光電效應(yīng)規(guī)律演示儀的制作

摘" "要：對(duì)于教師和學(xué)生來(lái)說(shuō)，光電效應(yīng)規(guī)律的教與學(xué)一直都是重難點(diǎn)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置現(xiàn)象不明顯，學(xué)生難以參與。詳細(xì)介紹了基于儀征ＧＤ－２Ａ光電管，利用智能燈泡、平板軟件和數(shù)字電表制作的光電效應(yīng)規(guī)律演示儀。此裝置比起傳統(tǒng)教具具有可視化強(qiáng)、數(shù)字化、定量化、可拆卸等優(yōu)點(diǎn)，有利于教師教學(xué)的開展，同時(shí)降低了學(xué)生對(duì)于光電效應(yīng)規(guī)律的理解難度，有利于培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，對(duì)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供一些參考。

關(guān)鍵詞：光電效應(yīng)；物理實(shí)驗(yàn)；演示儀

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " " 文章編號(hào)：1003-6148（2025）2-0061-4

“光電效應(yīng)”是高中物理選擇性必修三的重要內(nèi)容，是學(xué)習(xí)光的波動(dòng)性與粒子性的基礎(chǔ)。在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（２０１７ 年版 ２０２０ 年修訂）》的內(nèi)容要求中，明確提出要通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解光電效應(yīng)現(xiàn)象［１］。但在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，教師很少在這一節(jié)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)或使用的都是比較傳統(tǒng)的儀器，而市面上傳統(tǒng)的光電效應(yīng)演示儀大多都是利用滑動(dòng)變阻器改變接入電路中的電阻來(lái)改變電壓［２］，通過(guò)改變光罩上出射孔的數(shù)目或大小來(lái)改變?nèi)肷涔獾膹?qiáng)度，用不同的濾色片來(lái)改變?nèi)肷涔獾念l率［３］，或使用遙控彩光燈泡作為光源［４］，利用指針式電壓表、電流表測(cè)得數(shù)據(jù)。操作略微繁雜，不能定量探究規(guī)律，可視性不強(qiáng)，學(xué)生難以理解其真實(shí)原理。而光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)不同顏色的光照射光電管時(shí)所產(chǎn)生的光電流不同［５］。為了解決上述問(wèn)題，本文利用智能可調(diào)燈泡，配合平板控制軟件和數(shù)字電表，自制了光電效應(yīng)規(guī)律演示儀，不僅簡(jiǎn)化了教材中的分壓電路，并且等效，也可連續(xù)調(diào)節(jié)光強(qiáng)和頻率，實(shí)現(xiàn)了定性與定量探究規(guī)律，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的可操作性。

１" " 設(shè)計(jì)思路

為更好地輔助教師進(jìn)行光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，幫助學(xué)生通過(guò)親身體驗(yàn)更好地理解光電效應(yīng)規(guī)律，本教具需要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（１）可拆卸，方便攜帶與安裝。

（２）數(shù)字化顯示，方便直觀觀察并讀取數(shù)據(jù)，定量化探究規(guī)律。

（３）可直接調(diào)節(jié)電壓與光的頻率和強(qiáng)度，操作性強(qiáng)，學(xué)生可參與。

為了實(shí)現(xiàn)以上功能，本儀器采用智能可調(diào)燈泡作為光源，通過(guò)軟件可以實(shí)現(xiàn)在平板控制界面隨意調(diào)節(jié)光的顏色和強(qiáng)度，同時(shí)電壓表也選用數(shù)字化直流可調(diào)電源，方便調(diào)節(jié)讀取電壓值，數(shù)顯微安表也實(shí)現(xiàn)了同步讀取電流值。

２" " 原理與制作

２．１" " 實(shí)驗(yàn)原理

本儀器主要用到光電管，它是利用光電效應(yīng)制成的一種常見(jiàn)的光電器件，可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。光電管主要由密封在真空玻璃殼內(nèi)的陰極和陽(yáng)極組成，陰極表面通常涂有堿金屬，如鋰、銫等堿金屬，對(duì)電子的束縛能力比較弱，所以比較容易在光的照射下發(fā)射電子，被陽(yáng)極收集，在回路中形成電流，稱為光電流［６］。同時(shí)，將電源接線柱反接，陰極發(fā)射的光電子受到反向電壓Ｕ減速，阻礙光電子的行動(dòng)。

