基于數(shù)字傳感器的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

陸光華

(南京師范大學(xué)蘇州實(shí)驗(yàn)學(xué)校，江蘇 蘇州 215133)

1 引言

光電效應(yīng)是人教版高中物理教材選修3-5第17章“波粒二象性”,第2節(jié)“科學(xué)的轉(zhuǎn)折:光的粒子性”的難點(diǎn)內(nèi)容.當(dāng)前教與學(xué)中存在著以下現(xiàn)狀:第一,光電效應(yīng)在日常生活中較為少見,學(xué)生對(duì)光電效應(yīng)缺乏必要的感性認(rèn)識(shí);第二,光電效應(yīng)現(xiàn)象不僅內(nèi)容豐富, 而且相應(yīng)的規(guī)律還比較抽象,但由于沒(méi)有現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)器材,大多數(shù)教師不得不采用純理論講解的教學(xué)方式,這就導(dǎo)致教師覺(jué)得難教,學(xué)生更感到難學(xué),例如教材中出現(xiàn)的I-U圖像很多學(xué)生無(wú)法理解,部分學(xué)生只能死記硬背.這種純理論講解的教學(xué)方式,不能體現(xiàn)本學(xué)科以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的特點(diǎn),也不符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律.通過(guò)自制的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置演示該實(shí)驗(yàn),能增強(qiáng)學(xué)生對(duì)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí),大大降低學(xué)生對(duì)光電效應(yīng)規(guī)律理解的難度,同時(shí)將教材的純理論講述變?yōu)橹庇^實(shí)驗(yàn),回歸物理教學(xué)的本源.

2 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖1所示,陰極K和陽(yáng)極A被封閉在真空管內(nèi),在兩極之間加一直流可變電壓,可以對(duì)逸出的光電子加減速,通過(guò)電壓傳感器可測(cè)得光電管兩端所加電壓,電子從陰極K逸出形成的光電流,通過(guò)電路中微電流傳感器測(cè)得.

圖1 原理圖

3 實(shí)驗(yàn)器材

① GD-28光電管(如圖2所示)；② GD-21光電管(如圖3所示)；③ 多圓孔亞克力板一塊(用于固定發(fā)光二極管)；④ 移動(dòng)光具座一個(gè)(含1.5 V干電池3只) ；⑤ 5mmLED發(fā)光二極管(紅色、藍(lán)色、紫色)；⑥ 朗威牌電壓傳感器(量程20 V)；⑦ 朗威牌微電流傳感器(量程5 μA)；⑧ 朗威牌數(shù)據(jù)采集器；⑨ 電位器(5.1 kΩ)一只；⑩ USB連接線；電腦一臺(tái)(裝有DISLab 6.9)；低壓直流電源一臺(tái)；方形塑料盒(前端開有小孔)；電鍵；黑色膠帶；LED發(fā)光二極管針座線.

圖2 GD-28光電管

圖3 GD-21光電管

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置

4 實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 按圖4連接好實(shí)驗(yàn)電路,電鍵K處于斷開狀態(tài),在方形塑料盒中接入GD-28光電管,用黑色膠帶遮住方形塑料盒的小孔.通過(guò)USB連接線連接電腦和數(shù)據(jù)采集器,打開朗威“通用軟件”,調(diào)節(jié)電位器,當(dāng)電位器滑動(dòng)端處于中間位置時(shí),將軟件中電壓與微電流傳感器讀數(shù)調(diào)零.

(2) 閉合電鍵K,在沒(méi)有光照光電管的情況下,調(diào)節(jié)電位器,給光電管加上正向電壓,觀察隨著正向電壓的增大,微電流傳感器的讀數(shù)情況.

(3) 把藍(lán)色LED發(fā)光二極管插到針座上,在亞克力板上選擇合適的圓孔,使得發(fā)光二極管正對(duì)著方形塑料盒的小孔,然后把二極管固定好.取下遮在小孔上的黑色膠帶,用藍(lán)色發(fā)光二極管照射光電管,調(diào)節(jié)電位器,逐漸增大光電管上的正向電壓,觀察微電流傳感器的讀數(shù)的變化情況;調(diào)節(jié)電位器,改在光電管兩端加上反向電壓,逐漸增大反向電壓,再次觀察.

