn)

光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)成功改進(jìn)的主要思路：在鋅板附近加一個(gè)強(qiáng)于鋅板本身產(chǎn)生電場(chǎng)E1的附加電場(chǎng)E2，促進(jìn)電子逸出后遠(yuǎn)離鋅板不再回到鋅板上，打破電子逸出動(dòng)態(tài)平衡.當(dāng)紫外光燈照射鋅板時(shí)，鋅板中的電子吸收光子的能量超出逸出功從鋅板表面逸出后，遠(yuǎn)離鋅板不再回到鋅板上，隨著紫外光燈的持續(xù)照射鋅板，會(huì)持續(xù)有電子從鋅板逸出，使鋅板上的電勢(shì)繼續(xù)升高，就能使與鋅板連接的驗(yàn)電器指針張開明顯的角度，使光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)成功演示.

4.1 光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)成功改進(jìn)方案之一：用帶正電的金屬板附加電場(chǎng)

用帶正電的金屬板給逸出的負(fù)電荷附加電場(chǎng)吸引鋅板逸出的負(fù)電荷，如圖4所示.

圖4

用手搖起電機(jī)給金屬板帶正電，帶正電的金屬板在電子逸出的附近產(chǎn)生了較強(qiáng)的附加電場(chǎng)E2，附加電場(chǎng)E2比帶正電的鋅板產(chǎn)生的電場(chǎng)E1強(qiáng).當(dāng)紫外光燈照射鋅板時(shí)，鋅板中的電子吸收光子的能量超出逸出功從鋅板表面逸出后就被帶正電的金屬板吸引，不再回到鋅板上.隨著紫外光燈的持續(xù)照射鋅板，不斷有電子從鋅板逸出，使鋅板上的電勢(shì)繼續(xù)升高，可使與鋅板連接的驗(yàn)電器指針張開明顯的角度，可成功演示光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn).

在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，可能學(xué)生會(huì)誤認(rèn)為與鋅板連接的驗(yàn)電器指針張開明顯的角度不是光電效應(yīng)的作用，而是由于帶正電的金屬板產(chǎn)生電場(chǎng)的直接作用.為此，可對(duì)上述實(shí)驗(yàn)再做如下改進(jìn)，在紫外光燈旁再放一個(gè)白熾燈，以作對(duì)比實(shí)驗(yàn)，如圖5所示.

圖5

用對(duì)比實(shí)驗(yàn)法，打開白熾燈，關(guān)閉紫外光燈，啟動(dòng)手搖起電機(jī)給金屬板帶正電.當(dāng)白熾燈光照射鋅板時(shí)，無(wú)論照射多長(zhǎng)時(shí)間，都觀察不到與鋅板連接的驗(yàn)電器指針張開，沒有發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象（因白熾燈發(fā)出光的頻率低于發(fā)生光電效應(yīng)的截止頻率）.說(shuō)明帶正電的金屬板產(chǎn)生的電場(chǎng)不會(huì)使驗(yàn)電器指針張開.關(guān)閉白熾燈，打開紫外光燈，就可以明顯地觀察到連接鋅板的驗(yàn)電器指針張開比較大的角度.說(shuō)明紫外光照射到鋅板，能使鋅板中的電子從鋅板表面逸出，鋅板帶正電，這種現(xiàn)象就是光電效應(yīng).通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)法，可成功演示光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn).

4.2 光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)成功改進(jìn)方案之二：用帶正電的有機(jī)玻璃棒附加電場(chǎng)

用帶正電的有機(jī)玻璃棒在鋅板逸出電子的附近附加電場(chǎng)吸引逸出的電子，如圖6所示.

圖6

雖然用手搖起電機(jī)給金屬板帶正電在鋅板逸出電子的附近產(chǎn)生較強(qiáng)的附加電場(chǎng)，可成功演示光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，但是，實(shí)驗(yàn)器材不夠簡(jiǎn)捷.可以用絲綢摩擦有機(jī)玻璃棒，機(jī)玻璃棒帶正電，帶正電的有機(jī)玻璃棒也會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電場(chǎng).打開紫光燈，把帶正電的有機(jī)玻璃棒放在鋅板逸出負(fù)電荷的附近也可以吸引從鋅板逸出的電子，使鋅板上逸出的電子遠(yuǎn)離鋅板，隨著紫外光燈的持續(xù)照射鋅板，不斷有電子從鋅板逸出，使鋅板上的電勢(shì)持續(xù)升高，可觀察到與鋅板連接的驗(yàn)電器的指針有較大的張角，更加簡(jiǎn)捷地演示了光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn).