本儀器的電路原理如圖１所示，在人教版教材給出的原理圖上稍作修改。電源采用數(shù)字化可調(diào)直流學(xué)生電源，簡(jiǎn)化了原來(lái)教材中的分壓電路，與光電管和微安表串聯(lián)，通過(guò)平板控制界面改變?nèi)肷涔獾膹?qiáng)度、頻率。設(shè)計(jì)示意圖如圖２所示。

２．２" " 制作方法

實(shí)驗(yàn)儀器如圖3所示。

（１）光電管和遮光罩部分（圖4），光電管選用儀征ＧＤ－２Ａ型號(hào)，用于發(fā)生光電效應(yīng)。為了便于保護(hù)和展示光電管、燈泡，避免外界光源對(duì)光電管的影響，在其外圍用4塊ＰＶＣ板裝訂成遮光罩，用螺絲釘固定，便于拆卸；前面分別用黑色和透明的亞克力板加上鋁合金軌道做了一個(gè)可移動(dòng)的推拉門，將光電管和燈泡穿過(guò)ＰＶＣ板，將遮光罩與ＰＶＣ板用螺絲固定。

（２）電源和微安表部分，電源選用量程為３０ Ｖ的直流可調(diào)學(xué)生電源（圖5），同時(shí)帶有屏幕顯示，更加直觀。測(cè)量電流選用量程為１００ μA的超小型數(shù)字直流電流表，精度為０．１ μA，能夠較為準(zhǔn)確地測(cè)量電流，便于觀察。將電源、電流表鑲嵌在ＰＶＣ板上，用導(dǎo)線連接將其與光電管串聯(lián)，電流表外接５ Ｖ鋰電池供電 。

（３）燈泡和平板軟件部分，光源部分選用功率為９ Ｗ的智能彩色氛圍燈泡，配備ｅ２７螺口燈座開關(guān)，鑲嵌在ＰＶＣ板上，在ＰＶＣ底座上粘連2塊相隔1 cm的透明亞克力板，形成的凹槽用來(lái)放置平板。

３" " 實(shí)驗(yàn)演示

該實(shí)驗(yàn)儀器可用于探究截止頻率、飽和電流、遏止電壓等光電效應(yīng)的規(guī)律，具體實(shí)驗(yàn)操作如下。

３．１" " 演示截止頻率

接通燈泡電源，打開平板上相應(yīng)軟件，連接燈泡，在平板控制面板上將燈泡顏色設(shè)置為紅色，亮度為１０％，數(shù)字電流表示數(shù)為０（圖6）；保持顏色不變，增大亮度為３０％，電流表示數(shù)還是為0（圖7）。將顏色調(diào)至其他顏色（如藍(lán)色），電流表有相應(yīng)示數(shù)（圖8），證明只有當(dāng)入射光的頻率大于陰極材料的截止頻率時(shí)，才能發(fā)生光電效應(yīng)。

３．２" " 演示飽和光電流

接通燈泡電源，打開平板上的相應(yīng)軟件，連接燈泡，在平板控制面板上選擇除紅色以外的光，選擇合適的亮度（如綠色，亮度４０％），發(fā)現(xiàn)電流表示數(shù)為０．２ μA（圖9）。接通電源，增大電壓，電流表示數(shù)增大，當(dāng)電壓增大到２２．１ Ｖ時(shí)，電流表示數(shù)趨于穩(wěn)定為２．９ μA（圖10）。之后增大電壓，電流不再增大，說(shuō)明電流達(dá)到飽和狀態(tài)。保持綠光不變，增大光的強(qiáng)度（６０％），發(fā)現(xiàn)電流表示數(shù)增大。當(dāng)電壓增大到２７．９ Ｖ時(shí)，電流表示數(shù)趨于穩(wěn)定為５．２ μA（圖11），此時(shí)達(dá)到飽和電流，說(shuō)明在入射光頻率不變的條件下，光的強(qiáng)度越大，飽和光電流越大。

