运用自制教具探究光电管中光电流的伏安特性

郭兴华

摘   要：笔者利用光电管自制光电效应实验装置，定量、直观、快捷地获得光电流随电压变化的数据，并利用Excel表格处理实验数据，从而帮助学生深度学习和理解光电流的伏安特性曲线。

关键词：自制教具;光电流;伏安特性

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2020）8-0046-2

1    制作背景

光电效应实验现象和规律是人们认识光的粒子性与提出光子说的重要基础，是高中近代物理教学的重点和难点。突破这一教学难点关键是做好光电效应实验规律的演示，由于实验室缺少现成的实验器材，教师讲解费时费力，学生学习单调抽象，教学效果不好。笔者自制了教具，大胆创新，用实验直观展示物理现象，从而激发了学生的学习兴趣，培养了学生的创新能力。

2    制作过程

2.1    实验器材

GD-28光电管（响应波长范围300 nm～670 nm，如图1）、智能七彩灯泡（可调任意颜色可见光、可调入射光强度，如图2）、可调稳压直流电源（可替代滑动变阻器与电压表功能，如图3）、微安表、开关、导线。

2.2     制作步骤

（1）将七彩灯泡和开关安装在小木板上，然后再固定在大木板的侧面，光源灯泡连接220 V交流电。

（2）绘制探究光电流规律的实验电路图，并将图纸粘贴在可竖直放置的大木板上。

（3）按照图4中元件位置依次固定光电管、微安表与可调稳压直流电源。为了减少外界光对实验的影响，将光电管放置在一个纸盒内，将其侧面开口与灯泡正对。

（4）用导线连接好各个元件，注意光电管的阴阳极与电路电源正负极、电表接线柱正负相匹配。（如图4）

3    实验过程

3.1    探究光电流与正向电压间的关系

用摄像头将微安表的表盘投影在屏幕上，关闭教室前排的灯。用弱黄光照射光电管，这时观察到微安表的示数为0.25 A。这个电流称为光电流。调节直流电源的电压旋钮，逐渐增大加在光电管两端的电压，可以观察到微安表的示数逐渐变大。但是，当电压增大到24 V时，这时电流达到了最大值1.1 A。我们把这个电流称为饱和光电流。（见表1）

实验结论：这说明从K极发射的光电子已经全部被A极接收了，光电流达到了最大值。

3.2    探究饱和光电流与入射光强度的关系

保持入射光的频率不变，增加入射光的强度，用强黄光照射光电管。这时观察到微安表的示数为0.5 A。逐渐增大光电管两端的电压，观察到微安表的示数逐渐增大到2 A时就不再继续增大。（见表1）

实验结论：这说明对于同种频率的入射光，光强越强，单位时间内发射的光子个数越多，对应的光电子个数就越多，所以饱和光电流就越大。

在Excel表格中，输入电压和电流的数据值，利用图像拟合，即可得出在加正向电压时，饱和光电流与电压之间的关系。（如图5）

3.3    探究反向电压与入射光强度的关系

（1）将电源输入端的正负极反接，先不打开电源。用弱黄光照射光电管，这时光电流值为0.25 A，这说明从阴极射出的光电子具有初速度与初动能。打开电源，调节电压旋钮，增大反向电压值，观察到光电流逐渐减小。这说明一部分初动能比较小的光电子在电场力的作用下，返回到K极，无法到达A极。继续增大电压值，当电压增大到0.33 V时，光电流减为0 A。这个电压称为遏止电压。（见表2）

（2）用遥控器调节入射光的强度，改用强黄光照射光电管，重复上一步的实验操作，发现当反向电压增加到0.35 V时，光电流减小到0 A。（见表2）

实验结论：这说明遏止电压的大小与入射光的强度无关。

3.4    探究反向电压与入射光频率的关系

用蓝光照射光电管，分别测出光电流减小为0 A时，反向电压的值为0.68 V。（见表2）

实验结论：入射光的频率越大，光电子的最大初动能越大。

在Excel表格中，输入电压和電流的数据值，利用图像拟合，即可得出在加反向电压时，光电流与电压之间的关系。（如图6）

4    实验注意事项

（1）进行实验时，应尽量减少外界杂光照射到光电管，以减小实验干扰。

（2）探究饱和光电流与入射光强度的关系时，光强要适中，否则电流值会超过微安表的量程。

（3）GD-28光电管有八个引脚，接入电路时要认真对照说明书选择正确的阴阳极引脚。

（4）用遥控器控制光源变化时，要注意选择合适的遥控距离。

参考文献：

[1]康良溪.光电效应规律实验的研究[J]. 物理通报，2013（2）：59-62.

[2]李松岭，李明雪.光电效应演示实验的难点分析与成功改进[J].物理教师，2015，36（4）：52-54.

[3]王林香.光电效应伏安特性实验改进研究[J].大学物理实验，2016，29（1）：60-62.

（栏目编辑    王柏庐）