光電效應(yīng)演示實驗的難點分析與成功改進＊

李松嶺 李明雪

（1.江蘇師范大學(xué)教師教育學(xué)院，物理與電子工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)理學(xué)院，江蘇 徐州 221008）

1 光電效應(yīng)

照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)（Photoelectric effect）.

2 教材中光電效應(yīng)演示實驗的裝置與實驗方法

用來演示光電效應(yīng)現(xiàn)象的實驗稱為光電效應(yīng)實驗.光電效應(yīng)演示實驗是大學(xué)物理和高中物理的一個重點演示實驗，重點在于光電效應(yīng)演示實驗是顯示光電效應(yīng)現(xiàn)象的經(jīng)典實驗；光電效應(yīng)演示實驗也是一個難點實驗，難點在于這個演示實驗很難做成功.教材中的實驗裝置和實驗方法如圖1和圖2所示.［1－2］

圖1

圖2

從理論上講，把一塊鋅板連接在驗電器上，用紫外光燈照射鋅板，鋅板中的電子吸收光子的能量超出逸出功后會從鋅板表面逸出，鋅板失去電子帶正電，與鋅板連接的驗電器指針就會張開.但按教材中圖1和圖2所示裝置與實驗方法做光電效應(yīng)演示實驗，打開紫外光燈照射鋅板，不論紫外光燈照射鋅板多長時間，與鋅板連接的驗電器指針并不會張開，這個演示實驗很難做成功.［3］所以，在實際物理教學(xué)中，大部分教師都不真實地去做光電效應(yīng)演示實驗，而只是在黑板上畫圖講解光電效應(yīng)或用課件來模擬光電效應(yīng)演示實驗.

在實際物理教學(xué)中，因為光電效應(yīng)演示實驗很難做成功就形成了一個實驗難點，光電效應(yīng)演示實驗做不成功就給光電效應(yīng)教學(xué)帶來了困難，成為一個教學(xué)難題，一直影響著光電效應(yīng)教學(xué)的效果和質(zhì)量.對光電效應(yīng)演示實驗的難點進行分析并對其進行成功改進非常重要和必要.

3 教材中光電效應(yīng)演示實驗做不成功的原因分析

物理教材中光電效應(yīng)演示實驗做不成功的原因分析如圖3所示.

圖3

當紫外光燈照射鋅板時，鋅板中的電子吸收光子的能量超出逸出功后會從鋅板表面逸出，鋅板失去電子帶正電，帶正電的鋅板本身就會產(chǎn)生電場E1，而電場E1會對逸出去的電子產(chǎn)生吸引作用，會阻礙電子的繼續(xù)逸出.有的電子逸出去，有的逸出去的電子又被鋅板吸引回來，隨著鋅板帶正電的電量越多，鋅板產(chǎn)生的電場就越強，鋅板吸引逸出電子的能力也就越強，很快就達到了電子逸出動態(tài)平衡，鋅板帶正電的量不會再增加，其電勢達不到一般教學(xué)實驗室中的驗電器能夠較為明顯的檢測到的電勢差.所以，不論用紫外光燈照射鋅板多長時間，與鋅板連接的驗電器指針都不會張開，用教材中光電效應(yīng)實驗方案與實驗方法是很難做成功光電效應(yīng)演示實驗的.

4 光電效應(yīng)實驗的成功改進

光電效應(yīng)演示實驗成功改進的主要思路：在鋅板附近加一個強于鋅板本身產(chǎn)生電場E1的附加電場E2，促進電子逸出后遠離鋅板不再回到鋅板上，打破電子逸出動態(tài)平衡.當紫外光燈照射鋅板時，鋅板中的電子吸收光子的能量超出逸出功從鋅板表面逸出后，遠離鋅板不再回到鋅板上，隨著紫外光燈的持續(xù)照射鋅板，會持續(xù)有電子從鋅板逸出，使鋅板上的電勢繼續(xù)升高，就能使與鋅板連接的驗電器指針張開明顯的角度，使光電效應(yīng)實驗成功演示.

4.1 光電效應(yīng)演示實驗成功改進方案之一：用帶正電的金屬板附加電場

用帶正電的金屬板給逸出的負電荷附加電場吸引鋅板逸出的負電荷，如圖4所示.

圖4

用手搖起電機給金屬板帶正電，帶正電的金屬板在電子逸出的附近產(chǎn)生了較強的附加電場E2，附加電場E2比帶正電的鋅板產(chǎn)生的電場E1強.當紫外光燈照射鋅板時，鋅板中的電子吸收光子的能量超出逸出功從鋅板表面逸出后就被帶正電的金屬板吸引，不再回到鋅板上.隨著紫外光燈的持續(xù)照射鋅板，不斷有電子從鋅板逸出，使鋅板上的電勢繼續(xù)升高，可使與鋅板連接的驗電器指針張開明顯的角度，可成功演示光電效應(yīng)實驗.

在光電效應(yīng)實驗中，可能學(xué)生會誤認為與鋅板連接的驗電器指針張開明顯的角度不是光電效應(yīng)的作用，而是由于帶正電的金屬板產(chǎn)生電場的直接作用.為此，可對上述實驗再做如下改進，在紫外光燈旁再放一個白熾燈，以作對比實驗，如圖5所示.

圖5

用對比實驗法，打開白熾燈，關(guān)閉紫外光燈，啟動手搖起電機給金屬板帶正電.當白熾燈光照射鋅板時，無論照射多長時間，都觀察不到與鋅板連接的驗電器指針張開，沒有發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象（因白熾燈發(fā)出光的頻率低于發(fā)生光電效應(yīng)的截止頻率）.說明帶正電的金屬板產(chǎn)生的電場不會使驗電器指針張開.關(guān)閉白熾燈，打開紫外光燈，就可以明顯地觀察到連接鋅板的驗電器指針張開比較大的角度.說明紫外光照射到鋅板，能使鋅板中的電子從鋅板表面逸出，鋅板帶正電，這種現(xiàn)象就是光電效應(yīng).通過對比實驗法，可成功演示光電效應(yīng)實驗.