３．３" " 演示遏止電壓

接通燈泡電源，打開平板上的相應(yīng)軟件，連接燈泡，在平板控制面板上選擇合適的顏色與亮度（如黃色、亮度９０％，這里為了使現(xiàn)象更加明顯，推薦將亮度盡可能調(diào)大），此時(shí)電流表示數(shù)為０．６ μA（圖12）。將電源正負(fù)接線柱調(diào)換位置，此時(shí)電壓反向，慢慢向右擰動(dòng)旋鈕（左邊為細(xì)調(diào)旋鈕），使得電流表示數(shù)慢慢減為０，記錄此時(shí)電壓表示數(shù)０．１９ Ｖ（圖13）。將亮度調(diào)到１００％，重復(fù)操作，電壓表示數(shù)不變（圖14），說(shuō)明同一材料對(duì)于一定頻率的光，遏止電壓與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。將電壓歸零，換一個(gè)顏色的光（如藍(lán)色，亮度為９０％），電流表一開始示數(shù)為２．２ μA（圖15），增大反向電壓使電流變?yōu)椋埃藭r(shí)電壓表示數(shù)為０．３１ Ｖ（圖16），亮度增大到１００％后電壓表示數(shù)不變（圖17）。通過(guò)數(shù)據(jù)說(shuō)明不同頻率的光，遏止電壓也不同。

３．４" " 部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與教材對(duì)比圖

將實(shí)驗(yàn)所得部分?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)入Eｘｃｅｌ工具，得到數(shù)據(jù)圖（圖18），再將原點(diǎn)處放大，將橫坐標(biāo)的主要單位設(shè)置為０．４，縱坐標(biāo)的主要單位設(shè)置為５０，得到局部放大圖（圖19）。將其與教材上的插圖進(jìn)行比較（圖20），發(fā)現(xiàn)符合規(guī)律。

４" " 總" 結(jié)

本教具采用一體化設(shè)計(jì)，解決了現(xiàn)有教具無(wú)法同時(shí)為學(xué)生演示截止頻率的短板，較傳統(tǒng)教具有兩大突出優(yōu)勢(shì)：（１）采取了可調(diào)電壓源，簡(jiǎn)化了教材中的分壓電路，并且等效；（２）利用軟件可實(shí)現(xiàn)“連續(xù)”調(diào)節(jié)光強(qiáng)和頻率，增強(qiáng)可視性與操作性。

具有以下教學(xué)意義：（１）利用平板與現(xiàn)代技術(shù)結(jié)合，多彩變化的燈泡可以吸引學(xué)生的注意力，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。（２）用平板控制燈泡的顏色以及亮度，操作簡(jiǎn)單，大大增強(qiáng)了學(xué)生的參與性，學(xué)生親自參與探究能夠更好地理解光電效應(yīng)的規(guī)律。同時(shí)，數(shù)字化顯示的電源與電流表以及燈泡，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的可視性，便于學(xué)生觀察。（３）能夠豐富一線教師的教學(xué)方式，使“光電效應(yīng)”一節(jié)的教學(xué)不再只是抽象講述。

同時(shí)，本儀器還可以搭配單色儀測(cè)得不同光的峰值波長(zhǎng)，可以較為準(zhǔn)確地測(cè)得普朗克常量，以此作為中學(xué)物理的拓展。

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［４］羅春春．可調(diào)節(jié)全譜系可見(jiàn)光新型光電效應(yīng)演示器［Ｊ］． 中學(xué)理科園地，２０１８，１４（５）：４６－４８．

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［６］熊建文．普通高中教科書物理選擇性必修第三冊(cè)［Ｍ］．廣州：廣東教育出版社，２０２０：７６．（欄目編輯" " 劉" "榮）