(4) 用藍(lán)光照射光電管,打開朗威“通用軟件”中“計(jì)算表格”設(shè)定記錄時(shí)間間隔0.2s,點(diǎn)擊“自動(dòng)記錄”中“開始”按鈕,同時(shí)調(diào)節(jié)電位器,當(dāng)電位器從一端調(diào)節(jié)到另一端(或者加正向電壓時(shí)光電流已經(jīng)飽和,反向電壓時(shí)光電流已經(jīng)為零)時(shí),點(diǎn)擊“結(jié)束”.點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)分析”中的“繪圖”,以光電管所加電壓U為橫坐標(biāo),以電流I為縱坐標(biāo),繪出I-U圖像.為了與后續(xù)研究作對(duì)比,在軟件“組合圖線”中點(diǎn)擊“鎖定”.

(5) 移動(dòng)導(dǎo)軌使發(fā)光二極管靠近方形塑料盒小孔,再次進(jìn)行(4)的操作.

(6) 換用紫光再次完成(4)的操作.

(7) 改變光強(qiáng)、光照時(shí)間,研究用波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅光照射光電管,觀察能否產(chǎn)生光電效應(yīng).

(8) 換用GD-21光電管再次進(jìn)行步驟(3)～(6)的操作.

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

以下是實(shí)驗(yàn)的部分?jǐn)?shù)據(jù)(如表1).

表1 部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

續(xù)表

注:限于篇幅,數(shù)據(jù)有刪減

6 實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論

(1) 4(2)的操作目的是通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)光電管中沒(méi)有自由電荷,并得結(jié)論1:沒(méi)有光照的情況下,增大加速電壓也沒(méi)有光電流產(chǎn)生.

(2) 4(3)操作是讓學(xué)生通過(guò)觀察電壓、微電流傳感器讀數(shù)初步了解光電效應(yīng)的規(guī)律,明確飽和電流與遏止電壓的概念,并得結(jié)論2:正向電壓越大,光電流越大;反向電壓越大,光電流越小;存在飽和光電流和遏止電壓.

(3) 4(4)～(6)操作所得數(shù)據(jù)再利用DIS軟件繪圖工具可得出如圖5所示的I-U圖像,通過(guò)圖像的對(duì)比分析加深學(xué)生對(duì)規(guī)律的理解,攻克教材上I-U圖像的難點(diǎn).圖5中B處為藍(lán)光的反向遏止電壓,A處為紫光反向遏止電壓,由此得出結(jié)論3: 入射光越強(qiáng),飽和電流也越大;反向遏止電壓與光強(qiáng)度無(wú)關(guān),與光的頻率(波長(zhǎng))有關(guān),光的頻率越高(波長(zhǎng)越短)反向遏止電壓越大.

圖5 GD-28所得I-U圖像

(4) 有了前面的實(shí)驗(yàn)研究學(xué)生可能會(huì)誤認(rèn)為,任何光照射光電管都能產(chǎn)生光電效應(yīng),為此設(shè)計(jì)了4(7)目的是讓學(xué)生明白如果光的波長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)(頻率過(guò)低),無(wú)論光多么強(qiáng),照射時(shí)間多么長(zhǎng),都不能產(chǎn)生光電效應(yīng),從而得結(jié)論:光電效應(yīng)現(xiàn)象中存在截止頻率(極限波長(zhǎng)).

(5) 由4(5)、4(8)操作所得數(shù)據(jù)再利用DIS軟件繪圖工具可得出如圖6所示的I-U圖像,D處為GD-28光電管藍(lán)光照射下的反向遏止電壓,而考慮到GD-21光電管陽(yáng)極電流等因素的影響,C處為其藍(lán)光照射下反向遏止電壓.由此得結(jié)論5:頻率相同的藍(lán)光照射GD-21與GD-28光電管,GD-21光電管的反向遏止電壓更大,說(shuō)明其逸出光電子的最大初動(dòng)能更大,其陰極材料逸出功較GD-28要小.

圖6 GD-21與GD-28實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖

7 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

(1) 實(shí)驗(yàn)中要注意控制好所加電壓以及光源與光電管的距離以確保傳感器不超過(guò)量程.

(2) 實(shí)踐表明,采用頻率較高,強(qiáng)度較大的光源照射光電管,所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及由此得出的I-U圖像較為理想.這主要是因?yàn)閭鞲衅鬏^為靈敏,容易受外界影響,所得圖像會(huì)出現(xiàn)波動(dòng).如果光電效應(yīng)中光源的頻率高、強(qiáng)度大會(huì)產(chǎn)生較大的光電流,那么就能有效減小波動(dòng)引起的相對(duì)誤差,繪制出的圖像也較為平滑.本實(shí)驗(yàn)采用頻率高、強(qiáng)度大的藍(lán)光和紫光進(jìn)行研究也正是鑒于以上原因.