4.2 光電效應(yīng)演示實驗成功改進方案之二：用帶正電的有機玻璃棒附加電場

用帶正電的有機玻璃棒在鋅板逸出電子的附近附加電場吸引逸出的電子，如圖6所示.

圖6

雖然用手搖起電機給金屬板帶正電在鋅板逸出電子的附近產(chǎn)生較強的附加電場，可成功演示光電效應(yīng)實驗，但是，實驗器材不夠簡捷.可以用絲綢摩擦有機玻璃棒，機玻璃棒帶正電，帶正電的有機玻璃棒也會產(chǎn)生較強的電場.打開紫光燈，把帶正電的有機玻璃棒放在鋅板逸出負電荷的附近也可以吸引從鋅板逸出的電子，使鋅板上逸出的電子遠離鋅板，隨著紫外光燈的持續(xù)照射鋅板，不斷有電子從鋅板逸出，使鋅板上的電勢持續(xù)升高，可觀察到與鋅板連接的驗電器的指針有較大的張角，更加簡捷地演示了光電效應(yīng)實驗.

4.3 光電效應(yīng)演示實驗成功改進方案之三：利用廢舊電池外殼鋅皮替代鋅板，用細塑料絲和筷子做驗電羽，用帶正電的透明塑料尺附加電場，用太陽光替代紫外燈的紫外光

當學(xué)校缺少鋅板、紫外光燈和驗電器等實驗器材時，可用生活中常見的物品來成功演示光電效應(yīng)實驗.利用廢舊電池外殼鋅皮替代鋅板，用細塑料絲和筷子做驗電羽替代驗電器，用帶正電的塑料尺給從鋅板逸出的電子附加電場吸引逸出的電子，用太陽光替代紫外光燈發(fā)出的紫外光（隨著臭氧層遭到破壞，太陽光中的紫外光越來越強，為做光電效應(yīng)實驗提供了有利條件），如圖7所示.

圖7

第一步：把廢舊電池的外殼鋅皮剝下洗凈，用剪刀把洗凈的廢舊電池的外殼鋅皮剪成橢圓形狀，用砂紙把鋅皮外表的氧化層徹底打磨掉；第二步：用細塑料絲和筷子做一個驗電羽（如圖7所示），用導(dǎo)線把驗電羽與加工好的鋅皮連接好；第三步：把實驗裝置放在太陽光下；第四步：用塑料布與透明塑料尺摩擦（因塑料布與透明塑料尺在生活中隨手都可以找到），一般情況下透明塑料尺帶正電，把帶正電的透明塑料尺放在鋅板逸出電子的附近.當太陽光中的紫外光照射鋅皮時，鋅皮中的電子吸收光子的能量超出逸出功后從鋅皮表面逸出，被帶正電的透明塑料尺產(chǎn)生的附加電場吸引.隨著太陽光中紫外光的持續(xù)照射，不斷有電子從鋅皮逸出，使鋅皮上的電勢持續(xù)升高，能夠觀察到與鋅皮連接的驗電羽明顯散開，更加簡便成功地演示了光電效應(yīng)實驗.

太陽光中含有較強的紫外光，故可用太陽光替代紫外光燈，實驗證明用太陽光完全可以做光電效應(yīng)實驗；鋅板比較難找到，可以用廢舊電池外殼的鋅皮替代鋅板；為了防止“尖端放電”的發(fā)生，可將鋅皮剪成橢圓形；用自制驗電羽替代驗電器，更便于學(xué)生自己實驗.

要確保光電效應(yīng)演示實驗成功，除了要打破電子逸出動態(tài)平衡，還要注意以下幾點：（1）由于鋅板表面的氧化層會嚴重影響實驗效果，所以，在每一次做實驗時都一定要用砂紙把接收紫外光照射的鋅板表面打磨，把氧化層徹底打磨掉，讓新的鋅面接收紫外光照射，這一點特別重要；（2）要保持鋅板和導(dǎo)線連接等處的外形要圓滑，不要有尖端和毛刺，以免發(fā)生尖端放電影響實驗效果；（3）要確保鋅板、導(dǎo)線連接、驗電器和驗電羽等與實驗桌面保持高度絕緣，可用有機玻璃或泡沫海綿作絕緣層；（4）要試驗調(diào)節(jié)好帶正電的金屬板、帶正電的有機玻璃棒、帶正電的透明塑料尺等與鋅板間的位置和距離，既要給從鋅板逸出的電子加上較強的電場，又要防止它們與鋅板間發(fā)生放電；（5）紫外光對眼睛的傷害比較大，所以要用玻璃板對能照射到眼睛的紫外光進行遮擋.［4］

通過以上的分析和改進，把很難做成功的光電效應(yīng)演示實驗成功改進成既能確保實驗成功，又能隨手取材簡便易行的演示實驗和學(xué)生小實驗，切實解決了一個物理實驗難點和物理教學(xué)難題，具有很大的教學(xué)推廣和應(yīng)用價值.

1 付茂林，彭志華.大學(xué)物理（下冊）［M］.北京：高等教育出版社，2009：177.

2 張大昌.普通高中課程標準教科書（物理）3-5［M］.北京：人民教育出版社，2005：32.

3 朱建華.光電效應(yīng)實驗的改進［J］.太原大學(xué)教育學(xué)院學(xué)報，2012（1）.

4 李志武.光電效應(yīng)演示實驗幾種方案的比較［J］.物理通報，2011（4）.