光电效应演示实验的难点分析与成功改进＊

李松岭 李明雪

（1.江苏师范大学教师教育学院，物理与电子工程学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学理学院，江苏 徐州 221008）

1 光电效应

照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出，这种现象称为光电效应（Photoelectric effect）.

2 教材中光电效应演示实验的装置与实验方法

用来演示光电效应现象的实验称为光电效应实验.光电效应演示实验是大学物理和高中物理的一个重点演示实验，重点在于光电效应演示实验是显示光电效应现象的经典实验；光电效应演示实验也是一个难点实验，难点在于这个演示实验很难做成功.教材中的实验装置和实验方法如图1和图2所示.［1－2］

图1

图2

从理论上讲，把一块锌板连接在验电器上，用紫外光灯照射锌板，锌板中的电子吸收光子的能量超出逸出功后会从锌板表面逸出，锌板失去电子带正电，与锌板连接的验电器指针就会张开.但按教材中图1和图2所示装置与实验方法做光电效应演示实验，打开紫外光灯照射锌板，不论紫外光灯照射锌板多长时间，与锌板连接的验电器指针并不会张开，这个演示实验很难做成功.［3］所以，在实际物理教学中，大部分教师都不真实地去做光电效应演示实验，而只是在黑板上画图讲解光电效应或用课件来模拟光电效应演示实验.

在实际物理教学中，因为光电效应演示实验很难做成功就形成了一个实验难点，光电效应演示实验做不成功就给光电效应教学带来了困难，成为一个教学难题，一直影响着光电效应教学的效果和质量.对光电效应演示实验的难点进行分析并对其进行成功改进非常重要和必要.

3 教材中光电效应演示实验做不成功的原因分析

物理教材中光电效应演示实验做不成功的原因分析如图3所示.

图3

当紫外光灯照射锌板时，锌板中的电子吸收光子的能量超出逸出功后会从锌板表面逸出，锌板失去电子带正电，带正电的锌板本身就会产生电场E1，而电场E1会对逸出去的电子产生吸引作用，会阻碍电子的继续逸出.有的电子逸出去，有的逸出去的电子又被锌板吸引回来，随着锌板带正电的电量越多，锌板产生的电场就越强，锌板吸引逸出电子的能力也就越强，很快就达到了电子逸出动态平衡，锌板带正电的量不会再增加，其电势达不到一般教学实验室中的验电器能够较为明显的检测到的电势差.所以，不论用紫外光灯照射锌板多长时间，与锌板连接的验电器指针都不会张开，用教材中光电效应实验方案与实验方法是很难做成功光电效应演示实验的.

4 光电效应实验的成功改进

光电效应演示实验成功改进的主要思路：在锌板附近加一个强于锌板本身产生电场E1的附加电场E2，促进电子逸出后远离锌板不再回到锌板上，打破电子逸出动态平衡.当紫外光灯照射锌板时，锌板中的电子吸收光子的能量超出逸出功从锌板表面逸出后，远离锌板不再回到锌板上，随着紫外光灯的持续照射锌板，会持续有电子从锌板逸出，使锌板上的电势继续升高，就能使与锌板连接的验电器指针张开明显的角度，使光电效应实验成功演示.

4.1 光电效应演示实验成功改进方案之一：用带正电的金属板附加电场

用带正电的金属板给逸出的负电荷附加电场吸引锌板逸出的负电荷，如图4所示.

图4

用手摇起电机给金属板带正电，带正电的金属板在电子逸出的附近产生了较强的附加电场E2，附加电场E2比带正电的锌板产生的电场E1强.当紫外光灯照射锌板时，锌板中的电子吸收光子的能量超出逸出功从锌板表面逸出后就被带正电的金属板吸引，不再回到锌板上.随着紫外光灯的持续照射锌板，不断有电子从锌板逸出，使锌板上的电势继续升高，可使与锌板连接的验电器指针张开明显的角度，可成功演示光电效应实验.

在光电效应实验中，可能学生会误认为与锌板连接的验电器指针张开明显的角度不是光电效应的作用，而是由于带正电的金属板产生电场的直接作用.为此，可对上述实验再做如下改进，在紫外光灯旁再放一个白炽灯，以作对比实验，如图5所示.

图5

用对比实验法，打开白炽灯，关闭紫外光灯，启动手摇起电机给金属板带正电.当白炽灯光照射锌板时，无论照射多长时间，都观察不到与锌板连接的验电器指针张开，没有发生光电效应现象（因白炽灯发出光的频率低于发生光电效应的截止频率）.说明带正电的金属板产生的电场不会使验电器指针张开.关闭白炽灯，打开紫外光灯，就可以明显地观察到连接锌板的验电器指针张开比较大的角度.说明紫外光照射到锌板，能使锌板中的电子从锌板表面逸出，锌板带正电，这种现象就是光电效应.通过对比实验法，可成功演示光电效应实验.

