湯可嵚

(福建師范大學(xué)附屬中學(xué) 福建 福州 350000)

光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律是人教版高中教材《物理·選修3-5》“光的粒子性”的內(nèi)容.傳統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn)裝置常有演示目的單一、學(xué)生難以參與互動(dòng)等缺陷，限制了學(xué)生思考的空間，更限制了學(xué)生能力的發(fā)展，顯然這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式實(shí)難滿足和適應(yīng)核心素養(yǎng)理念對(duì)人才培養(yǎng)的要求.

本文筆者根據(jù)學(xué)科素養(yǎng)的要求，通過自制多功能光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置演示該實(shí)驗(yàn)，在實(shí)施過程中，讓學(xué)生充分參與其中，降低了學(xué)生對(duì)光電效應(yīng)規(guī)律理解的難度，能夠讓學(xué)生在觀察中建立物理觀念，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中培養(yǎng)科學(xué)探究的能力，在分析數(shù)據(jù)中鍛煉科學(xué)思維，在參與中培養(yǎng)科學(xué)的態(tài)度和責(zé)任.

1 市售儀器調(diào)研

中學(xué)實(shí)驗(yàn)室配備的演示裝置主要有3類，第一類以如圖1(a)所示的J25109型演示裝置為代表，它們的遮光性良好但光電管和內(nèi)部電路學(xué)生完全看不見，教學(xué)效果自然大打折扣.

第二類是以如圖1(b)所示的25109演示裝置為代表的成套的紫外燈照射鋅板的演示裝置，這套儀器與教材接近，但有操作復(fù)雜、現(xiàn)象不明顯、無法演示飽和電流與遏止電壓等缺陷.

第三類是如圖1(c)所示的25109箱式集成演示裝置，它的集成度高，電路直觀，遺憾的是為了節(jié)約成本，現(xiàn)在市面上普遍用光敏管來代替光電管，且實(shí)驗(yàn)電路也與教材不符，難以充分滿足教學(xué)要求.

圖1 幾種市售光電效應(yīng)演示儀器

2 自制演示裝置

綜合現(xiàn)有演示裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，筆者將裝置設(shè)計(jì)成可滿足不同教學(xué)需求且元件可更換的高度集成演示裝置，裝置能定性演示光電效應(yīng)的各條實(shí)驗(yàn)規(guī)律，還可半定量地研究飽和光電流和入射光強(qiáng)的關(guān)系，并做一些拓展探究.

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)裝置原理[1]如圖2所示，陰極K和陽極A被封閉在真空管內(nèi)，在兩極之間加正向或反向的直流可變電壓，可以對(duì)逸出的光電子加減速.通過數(shù)字電表或傳感器可測(cè)得光電管兩端所加電壓及電子從陰極K逸出形成的光電流.

圖2 裝置原理圖

2.2 創(chuàng)新儀器介紹

如圖3所示，本裝置由一個(gè)220 V轉(zhuǎn)24 V的開關(guān)電源來實(shí)現(xiàn)各處供電，因此只需要為裝置配一根電源線，找到市電插座便可即插即用.

圖3 開關(guān)電源

演示裝置實(shí)物圖如圖4所示，電路元件學(xué)生都看得見，電路與課本一模一樣，更有利于促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng).

圖4 演示裝置實(shí)物圖

主要元件都配上了同一型號(hào)的蓮花插頭底座，均可根據(jù)需要拆卸更換，利于教學(xué)的同時(shí)也方便了裝置的日常保養(yǎng)以延長(zhǎng)裝置壽命.演示裝置幾個(gè)主要構(gòu)成部分，如圖5所示.

圖5 演示裝置的主要部件

(1)光源

光源部分的選擇，筆者最初嘗試的是購(gòu)買的LED變色燈泡如圖6所示，這種光源已被不少教師應(yīng)用于該實(shí)驗(yàn)，它的顏色多樣，控制方便，但單色光波長(zhǎng)范圍大，亮度小，易受自然光的影響，迫使實(shí)驗(yàn)要在暗室進(jìn)行且效果不夠理想.

圖6 LED變色燈泡

筆者又購(gòu)買了幾種可變色光源，對(duì)比實(shí)踐發(fā)現(xiàn)LED燈珠的單色光波長(zhǎng)范圍窄(本實(shí)驗(yàn)用紅光670～680 nm，綠光520～525 nm，藍(lán)光460～465 nm，紫光395～405 nm)，亮度高，實(shí)驗(yàn)效果良好，相比價(jià)格高昂的濾光片更為實(shí)用，最終選用可實(shí)現(xiàn)紅綠藍(lán)變色的、純紫色和純白色的LED燈珠，分別配上自制燈座后可供教師自由選用，如圖5(a)所示.光的頻率直接由對(duì)應(yīng)的按鈕選擇，方便直觀.給光源供電的是直流可調(diào)數(shù)控降壓電源模塊，光強(qiáng)可通過該調(diào)壓模塊上的光源亮度調(diào)節(jié)旋鈕實(shí)現(xiàn)定性的連續(xù)變化.

