光電效應(yīng)規(guī)律實驗的研究

康良溪

（福建省同安第一中學(xué)，福建 廈門 361100）

1 研究背景

光電效應(yīng)現(xiàn)象及其規(guī)律是人類認(rèn)識光的粒子性和建立光子說的基礎(chǔ).它是高中近代物理的重點教材內(nèi)容.在光電效應(yīng)現(xiàn)象中，光的特性和行為是通過光電流表現(xiàn)出來，它的產(chǎn)生和大小又受到入射光的光譜成分（頻率、強(qiáng)度）、金屬板的材料以及外電場的電壓（正反向和大小）等因素的制約.所以它是近代物理學(xué)教學(xué)中的難點.要突破這一教學(xué)難點，關(guān)鍵在于做好光電效應(yīng)規(guī)律的演示.綜上所述，我們研制了光電效應(yīng)規(guī)律演示儀.

2 儀器裝置實物圖（見圖1）

圖1

3 制作方法

3.1 制作材料

主要材料：GDB－1型光電管、小手電筒、導(dǎo)線、微調(diào)電位器、木板、塑料管等.

外協(xié)材料：鐵架臺，十字夾、試管夾、數(shù)字電流表、數(shù)字電壓表、直流高壓電源，都是實驗室的普通儀器.

3.2 具體制作方法

（1）儀器示教板由GDB－1型光電管、數(shù)字直流電壓表（0～250V）、數(shù)字直流電流表（0～200μA）、微調(diào)電位器、小手電筒（光源）等器件組成.小手電筒對準(zhǔn)光電管K極，由夾子固定在鐵架臺上.示教板再配用250V直流電源供電使用.

（2）制作光電管管罩.作為遮光套筒（如圖2），材料是塑料水管，內(nèi)徑比光電管的粗細(xì)大一些，在遮光套筒側(cè)面打一個孔徑Φ20mm的小孔作為窗口對準(zhǔn)著光電管的極板K.遮光套筒窗口上下粘了一對凹槽，作為透光板的軌道.

圖2

（3）制作透光板（如圖3）.插在光電管的遮光套筒外側(cè)的透光板軌道，可以拖動，制作材料是光滑硬紙板，透光板挖4組透光孔，每個孔徑均為Φ5mm（面積為S），透光板每組孔數(shù)分別為1、2、3、4，面積分別為1S、2S、3S、4S，實驗時依次分別使它對準(zhǔn)光電管的遮光套筒（管罩）側(cè)面的窗口，用它來改變射到光電管陰極上的光通量.儀器示教板電路如圖4.

圖3

圖4

4 實驗方法

4.1 演示“光電流”的產(chǎn)生和“飽和光電流”

（1）在示教板調(diào)節(jié)小手電筒（光源）位置，使它與光電管G的陰極保持一定距離（不變），將有4個透光小孔（面積4S）的這一組透光板插在管罩窗口的透光板軌道，然后接上電源E，調(diào)整電位器R，使電壓表的示數(shù)為零；接著按亮這小手電筒（光源），這時觀察到電流表示數(shù)為0.4μA，為何有這電流？因為光電管陰極K在白光照射下逸出的光電子有一部分遷移到陽極A，光電子在閉合回路中產(chǎn)生電流.若將小手電筒（光源）用紙板遮擋住，電流立即消失，電流表讀數(shù)為0，拿開紙板，電流又恢復(fù)原值.光電子產(chǎn)生的電流，叫做光電流.

（2）調(diào)節(jié)電位器R，使光電管的極板K和A間的正向電壓UAK逐漸升高，這時可以觀察到電路里的光電流也隨之逐漸增大，當(dāng)正向電壓增到幾十伏時，光電流就達(dá)到最大值——飽和值，再增加電壓，光電流也不再增大了.這表明K極板發(fā)射的光電子已全部被A極吸收去.

4.2 演示光電流與入射光頻率的關(guān)系

實驗原理：不同的金屬其極限頻率不同，只有當(dāng)入射光頻率大于某金屬的極限頻率時，才能使金屬逸出電子，產(chǎn)生光電效應(yīng).

實驗器材：本儀器使用的光電管是GDB－1型，陰極是用銻銫材料制成，極限頻率4.62×1014Hz.準(zhǔn)備紅、黃、綠、紫4種濾色片，其中紅色濾色片的峰值波長為0.6600μm，頻率4.55×1014Hz.

透過4種濾色片后的入射光頻率見表1.

表1

實驗方法：

（1）調(diào)整電位器R，使電壓UAK＝2V，依次在透光板的透光孔前放黃、綠、紫濾色片，都有光電流，原因是透過這些濾色片后的入射光頻率都大于光電管陰極金屬的極限頻率（4.62×1014Hz），這表明這幾種光都能使光電管的陰極（銻銫）產(chǎn)生光電效應(yīng).

（2）先在透光板的透光孔前放紅色濾色片，不產(chǎn)生光電流；接著，再把光源移近以增大入射光的強(qiáng)度，也不產(chǎn)生光電流.原因是透過紅色濾色片后的入射光頻率（4.05～4.55×1014Hz）小于光電管陰極金屬的極限頻率（4.62×1014Hz）.

