浅议光电效应演示实验设计策略

冯洪毅

摘 要： 在高中物理选修3-5波粒二象性的教学中，光电效应和光的量子说是关键的一节内容，而在这节中只有先让学生理解光电效应演示实验，才能引导学生进入量子理论学习。光电效应演示实验的设计尤为重要，作者介绍了各种光电效应演示实验设计方案。

关键词： 光电效应 演示实验设计 设计策略

一、光电效应的实验原理和一般设计方案

光电效应现象是指在光的照射下，物体发射电子的现象。如图所示，将锌板与验电器相连，用紫外灯照射锌板，若有电子从锌板上飞离，验电器的张角便会张开。

所以一般我们都是设计一个金属被光照射能打出电子的演示实验，和金属板相连的验电器由于金属板失去电子带上正电，验电器指针偏转，这是让学生最形象地理解光电效应演示实验。这个实验要受到空气的湿度、验电器是否漏电、指针重力偏大等因素的影响，实验很难成功演示；而且这个实验不能直接说明锌板打出了电子使得验电器带正电。但这个实验的优点就是用不同频率的光照射金属，观察光电效应产生的条件，发现金属发生光电效应的截止频率。

二、采用预带电法进行光电效应演示实验

先用毛皮摩擦过的橡胶棒不断接触锌板，让锌板带上负电，和锌板相连的验电器的指针的张角显示出锌板带负电量的情况，然后用紫外灯照射锌板，观察到验电器指针的张角逐渐减小到零，说明紫外光使锌板失去了电子，锌板由带负电变成了不带电的状态。用频率较小的光照射锌板发现验电器指针偏角没有发生变化，以此说明光电效应的产生条件和光子的频率有关。

这种方法简便易行，但容易让学生产生误解：似乎只有带负电的锌板在紫外光的照射下才能产生光电效应。对此，我们要进行一个补充实验，接下来介绍用中和法进行光电效应演示实验。

三、采用中和法进行光电效应演示实验

在验电器上安装一个铜网，用毛皮摩擦过的橡胶棒不断接触铜网，让铜网带上负电，用紫外线直接照射铜网，观察到验电器指针偏角并没有发生变化，说明紫外光不能使铜网发生光电效应。再用丝绸摩擦后的玻璃棒不断接触铜网，让铜网带上正电，用紫外线直接照射铜网，观察到验电器指针偏角也没有发生变化。在铜网后放一块不带电的锌板，紫外光照射到锌板上，发现验电器指针偏角逐渐减小，说明被紫外线照射的锌板发射出电子，打到铜网上中和铜网上的负电。改变光照频率重复实验总结出光电效应产生条件是光子的频率大于或者等于截止频率，每种金属都有固定的逸出功，对应这种金属的截止频率。

四、采用附加电场法进行光电效应演示实验研究光电流和遏止电压

用锌板作为光电管的阴极，当频率足够大的光照射锌板就足以使锌板打出电子，电子在外加正向电场的作用下就可以运动到阳极从而接通电路，观察灵敏电流计的读数就可以判断是否发生光电效应，以此研究光电效应发生的条件。

当我们观察到光电效应现象后调节滑动变阻器增加两极的加速电压，发现在电流较小的时候电流随着加速电压的增大而增大，当电流增大到一定值之后，即使加速电压再增大，电流也不会增大，即达到饱和电流。这说明在一定的光照强度下，单位时间内阴极K发射的光电子数目是一定的，加速电压增加到一定值时，所有光电子都被阳极A吸收，这时即使在增大电压，电流也不会增大。当我们增加光子频率时，光电流大小不发生变化，但我们增加光照强度时，单位时间的光子数增多，单位时间打出的光电子就会增多，光电流就越大。

将加速电压反向，电压变成反向减速电压，并逐渐加大减速电压知道光电流刚好为零，说明光电子刚好不能从阴极到达阳极，我们把这时的减速电压称为遏止电压。当增大光子的频率，我们又发现光电流，进一步加大减速电压，发现光电流再次变为零。这说明光子频率增大，光电子动能增大，遏止电压增大。遏止电压的发现说明光电子的初动能只与光子频率有关，和光照强度、光照时间无关。电子一次性吸收光子能量克服逸出功后剩余的能量转化为电子的动能，因为光子能量只与光子的频率有关，所以电子的初动能也只与光子频率有关，遏止电压也只与光子频率有光。这个现象非常有助于我们对光电方程的理解。

总之，做光电效应的实验，作为一个已经发现并证实的物理规律，我们通过实验去验证这个规律，并让学生从科学家的工作中感受前辈科学探究的执著精神，感受物理是一门实验学科，感受物理实验设计的技巧。