利用自制教具探究光电效应的实验规律

陈金贵 陈剑峰

(1. 莆田第四中学,福建 莆田 351100; 2. 莆田第二中学,福建 莆田 351131)

1 背景

图1 传统光电效应实验器

“光电效应”是鲁科版高中物理3-5第5章第1节的内容,作为量子理论的入门,其涉及量子物理最基础的内容[1],同时,还有着厚重的物理学科文化积淀,有物理学史、科学方法[2]、辩证唯物主义思想、创新意识等人文精神教育的题材．光电效应的规律一直是教学的重难点,规律本身十分抽象难懂,而教材对此介绍颇略．课堂上教师大多采用J2517光电效应演示器进行演示(如图1),实践发现其存在如下不足.

(1) 电路仅提供正向电压,无法测量遏止电压.

(2) 指针式电表无法演示光电效应的瞬时性.

(3) 滤光片采用普通塑料材料,效果差.

(4) 遮光罩套在光源上,外界光线对实验影响非常大．

基于以上问题,大多教师只能采用灌输知识后通过练习强化知识点,学生被动接受,学习效率低．鉴于此,笔者对装置进行改进,改进后的装置能全面探究光电效应规律,很好地突破教学中的重难点．

2 自制光电效应实验装置

(1) 材料.

GD32光电倍增管、无级调光调色智能LED灯泡、微安表头(-50 μA～50 μA，0.001 μA每秒刷新23次)、电压表头(-20 V～200 V，0.1 V/0.001 V)、3D打印可变透光面积的套筒、有机玻璃板、5 k电位器、开关、导线.

(2) 制作过程.

① 利用CAD制图.

利用CAD绘制装置面板和遮挡部分电路白板(如图2),用激光雕刻机在白色有机玻璃板上裁样．

图2 实验面板

图3 3D设计可变透光套筒

② 3D设计可变透光面积的套筒(如图3).

内筒: 将底面外径40 mm、高70 mm的空心圆柱的侧面开一长方形透光口(长40 mm，宽13 mm).

外筒: 在底面内径40.5 mm、高75 mm的空心圆柱侧面开4个面积倍增的透光孔将外筒套在内筒上,旋转外筒,可通过改变透光面积来改变光强．

③ 组装原件．

图4 自制光电效应实验装置实物图

分别将GD32光电倍增管、LED光源、微安表头、电压表头、3D打印带可变透光面积的套筒、5k电位器、开关、导线安装在面板上相应位置,按电路图连接好电路,效果如图4．

3 实验过程

3.1 探究光电效应的“瞬时性”

图5 探究光电效应的“瞬时性”

(1) 实验步骤.

① 利用遮电路白板将部分电路遮住,如图5.

② 旋转外筒为全遮光模式(内开口正对外筒两孔之间,内筒开口被外筒全遮挡).

③ 闭合LED灯泡的开关,利用APP调为白光.

④ 快速旋转外筒为透光模式(外筒透光孔正对内筒透光口),反复操作对光电管进行有光照和无光照控制,观察电流表的示数变化．

(2) 实验数据.

表1 光电效应的瞬时性实验数据

(3) 实验结论.

当透光孔全遮,光电流立即减为0;快速调到通光,电流表示数立即恢复原值．即光电效应具有瞬时性．

3.2 探究光电效应的“截止频率”

(1) 实验步骤.

① 利用遮电路白板将部分电路遮住,如图5.

② 旋转外筒为透光遮光模式(内开口正对外筒开孔).

③ 利用APP调节LED光源的发光颜色(保持透光孔大小不变,从红光调到蓝光),记录不同的色光对应的电流表示数(光电流没出现时,调大亮度,增加光照时间).

(2) 实验数据.

表2 探究光电效应的“截止频率”实验数据

(3) 实验结论.

光电效应产生与频率有关,与光强和光照时间无关;存在“截止频率”．

3.3 探究饱和光电流大小的影响因素

(1) 实验步骤.

① 拆掉遮电路板块,旋转透光外筒,让光线从开孔面积为1.5S孔射入(灯泡的光强一定,光照度与开孔面积成正比,此时光照度为1.5E).

② 利用手机APP将LED灯光调至黄光.

③ 不断增加稳压电源提供的正向电压,分别记录正向电压与光电流值.

④ 旋转外筒,分别让光线从面积为2S、2.5S的孔射入(对应的光照度为2E、2.5E),重复以上步骤,采集数据.

⑤ 再次旋转外筒,让光线从面积为1.5S的孔射入,利用手机APP分别将灯炮色光调成绿光和蓝光,重复以上操作,采集数据．

(2) 实验数据.

图6 不同光照度的光电流实验数据

图7 黄光饱和光电流与光照度的关系数据

图8 不同色光电流实验数据

(3) 实验结论.

存在饱和光电流,其大小与频率有关,(光照度一定时)频率越高,饱和光电流越大;当频率一定时,饱和光电流与光照度成正比．

3.4 探究遏止电压的影响因素

(1) 实验步骤.

① 旋转透光外筒,让光线从面积为1.5S孔射入.

② 利用手机APP将LED灯光调至蓝光,记录光电流值.

③ 不断增加反向电压大小,分别记录反向电压与光电流值.

④ 旋转外筒,分别让光线从面积为2S、2.5S的孔射入,重复习以上步骤,采集数据.

⑤ 再次旋转外筒,让光线从面积为2S的孔射入,利用手机APP分别将灯泡的色光调成黄光和绿光,重复以上操作,采集数据.

(2) 实验数据.

图9 蓝光光电流与反向电压实验数据

图10 不同色光光电流与反向电压实验数据

(3) 实验结论.

遏止电压与光照度大小无关,与入射光的频率有关．当光照度一定时,频率越大,遏止电压越大,光电子的最大初动能越大．

4 结束语

通过自制的光电效应演示装置全面、量化完成光电效应各项规律的探究,很好地突破了光电效应教学中的教学难点．通过探究式教学,激发学生学习的欲望,培养物理学科特征的品质,最终内化成适应个人的终身学习和社会发展所需要的核心素养．[3]