4.2 光电效应演示实验成功改进方案之二：用带正电的有机玻璃棒附加电场

用带正电的有机玻璃棒在锌板逸出电子的附近附加电场吸引逸出的电子，如图6所示.

图6

虽然用手摇起电机给金属板带正电在锌板逸出电子的附近产生较强的附加电场，可成功演示光电效应实验，但是，实验器材不够简捷.可以用丝绸摩擦有机玻璃棒，机玻璃棒带正电，带正电的有机玻璃棒也会产生较强的电场.打开紫光灯，把带正电的有机玻璃棒放在锌板逸出负电荷的附近也可以吸引从锌板逸出的电子，使锌板上逸出的电子远离锌板，随着紫外光灯的持续照射锌板，不断有电子从锌板逸出，使锌板上的电势持续升高，可观察到与锌板连接的验电器的指针有较大的张角，更加简捷地演示了光电效应实验.

4.3 光电效应演示实验成功改进方案之三：利用废旧电池外壳锌皮替代锌板，用细塑料丝和筷子做验电羽，用带正电的透明塑料尺附加电场，用太阳光替代紫外灯的紫外光

当学校缺少锌板、紫外光灯和验电器等实验器材时，可用生活中常见的物品来成功演示光电效应实验.利用废旧电池外壳锌皮替代锌板，用细塑料丝和筷子做验电羽替代验电器，用带正电的塑料尺给从锌板逸出的电子附加电场吸引逸出的电子，用太阳光替代紫外光灯发出的紫外光（随着臭氧层遭到破坏，太阳光中的紫外光越来越强，为做光电效应实验提供了有利条件），如图7所示.

图7

第一步：把废旧电池的外壳锌皮剥下洗净，用剪刀把洗净的废旧电池的外壳锌皮剪成椭圆形状，用砂纸把锌皮外表的氧化层彻底打磨掉；第二步：用细塑料丝和筷子做一个验电羽（如图7所示），用导线把验电羽与加工好的锌皮连接好；第三步：把实验装置放在太阳光下；第四步：用塑料布与透明塑料尺摩擦（因塑料布与透明塑料尺在生活中随手都可以找到），一般情况下透明塑料尺带正电，把带正电的透明塑料尺放在锌板逸出电子的附近.当太阳光中的紫外光照射锌皮时，锌皮中的电子吸收光子的能量超出逸出功后从锌皮表面逸出，被带正电的透明塑料尺产生的附加电场吸引.随着太阳光中紫外光的持续照射，不断有电子从锌皮逸出，使锌皮上的电势持续升高，能够观察到与锌皮连接的验电羽明显散开，更加简便成功地演示了光电效应实验.

太阳光中含有较强的紫外光，故可用太阳光替代紫外光灯，实验证明用太阳光完全可以做光电效应实验；锌板比较难找到，可以用废旧电池外壳的锌皮替代锌板；为了防止“尖端放电”的发生，可将锌皮剪成椭圆形；用自制验电羽替代验电器，更便于学生自己实验.

要确保光电效应演示实验成功，除了要打破电子逸出动态平衡，还要注意以下几点：（1）由于锌板表面的氧化层会严重影响实验效果，所以，在每一次做实验时都一定要用砂纸把接收紫外光照射的锌板表面打磨，把氧化层彻底打磨掉，让新的锌面接收紫外光照射，这一点特别重要；（2）要保持锌板和导线连接等处的外形要圆滑，不要有尖端和毛刺，以免发生尖端放电影响实验效果；（3）要确保锌板、导线连接、验电器和验电羽等与实验桌面保持高度绝缘，可用有机玻璃或泡沫海绵作绝缘层；（4）要试验调节好带正电的金属板、带正电的有机玻璃棒、带正电的透明塑料尺等与锌板间的位置和距离，既要给从锌板逸出的电子加上较强的电场，又要防止它们与锌板间发生放电；（5）紫外光对眼睛的伤害比较大，所以要用玻璃板对能照射到眼睛的紫外光进行遮挡.［4］

通过以上的分析和改进，把很难做成功的光电效应演示实验成功改进成既能确保实验成功，又能随手取材简便易行的演示实验和学生小实验，切实解决了一个物理实验难点和物理教学难题，具有很大的教学推广和应用价值.

1 付茂林，彭志华.大学物理（下册）［M］.北京：高等教育出版社，2009：177.

2 张大昌.普通高中课程标准教科书（物理）3-5［M］.北京：人民教育出版社，2005：32.

3 朱建华.光电效应实验的改进［J］.太原大学教育学院学报，2012（1）.

4 李志武.光电效应演示实验几种方案的比较［J］.物理通报，2011（4）.