(2)光電管

選用GD-28和GD-21光電管并搭配上相同的底座，可根據(jù)需求拆換.這方便了課堂展示(展示時(shí)注意避光)，讓學(xué)生了解光電管結(jié)構(gòu).在使用完畢后將光電管取下單獨(dú)避光保存，有利于延長(zhǎng)光電管的壽命.通過更換不同的光電管還能研究不同陰極材料的極限頻率和逸出功.

(3)遮光罩

筆者選用黑色的帶磨砂面的亞克力特制的遮光罩如圖7所示，罩子的五面光面朝外，磨砂面朝內(nèi)，有助于消除自然光的干擾，通光孔開得很小，遮光好，整個(gè)實(shí)驗(yàn)不在暗室也能達(dá)到很好的效果.

圖7 特制遮光罩

由于光電管的飽和光電流與入射光強(qiáng)成正比，高校的近代物理實(shí)驗(yàn)中常從驗(yàn)證飽和光電流與光闌面積(通光孔面積)成正比或與光源同光電管距離平方成反比來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[2]，但后者高中學(xué)生理解起來有困難，且光源與光電管距離過近光電管陰極容易疲勞，距離太遠(yuǎn)，陰極產(chǎn)生電流過小，會(huì)導(dǎo)致微電流計(jì)靈敏度降低[3]，故筆者將二者距離固定在適宜距離范圍內(nèi)，通過控制入射光源電壓一定，通過旋轉(zhuǎn)帶孔轉(zhuǎn)盤來改變通光孔的面積，從而半定量地控制光強(qiáng)，研究飽和光電流和光強(qiáng)的關(guān)系，這是對(duì)教材實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新.

(4)電位器

為了尊重教材，根據(jù)學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)水平，同時(shí)顧及到調(diào)節(jié)的方便性，選用電位器來控制光電管電壓，調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，一些演示裝置面板上雖然畫著電位器，實(shí)則內(nèi)部直接用調(diào)壓電源來控制電壓，而我們?cè)趯?shí)驗(yàn)的初期也燒壞了許多電位器，后來發(fā)現(xiàn)是使用的開關(guān)電源在開機(jī)時(shí)的浪涌電流燒壞了電位器，因此添加了一個(gè)供電電路開關(guān)作為浪涌保護(hù).

(5)電表

本裝置有內(nèi)置接數(shù)字表和外置接傳感器(或大型指針式電表)的功能，以滿足不同教師和不同教學(xué)環(huán)境的要求.由于本裝置的傳感器是朗威公司定制的，且需要使用配套的專用軟件，對(duì)教學(xué)條件要求較高，因此筆者在后文中主要介紹用普通數(shù)字表實(shí)驗(yàn)的過程.

(6)選擇開關(guān)

裝置左下方的兩個(gè)選擇開關(guān)，可分別用來選擇內(nèi)外置電表和實(shí)現(xiàn)電源電極的正反接，簡(jiǎn)單方便.

3 演示過程及數(shù)據(jù)結(jié)論

3.1 未加光電管電壓

接通裝置總電源，裝上紅綠藍(lán)三色變化光源，保持供電電路開關(guān)斷開，選用GD-28光電管，用遮光罩遮光后選擇最大遮光孔(此時(shí)電流表示數(shù)為零，說明遮光罩遮光性能良好)，組裝好電路后按以下步驟開始實(shí)驗(yàn).

(1)用紅光照射，發(fā)現(xiàn)光電流為零，通過光源亮度調(diào)節(jié)旋鈕增大光強(qiáng)，光電流仍然為零.說明陰極材料存在截止頻率，且所用紅光的頻率小于截止頻率.

(2)用綠光照射，發(fā)現(xiàn)光源通電瞬間就有電流值，說明光電效應(yīng)有瞬時(shí)性.

(3)用藍(lán)光照射，發(fā)現(xiàn)光電流變小(此時(shí)光強(qiáng)較弱)，說明單純?cè)龃笕肷涔獾念l率不一定能使光電流變大.

(4)控制入射光的頻率(藍(lán)光)一定，增大光強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)光電流增大，說明入射光的頻率一定，光強(qiáng)越大，光電流越大，說明有越多的光電子逸出.

通過以上實(shí)驗(yàn)可知光電流形成的條件，及光電流與入射光頻率及光強(qiáng)有關(guān)的特點(diǎn).那么如果控制頻率和光強(qiáng)都不變，應(yīng)該如何增大光電流呢? 學(xué)生可通過小組討論得到給光電管加電場(chǎng)(即加電壓)的方法，并設(shè)計(jì)如圖2的實(shí)驗(yàn)電路.