4.3 光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)成功改進(jìn)方案之三：利用廢舊電池外殼鋅皮替代鋅板，用細(xì)塑料絲和筷子做驗(yàn)電羽，用帶正電的透明塑料尺附加電場(chǎng)，用太陽(yáng)光替代紫外燈的紫外光

當(dāng)學(xué)校缺少鋅板、紫外光燈和驗(yàn)電器等實(shí)驗(yàn)器材時(shí)，可用生活中常見的物品來(lái)成功演示光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn).利用廢舊電池外殼鋅皮替代鋅板，用細(xì)塑料絲和筷子做驗(yàn)電羽替代驗(yàn)電器，用帶正電的塑料尺給從鋅板逸出的電子附加電場(chǎng)吸引逸出的電子，用太陽(yáng)光替代紫外光燈發(fā)出的紫外光（隨著臭氧層遭到破壞，太陽(yáng)光中的紫外光越來(lái)越強(qiáng)，為做光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)提供了有利條件），如圖7所示.

圖7

第一步：把廢舊電池的外殼鋅皮剝下洗凈，用剪刀把洗凈的廢舊電池的外殼鋅皮剪成橢圓形狀，用砂紙把鋅皮外表的氧化層徹底打磨掉；第二步：用細(xì)塑料絲和筷子做一個(gè)驗(yàn)電羽（如圖7所示），用導(dǎo)線把驗(yàn)電羽與加工好的鋅皮連接好；第三步：把實(shí)驗(yàn)裝置放在太陽(yáng)光下；第四步：用塑料布與透明塑料尺摩擦（因塑料布與透明塑料尺在生活中隨手都可以找到），一般情況下透明塑料尺帶正電，把帶正電的透明塑料尺放在鋅板逸出電子的附近.當(dāng)太陽(yáng)光中的紫外光照射鋅皮時(shí)，鋅皮中的電子吸收光子的能量超出逸出功后從鋅皮表面逸出，被帶正電的透明塑料尺產(chǎn)生的附加電場(chǎng)吸引.隨著太陽(yáng)光中紫外光的持續(xù)照射，不斷有電子從鋅皮逸出，使鋅皮上的電勢(shì)持續(xù)升高，能夠觀察到與鋅皮連接的驗(yàn)電羽明顯散開，更加簡(jiǎn)便成功地演示了光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn).

太陽(yáng)光中含有較強(qiáng)的紫外光，故可用太陽(yáng)光替代紫外光燈，實(shí)驗(yàn)證明用太陽(yáng)光完全可以做光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)；鋅板比較難找到，可以用廢舊電池外殼的鋅皮替代鋅板；為了防止“尖端放電”的發(fā)生，可將鋅皮剪成橢圓形；用自制驗(yàn)電羽替代驗(yàn)電器，更便于學(xué)生自己實(shí)驗(yàn).

要確保光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)成功，除了要打破電子逸出動(dòng)態(tài)平衡，還要注意以下幾點(diǎn)：（1）由于鋅板表面的氧化層會(huì)嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)效果，所以，在每一次做實(shí)驗(yàn)時(shí)都一定要用砂紙把接收紫外光照射的鋅板表面打磨，把氧化層徹底打磨掉，讓新的鋅面接收紫外光照射，這一點(diǎn)特別重要；（2）要保持鋅板和導(dǎo)線連接等處的外形要圓滑，不要有尖端和毛刺，以免發(fā)生尖端放電影響實(shí)驗(yàn)效果；（3）要確保鋅板、導(dǎo)線連接、驗(yàn)電器和驗(yàn)電羽等與實(shí)驗(yàn)桌面保持高度絕緣，可用有機(jī)玻璃或泡沫海綿作絕緣層；（4）要試驗(yàn)調(diào)節(jié)好帶正電的金屬板、帶正電的有機(jī)玻璃棒、帶正電的透明塑料尺等與鋅板間的位置和距離，既要給從鋅板逸出的電子加上較強(qiáng)的電場(chǎng)，又要防止它們與鋅板間發(fā)生放電；（5）紫外光對(duì)眼睛的傷害比較大，所以要用玻璃板對(duì)能照射到眼睛的紫外光進(jìn)行遮擋.［4］

通過(guò)以上的分析和改進(jìn)，把很難做成功的光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)成功改進(jìn)成既能確保實(shí)驗(yàn)成功，又能隨手取材簡(jiǎn)便易行的演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生小實(shí)驗(yàn)，切實(shí)解決了一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)和物理教學(xué)難題，具有很大的教學(xué)推廣和應(yīng)用價(jià)值.

1 付茂林，彭志華.大學(xué)物理（下冊(cè)）［M］.北京：高等教育出版社，2009：177.

2 張大昌.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)教科書（物理）3-5［M］.北京：人民教育出版社，2005：32.

3 朱建華.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)［J］.太原大學(xué)教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（1）.

4 李志武.光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)幾種方案的比較［J］.物理通報(bào)，2011（4）.