實驗結(jié)論：要使某種金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)，入射光的頻率必須大于某個極限頻率，低于這個極限頻率的光，無論強(qiáng)度如何，照射的時間多久，也不能產(chǎn)生光電效應(yīng).

4.3 研究入射光強(qiáng)不變時，光電流的大小跟正向電壓的關(guān)系

方法：設(shè)光源發(fā)光強(qiáng)度為I，則它對距離為r處的透光板的照度，再設(shè)透光板單個透光小孔面積為S，那么通過透光板上小孔并照射在光電管陰極K上的光通量，即入射光強(qiáng)，所以只要保持I、r一定，然后分別4次變換透光板的透光孔數(shù)分別是4、3、2、1個孔（改變光欄面積），這樣就控制了這4次的入射光強(qiáng)各自保持不變.在這4次中，每次實驗通過逐漸調(diào)整電位器R，使電壓UAK由0逐漸升至110V.為了便于數(shù)據(jù)讀數(shù)與記錄，電壓每升高10V就讀數(shù)一次：讀出電壓UAK和光電流的相應(yīng)值.這樣4次變換透光板的透光孔數(shù)就有4組實驗數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)填入表2.

表2

擬合圖像：根據(jù)表2記錄的數(shù)據(jù)通過Excel功能擬合出i－UAK即光電流隨正向電壓變化的圖像.

圖5

實驗結(jié)論：從表2橫向（行）的數(shù)值和i－UAK圖像（圖5）可以得出：當(dāng)入射光強(qiáng)度不變時，光電流隨正向電壓UAK的升高而增大（非線性），當(dāng)電壓UAK達(dá)到一定值時，光電流就保持飽和值.

4.4 研究當(dāng)保持電壓UAK為一定值時，光電流大小與入射光強(qiáng)度的關(guān)系

方法：實驗保持光源的發(fā)光強(qiáng)度及它與光電管G陰極的距離，接著再從產(chǎn)生飽和充電流的電壓區(qū)域中任取一電壓值，然后通過4次改變透光板的透光孔的數(shù)量（由4～3～2～1個）來控制入射光的強(qiáng)度，依次測出當(dāng)入射光強(qiáng)度減少為原來的時的光電流飽和值根據(jù)這些數(shù)據(jù)畫出im－? 圖像，從而研究飽和光電流和入射光強(qiáng)度的關(guān)系.

例如，當(dāng)電壓UAK為90V時，將入射光強(qiáng)度（4?、3?、2?、1?）各自對應(yīng)的飽和光電流數(shù)值填入表3.

表3

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，畫出im－?圖像如圖6.

圖6

實驗結(jié)論：

（1）從表2豎向（列）的數(shù)值看，當(dāng)實驗保持電壓UAK為一定值時，光電流隨入射光強(qiáng)增大而增大，反之減少.

（2）從表格3和圖6看，飽和光電流的大小和入射光的強(qiáng)度成正比（線性關(guān)系）.根據(jù)推想出“單位時間里由陰極逸出的光電子數(shù)跟入射光強(qiáng)度成正比”的結(jié)論.

4.5 研究光電子的最大初動能與入射光頻率的關(guān)系

（1）將儀器示教板的電源輸入端的正負(fù)極反接，調(diào)節(jié)電位器R，使UAK＝0，按亮小手電筒（光源），保持它與光電管G陰極的距離，這時光電流為0.4μA，再把紫色濾色玻璃擋在透光板的透光孔，仍有光電流0.2μA，說明在沒有外加電場的條件下，陰極K放出的光電子具有初速度和初動能.

（2）調(diào)節(jié)R，使陽極A、陰極K間的反向電壓逐漸增大，這時光電流隨反向電壓的增大而減少，表明反向電壓增大，一部分初動能較小的光電子在電場力（阻力）作用下折回陰極K，不能到陽極A.

（3）再調(diào)節(jié)R，使反向電壓繼續(xù)增大，直到光電流剛好為0，這時反向電壓為0.5V.根據(jù)能量守恒定律有，則具有最大初動能的光電子恰好不能到達(dá)陽極A，即末速度vA＝0，因此它們的最大初動能UKAe＝0.5eV.

（4）把光源向光電管移近，以增大入射光的強(qiáng)度，結(jié)果光電流截止時的反向電壓不變，表示光電子的最大初動能的大小跟入射光的強(qiáng)度無關(guān).

（5）依次換用紅、黃、綠、紫色濾光玻璃片，分別測出光電流減小到0的反向電壓U，從而測得用這幾種色光照射時，K板放出的光電子的最大初動能如表4所示.

表4

實驗結(jié)論：由表4實驗數(shù)據(jù)得出入射光的頻率越大，光電子的初動能越大.

5 實驗注意事項

（1）定量測試時，應(yīng)盡量減少室內(nèi)雜散光進(jìn)入透光板的透光孔，以減少誤差.

（2）在研究光電特性中，選取飽和光電流的電壓值最好不要選取拐點，因為拐點不穩(wěn)定，一般選取飽和區(qū)域中間值，以確保能夠獲得飽和光電流.