(3) 本實(shí)驗(yàn)所用電位器,帶有中心抽頭,這種電位器的優(yōu)勢(shì)在于把光電管一端與電位器中間固定相連,滑動(dòng)端與光電管另一端相連,在電位器調(diào)節(jié)過(guò)程中能一次性實(shí)現(xiàn)從正向電壓到反向電壓.

(4) 本實(shí)驗(yàn)所使用的GD-28光電管其極限波長(zhǎng)較長(zhǎng),達(dá)670nm,普通的紅色發(fā)光二極管發(fā)出的紅光也能使之產(chǎn)生光電效應(yīng)現(xiàn)象,而本實(shí)驗(yàn)所用發(fā)光二極管是特制二極管,其發(fā)光波長(zhǎng)范圍很窄,可以近似看作單色光.實(shí)驗(yàn)4(7)中所使用紅光其波長(zhǎng)范圍約800～805nm,我們通過(guò)肉眼觀察可以發(fā)現(xiàn)它發(fā)出“微弱”的紅光(其實(shí)是因?yàn)槠洳ㄩL(zhǎng)較長(zhǎng)而已),利用這種紅光照射GD-28光電管,不能產(chǎn)生光電效應(yīng)現(xiàn)象.另外,本實(shí)驗(yàn)也可用普通紅外管做實(shí)驗(yàn),其發(fā)出的紅外線肉眼并不能看見,但是通過(guò)攝像頭可以觀察到.

(5)光電管的透光玻璃要正對(duì)著放置光電管盒子的小孔,放置光電管的盒子要深一些,光電管放置在盒子的最里面,以保證實(shí)驗(yàn)中盡可能少的自然光通過(guò)漫反射照射到光電管上.

8 實(shí)驗(yàn)誤差分析

(1) 暗電流和本底電流引起的誤差.當(dāng)光電管陰極沒(méi)有受到光線照射時(shí)也會(huì)產(chǎn)生電子流,稱為暗電流.它是由電子的熱運(yùn)動(dòng)和光電管管殼漏電等原因造成的.室內(nèi)各種漫反射光射入光電管造成的光電流稱為本底電流.暗電流和本底電流隨著光電管兩端電壓大小變化而變化.

(2) 陽(yáng)極電流引起的誤差.制作光電管陰極時(shí),陽(yáng)極上也會(huì)被濺射有陰極材料,所以光入射到陽(yáng)極上或由陰極反射到陽(yáng)極上,陽(yáng)極上也有光電子發(fā)射,就形成陽(yáng)極電流.由于暗電流、本底電流以及陽(yáng)極電流的存在,使得I-U曲線較理論曲線下移,比如本實(shí)驗(yàn)圖6中藍(lán)光照射GD-21光電管.

(3) 人為操作引起的誤差.在利用測(cè)得的電壓和電流作圖時(shí),所作圖像是一個(gè)較為復(fù)雜的曲線,但是手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器獲得數(shù)據(jù)時(shí),很難做到圖像拐點(diǎn)處數(shù)據(jù)多.

(4) 其他因素引起的誤差.主要包括實(shí)驗(yàn)室的光照條件、溫度、濕度、試驗(yàn)儀器的精度與狀態(tài)等.如光電管長(zhǎng)時(shí)間工作或是強(qiáng)光照射,陰極發(fā)射體容易疲勞,靈敏度會(huì)降低,從而影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)果;電位器調(diào)節(jié)過(guò)程中由于滑動(dòng)端與電阻絲線圈間接觸會(huì)導(dǎo)致其可靠性差,動(dòng)態(tài)特性不好;光電效應(yīng)中產(chǎn)生的光電流微弱,用微電流傳感器測(cè)量時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)還不是很精確.

9 實(shí)驗(yàn)不足與后續(xù)研究設(shè)想

(1) 本實(shí)驗(yàn)中研究?jī)煞N不同型號(hào)的光電管,為此在第一次研究GD-28光電管結(jié)束后,需要打開放置光電管的盒子,接入GD-21光電管,實(shí)驗(yàn)操作較為繁瑣.

(2) 目前市場(chǎng)上光電管型號(hào)較少,本實(shí)驗(yàn)僅僅是研究了GD-28、GD-21兩種型號(hào)的光電管特性,今后我們將到市場(chǎng)上尋找不同材料的光電管,進(jìn)行實(shí)驗(yàn),豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)說(shuō)服力.