居民趙某散步時(shí)，被一只從后面跑來的流浪狗咬了一口，遂到醫(yī)院處理傷口，并注射狂犬疫苗。趙某經(jīng)打聽得知，咬自己的那條狗似乎是附近居民馬某家的。面對(duì)找上門要求賠償?shù)内w某，馬某承認(rèn)那條狗曾經(jīng)是自己家養(yǎng)的，但卻以自己在一個(gè)月前送給了別人為由拒絕予以賠償。趙某遂將馬某告上法庭。

3.2 光電管加正向電壓

閉合供電電路開關(guān)，控制入射光的頻率(藍(lán)光)不變，分別用遮光罩上S，2S，3S，4S通光孔面積控制光強(qiáng)，即光強(qiáng)比為1∶2∶3∶4.用電位器控制光電管兩端的正向電壓從零開始增加，用Excel記錄光電流隨外加正向電壓的變化情況，描點(diǎn)后作I-U圖像(圖8)及飽和光電流Im與入射光強(qiáng)Φ的關(guān)系(即Im-Φ圖像如圖9所示).

圖8 數(shù)據(jù)及I-U圖像

圖9 Im-Φ圖像

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

(1)入射光頻率一定，光電流較小時(shí)，電壓越大，光電流越大，當(dāng)光電流較大時(shí)，增大電壓，電流幾乎不變，趨于一個(gè)飽和值.即光電效應(yīng)存在飽和電流，光強(qiáng)越強(qiáng)飽和電流越大.

(2)飽和電流值與光強(qiáng)成正比，驗(yàn)證了光子說.

以上過程也可通過傳感器來完成，筆者根據(jù)所用光電管的性能和參數(shù)聯(lián)系朗威公司特制了量程為(-200～200 μA)的微電流傳感器，并設(shè)計(jì)了專用軟件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示.

圖10 用傳感器及專用軟件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3 光電管加反向電壓

撥動(dòng)示教板左下方的選擇開關(guān)使光電管兩端的電壓反向，控制光源為藍(lán)光保持亮度不變，改變通光孔面積，研究分別增大反向電壓觀察電流隨電壓的變化情況，數(shù)據(jù)記錄如表1和表2所示.

表1 光源為藍(lán)光，用9S通光孔面積

表2 光源為藍(lán)光，用16S通光孔面積

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)頻率一定值時(shí)，加反向電壓到某一值，電流恰好為零，這個(gè)電壓稱為遏止電壓.控制藍(lán)光頻率及亮度不變，增大通光孔面積改變光強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)遏止電壓不變.改用綠光，加反向電壓記錄數(shù)據(jù)如表3所示，發(fā)現(xiàn)遏止電壓減小.說明遏止電壓與光強(qiáng)無關(guān)，只與頻率有關(guān).

表3 光源顏色為綠光，用16S通光孔面積

3.4 拓展實(shí)驗(yàn)

換用GD-21光電管，發(fā)現(xiàn)要使用紫光才能獲得光電流，說明極限頻率與光電管的陰極材料有關(guān).

用頻率相同的紫光分別照射GD-21與GD-28光電管研究陰極材料的遏止電壓，此時(shí)GD-28光電管的遏止電壓為1.6 V，考慮GD-21光電管的陽極電流的影響后發(fā)現(xiàn)其反向遏止電壓為2.2 V，說明其逸出光電子的最大初動(dòng)能更大，其陰極材料逸出功較 GD-28要小.

4 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

(1)實(shí)驗(yàn)中要注意控制好所加電壓確保電表或傳感器不超過量程.

(2)若使用傳感器研究，需用特制的傳感器及專用軟件，但由于筆者使用傳感器由電腦供電，獲取的電流易受干擾，所得數(shù)據(jù)不穩(wěn)定性，存在一定誤差，相關(guān)技術(shù)問題仍在研究.

(3)GD-28光電管的理論極限波長(zhǎng)較長(zhǎng)，為670 nm，普通的紅色發(fā)光二極管波長(zhǎng)范圍一般為(620～630 nm)也能使之產(chǎn)生光電效應(yīng)現(xiàn)象.因此裝置用的LED變色燈珠中是特制二極管，紅光波長(zhǎng)(670～680 nm)可用于演示極限頻率.當(dāng)然這里也可用普通紅外管做實(shí)驗(yàn).

(4)用GD-21光電管研究光電流時(shí)，要考慮陽極電流的影響[4].

(5)實(shí)驗(yàn)室的光照條件、溫度、濕度等均會(huì)影響光電管的工作，因此不同環(huán)境下獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(如飽和電流值)會(huì)有不同，但實(shí)驗(yàn)結(jié)論是相同的.

5 結(jié)束語

演示實(shí)驗(yàn)作為高中物理教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，在展示物理現(xiàn)象、導(dǎo)出物理概念、發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律方面，起著其他教學(xué)方式不可替代的作用.要高效、充分地利用演示實(shí)驗(yàn)來培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，要求教師不斷學(xué)習(xí)、研究新器材、新材料，根據(jù)教學(xué)的需要自制或是改進(jìn)演示實(shí)驗(yàn)裝置，并且有效地應(yīng)用于實(shí)際的教學(xué)中.