郭興華

摘? ?要：筆者利用光電管自制光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置，定量、直觀、快捷地獲得光電流隨電壓變化的數(shù)據(jù)，并利用Excel表格處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而幫助學(xué)生深度學(xué)習(xí)和理解光電流的伏安特性曲線。

關(guān)鍵詞：自制教具;光電流;伏安特性

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）8-0046-2

1? ? 制作背景

光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和規(guī)律是人們認(rèn)識光的粒子性與提出光子說的重要基礎(chǔ)，是高中近代物理教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。突破這一教學(xué)難點(diǎn)關(guān)鍵是做好光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律的演示，由于實(shí)驗(yàn)室缺少現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)器材，教師講解費(fèi)時費(fèi)力，學(xué)生學(xué)習(xí)單調(diào)抽象，教學(xué)效果不好。筆者自制了教具，大膽創(chuàng)新，用實(shí)驗(yàn)直觀展示物理現(xiàn)象，從而激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2? ? 制作過程

2.1? ? 實(shí)驗(yàn)器材

GD-28光電管（響應(yīng)波長范圍300 nm～670 nm，如圖1）、智能七彩燈泡（可調(diào)任意顏色可見光、可調(diào)入射光強(qiáng)度，如圖2）、可調(diào)穩(wěn)壓直流電源（可替代滑動變阻器與電壓表功能，如圖3）、微安表、開關(guān)、導(dǎo)線。

2.2? ? ?制作步驟

（1）將七彩燈泡和開關(guān)安裝在小木板上，然后再固定在大木板的側(cè)面，光源燈泡連接220 V交流電。

（2）繪制探究光電流規(guī)律的實(shí)驗(yàn)電路圖，并將圖紙粘貼在可豎直放置的大木板上。

（3）按照圖4中元件位置依次固定光電管、微安表與可調(diào)穩(wěn)壓直流電源。為了減少外界光對實(shí)驗(yàn)的影響，將光電管放置在一個紙盒內(nèi)，將其側(cè)面開口與燈泡正對。

（4）用導(dǎo)線連接好各個元件，注意光電管的陰陽極與電路電源正負(fù)極、電表接線柱正負(fù)相匹配。（如圖4）

3? ? 實(shí)驗(yàn)過程

3.1? ? 探究光電流與正向電壓間的關(guān)系

用攝像頭將微安表的表盤投影在屏幕上，關(guān)閉教室前排的燈。用弱黃光照射光電管，這時觀察到微安表的示數(shù)為0.25 A。這個電流稱為光電流。調(diào)節(jié)直流電源的電壓旋鈕，逐漸增大加在光電管兩端的電壓，可以觀察到微安表的示數(shù)逐漸變大。但是，當(dāng)電壓增大到24 V時，這時電流達(dá)到了最大值1.1 A。我們把這個電流稱為飽和光電流。（見表1）

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：這說明從K極發(fā)射的光電子已經(jīng)全部被A極接收了，光電流達(dá)到了最大值。

3.2? ? 探究飽和光電流與入射光強(qiáng)度的關(guān)系

保持入射光的頻率不變，增加入射光的強(qiáng)度，用強(qiáng)黃光照射光電管。這時觀察到微安表的示數(shù)為0.5 A。逐漸增大光電管兩端的電壓，觀察到微安表的示數(shù)逐漸增大到2 A時就不再繼續(xù)增大。（見表1）

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：這說明對于同種頻率的入射光，光強(qiáng)越強(qiáng)，單位時間內(nèi)發(fā)射的光子個數(shù)越多，對應(yīng)的光電子個數(shù)就越多，所以飽和光電流就越大。

在Excel表格中，輸入電壓和電流的數(shù)據(jù)值，利用圖像擬合，即可得出在加正向電壓時，飽和光電流與電壓之間的關(guān)系。（如圖5）

3.3? ? 探究反向電壓與入射光強(qiáng)度的關(guān)系

（1）將電源輸入端的正負(fù)極反接，先不打開電源。用弱黃光照射光電管，這時光電流值為0.25 A，這說明從陰極射出的光電子具有初速度與初動能。打開電源，調(diào)節(jié)電壓旋鈕，增大反向電壓值，觀察到光電流逐漸減小。這說明一部分初動能比較小的光電子在電場力的作用下，返回到K極，無法到達(dá)A極。繼續(xù)增大電壓值，當(dāng)電壓增大到0.33 V時，光電流減為0 A。這個電壓稱為遏止電壓。（見表2）

（2）用遙控器調(diào)節(jié)入射光的強(qiáng)度，改用強(qiáng)黃光照射光電管，重復(fù)上一步的實(shí)驗(yàn)操作，發(fā)現(xiàn)當(dāng)反向電壓增加到0.35 V時，光電流減小到0 A。（見表2）

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：這說明遏止電壓的大小與入射光的強(qiáng)度無關(guān)。

3.4? ? 探究反向電壓與入射光頻率的關(guān)系

用藍(lán)光照射光電管，分別測出光電流減小為0 A時，反向電壓的值為0.68 V。（見表2）

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：入射光的頻率越大，光電子的最大初動能越大。

在Excel表格中，輸入電壓和電流的數(shù)據(jù)值，利用圖像擬合，即可得出在加反向電壓時，光電流與電壓之間的關(guān)系。（如圖6）

4? ? 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

（1）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，應(yīng)盡量減少外界雜光照射到光電管，以減小實(shí)驗(yàn)干擾。

（2）探究飽和光電流與入射光強(qiáng)度的關(guān)系時，光強(qiáng)要適中，否則電流值會超過微安表的量程。

（3）GD-28光電管有八個引腳，接入電路時要認(rèn)真對照說明書選擇正確的陰陽極引腳。

（4）用遙控器控制光源變化時，要注意選擇合適的遙控距離。

參考文獻(xiàn)：

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[2]李松嶺，李明雪.光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)分析與成功改進(jìn)[J].物理教師，2015，36（4）：52-54.

[3]王林香.光電效應(yīng)伏安特性實(shí)驗(yàn)改進(jìn)研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2016，29（1）：60-62.

（欄目編輯? ? 王柏廬）