“突破”光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新方法*

鄒建中 胡 博 李 霹

(新余市第四中學(xué) 江西 新余 338031)

張輝平

(杭州學(xué)軍中學(xué) 浙江 杭州 310013)

1 自制驗(yàn)電器觀測(cè)光電效應(yīng)現(xiàn)象

人教版教材高中物理選修3-5第十七章第2節(jié)的觀測(cè)光電效應(yīng)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示[1]，但在實(shí)際教學(xué)過程中，筆者發(fā)現(xiàn)很難實(shí)驗(yàn)成功.若紫外線光強(qiáng)過大，則容易灼傷皮膚，而且無法直接判斷驗(yàn)電器帶何種電荷．傳統(tǒng)驗(yàn)電器很難突破這個(gè)教學(xué)難點(diǎn)，課堂上教師更多采用純理論講解的教學(xué)方式，學(xué)生沒有感官認(rèn)識(shí)，教學(xué)效果不佳[2]．

圖1 光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)示意圖

(1)檢測(cè)原理及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了解決上述教學(xué)難點(diǎn)，筆者利用場(chǎng)效應(yīng)管自制驗(yàn)電器進(jìn)行檢測(cè)，核心部件場(chǎng)效應(yīng)管為金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(metal-oxide semiconductor FET，簡(jiǎn)稱MOS-FET), 其輸入阻抗很高,又稱絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管，根據(jù)結(jié)構(gòu)的差異分為P溝道和N溝道兩種,如圖2所示,電源電動(dòng)勢(shì)4.5 V，Q1為N溝道場(chǎng)效應(yīng)管，主要用于檢測(cè)正電荷．Q2為P溝道場(chǎng)效應(yīng)管，主要用來檢測(cè)負(fù)電荷．以N溝道場(chǎng)效應(yīng)管為例，其工作原理為:當(dāng)柵極G帶上正電荷時(shí)，漏極D和源極S間導(dǎo)通，紅色二極管D1發(fā)光，完成對(duì)正電荷的檢測(cè)．P溝道場(chǎng)效應(yīng)管與N溝道場(chǎng)效應(yīng)管原理相似，當(dāng)柵極G有負(fù)電荷時(shí)，漏極D和源極S間導(dǎo)通，綠色二極管D2發(fā)光，完成對(duì)負(fù)電荷的檢測(cè)．

圖2 電子驗(yàn)電器電路圖

(2)實(shí)驗(yàn)步驟

第一步：按下靜電釋放開關(guān)釋放場(chǎng)效應(yīng)管柵極的靜電．

第二步：閉合電路開關(guān),用紫外線光源照射鋅板．

第三步：將鋅板與Q1場(chǎng)效應(yīng)管的柵極G連接，發(fā)現(xiàn)電路中的紅色二極管發(fā)光.

小結(jié)：現(xiàn)象表明鋅板在紫外線的照射下發(fā)生了光電效應(yīng)且鋅板帶正電，如圖3所示．

圖3 電子驗(yàn)電器檢測(cè)光電效應(yīng)

再將鋅板與Q2場(chǎng)效應(yīng)管的柵極G連接，重復(fù)前面的操作步驟，發(fā)現(xiàn)綠色二極管不發(fā)光，表明Q2沒有檢測(cè)到負(fù)電荷.

2 自制光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀探究光電效應(yīng)的規(guī)律

教材中出現(xiàn)的I-U圖像很多學(xué)生無法理解，部分學(xué)生只能死記硬背，教師純理論講解的教學(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．筆者參考已有研究成果[3]制作了一套光電效應(yīng)定量探究實(shí)驗(yàn)裝置．通過自制的光電效應(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)，大大降低了學(xué)生對(duì)光電效應(yīng)規(guī)律理解的難度，回歸了物理教學(xué)本源．

(1)實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖4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(duì)逸出的光電子加減速，可以用數(shù)字電壓表和數(shù)字電流表測(cè)出光電管兩端電壓及其中電流．

圖4 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)電路圖

(2)實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示，亞克力板背景板一塊，用于固定器材①～⑧.①LED光源盒(紅光、藍(lán)光、紫光)；②滑槽移動(dòng)光具一個(gè)；③GD-28光電管盒；④數(shù)字電壓表；⑤數(shù)字電流表；⑥調(diào)壓旋鈕；⑦電源換向開關(guān)；⑧調(diào)光旋鈕．

圖5 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀裝置

(3)實(shí)驗(yàn)步驟

第一步：斷開開關(guān)S，打開藍(lán)色光源，移動(dòng)光具，使藍(lán)光透過光電管盒小孔正對(duì)光電管，讀取電壓表和電流表讀數(shù)，如圖6所示．

圖6 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)(藍(lán)光)

第二步：閉合開關(guān)，加上正向電壓，旋轉(zhuǎn)調(diào)壓旋鈕增大光電管兩端電壓，記錄對(duì)應(yīng)電壓和電流數(shù)值，直至達(dá)到飽和電流．

第三步：斷開開關(guān)，調(diào)整電源方向，在光電管兩端加載反向電壓，記錄對(duì)應(yīng)的電壓、電流數(shù)值，直至電流為零時(shí)，記錄此刻電壓Uc，即遏止電壓．

第四步：調(diào)節(jié)調(diào)光旋鈕，增大藍(lán)光光強(qiáng)，重復(fù)第一步至第三步，記錄對(duì)應(yīng)的電壓、電流數(shù)值．

第五步：更換紅光和紫光，記錄對(duì)應(yīng)的電壓、電流數(shù)值．

第六步：以電流I為縱坐標(biāo)，光電管兩端加載的電壓U為橫坐標(biāo)，繪出I-U圖像．

(4)數(shù)據(jù)記錄

部分實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)表1數(shù)據(jù)繪出I-U圖像，如圖7所示．

圖7 光電流與陽極電壓關(guān)系圖像

(5)實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1)通過圖7可以清楚看出同種顏色但強(qiáng)弱不同的遏止電壓相同，不同顏色光的遏止電壓不同，紫光的遏止電壓最高，說明光的頻率越大遏止電壓越高．

2)飽和電流大小與光的強(qiáng)弱有關(guān)，同一種顏色光照越強(qiáng)飽和電流越大．

3 結(jié)束語

用鋅板和紫外線燈演示光電效應(yīng)現(xiàn)象操作方便、成本低．但是用傳統(tǒng)的驗(yàn)電器難以檢測(cè)到是否有光電子射出，用自制的電子驗(yàn)電器可以很好地檢測(cè)光電效應(yīng)現(xiàn)象是否發(fā)生．上述實(shí)驗(yàn)無法對(duì)光電效應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行定量探究，根據(jù)教材給出的實(shí)驗(yàn)原理圖自行尋找原材料制作的光電效應(yīng)定量探究實(shí)驗(yàn)裝置可以完成對(duì)光電流規(guī)律的探究，可以清晰明確地得出教材所列出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果．教學(xué)中讓學(xué)生在完成此實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果自行歸納出光電流的規(guī)律，是新版課程標(biāo)準(zhǔn)中“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”等核心素養(yǎng)教學(xué)的直接體現(xiàn)[4]，既掌握了光電效應(yīng)規(guī)律又學(xué)會(huì)了科學(xué)探究的思維和方法．