基于數(shù)字傳感器的光電效應(yīng)實驗研究

陸光華

(南京師范大學蘇州實驗學校，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)“科學的轉(zhuǎn)折:光的粒子性”的難點內(nèi)容.當前教與學中存在著以下現(xiàn)狀:第一,光電效應(yīng)在日常生活中較為少見,學生對光電效應(yīng)缺乏必要的感性認識;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,但由于沒有現(xiàn)成的實驗器材,大多數(shù)教師不得不采用純理論講解的教學方式,這就導致教師覺得難教,學生更感到難學,例如教材中出現(xiàn)的I-U圖像很多學生無法理解,部分學生只能死記硬背.這種純理論講解的教學方式,不能體現(xiàn)本學科以實驗為基礎(chǔ)的特點,也不符合學生的認知規(guī)律.通過自制的光電效應(yīng)實驗裝置演示該實驗,能增強學生對光電效應(yīng)實驗現(xiàn)象的認識,大大降低學生對光電效應(yīng)規(guī)律理解的難度,同時將教材的純理論講述變?yōu)橹庇^實驗,回歸物理教學的本源.

2 實驗原理

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

圖1 原理圖

3 實驗器材

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 移動光具座一個(含1.5 V干電池3只) ；⑤ 5mmLED發(fā)光二極管(紅色、藍色、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(裝有DISLab 6.9)；低壓直流電源一臺；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 實驗裝置

4 實驗步驟

(1) 按圖4連接好實驗電路,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,當電位器滑動端處于中間位置時,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) 用藍光照射光電管,打開朗威“通用軟件”中“計算表格”設(shè)定記錄時間間隔0.2s,點擊“自動記錄”中“開始”按鈕,同時調(diào)節(jié)電位器,當電位器從一端調(diào)節(jié)到另一端(或者加正向電壓時光電流已經(jīng)飽和,反向電壓時光電流已經(jīng)為零)時,點擊“結(jié)束”.點擊“數(shù)據(jù)分析”中的“繪圖”,以光電管所加電壓U為橫坐標,以電流I為縱坐標,繪出I-U圖像.為了與后續(xù)研究作對比,在軟件“組合圖線”中點擊“鎖定”.

(5) 移動導軌使發(fā)光二極管靠近方形塑料盒小孔,再次進行(4)的操作.

(6) 換用紫光再次完成(4)的操作.

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

(8) 換用GD-21光電管再次進行步驟(3)～(6)的操作.

5 實驗數(shù)據(jù)

以下是實驗的部分數(shù)據(jù)(如表1).

表1 部分實驗數(shù)據(jù)

續(xù)表

注:限于篇幅,數(shù)據(jù)有刪減

6 實驗分析與結(jié)論

(1) 4(2)的操作目的是通過實驗證實光電管中沒有自由電荷,并得結(jié)論1:沒有光照的情況下,增大加速電壓也沒有光電流產(chǎn)生.

(2) 4(3)操作是讓學生通過觀察電壓、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,通過圖像的對比分析加深學生對規(guī)律的理解,攻克教材上I-U圖像的難點.圖5中B處為藍光的反向遏止電壓,A處為紫光反向遏止電壓,由此得出結(jié)論3: 入射光越強,飽和電流也越大;反向遏止電壓與光強度無關(guān),與光的頻率(波長)有關(guān),光的頻率越高(波長越短)反向遏止電壓越大.

圖5 GD-28所得I-U圖像

(4) 有了前面的實驗研究學生可能會誤認為,任何光照射光電管都能產(chǎn)生光電效應(yīng),為此設(shè)計了4(7)目的是讓學生明白如果光的波長過長(頻率過低),無論光多么強,照射時間多么長,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).

(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光電管藍光照射下的反向遏止電壓,而考慮到GD-21光電管陽極電流等因素的影響,C處為其藍光照射下反向遏止電壓.由此得結(jié)論5:頻率相同的藍光照射GD-21與GD-28光電管,GD-21光電管的反向遏止電壓更大,說明其逸出光電子的最大初動能更大,其陰極材料逸出功較GD-28要小.

圖6 GD-21與GD-28實驗對比圖

7 實驗注意事項

(1) 實驗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量程.

(2) 實踐表明,采用頻率較高,強度較大的光源照射光電管,所得到的實驗數(shù)據(jù)以及由此得出的I-U圖像較為理想.這主要是因為傳感器較為靈敏,容易受外界影響,所得圖像會出現(xiàn)波動.如果光電效應(yīng)中光源的頻率高、強度大會產(chǎn)生較大的光電流,那么就能有效減小波動引起的相對誤差,繪制出的圖像也較為平滑.本實驗采用頻率高、強度大的藍光和紫光進行研究也正是鑒于以上原因.

(3) 本實驗所用電位器,帶有中心抽頭,這種電位器的優(yōu)勢在于把光電管一端與電位器中間固定相連,滑動端與光電管另一端相連,在電位器調(diào)節(jié)過程中能一次性實現(xiàn)從正向電壓到反向電壓.

(4) 本實驗所使用的GD-28光電管其極限波長較長,達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,而本實驗所用發(fā)光二極管是特制二極管,其發(fā)光波長范圍很窄,可以近似看作單色光.實驗4(7)中所使用紅光其波長范圍約800～805nm,我們通過肉眼觀察可以發(fā)現(xiàn)它發(fā)出“微弱”的紅光(其實是因為其波長較長而已),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,本實驗也可用普通紅外管做實驗,其發(fā)出的紅外線肉眼并不能看見,但是通過攝像頭可以觀察到.

(5)光電管的透光玻璃要正對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,以保證實驗中盡可能少的自然光通過漫反射照射到光電管上.

8 實驗誤差分析

(1) 暗電流和本底電流引起的誤差.當光電管陰極沒有受到光線照射時也會產(chǎn)生電子流,稱為暗電流.它是由電子的熱運動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) 陽極電流引起的誤差.制作光電管陰極時,陽極上也會被濺射有陰極材料,所以光入射到陽極上或由陰極反射到陽極上,陽極上也有光電子發(fā)射,就形成陽極電流.由于暗電流、本底電流以及陽極電流的存在,使得I-U曲線較理論曲線下移,比如本實驗圖6中藍光照射GD-21光電管.

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

(4) 其他因素引起的誤差.主要包括實驗室的光照條件、溫度、濕度、試驗儀器的精度與狀態(tài)等.如光電管長時間工作或是強光照射,陰極發(fā)射體容易疲勞,靈敏度會降低,從而影響實驗的結(jié)果;電位器調(diào)節(jié)過程中由于滑動端與電阻絲線圈間接觸會導致其可靠性差,動態(tài)特性不好;光電效應(yīng)中產(chǎn)生的光電流微弱,用微電流傳感器測量時測得的數(shù)據(jù)還不是很精確.

9 實驗不足與后續(xù)研究設(shè)想

(1) 本實驗中研究兩種不同型號的光電管,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,實驗操作較為繁瑣.

(2) 目前市場上光電管型號較少,本實驗僅僅是研究了GD-28、GD-21兩種型號的光電管特性,今后我們將到市場上尋找不同材料的光電管,進行實驗,豐富實驗內(nèi)容,增強實驗說服力.