光電效應規律演示儀的制作

摘" "要：對于教師和學生來說，光電效應規律的教與學一直都是重難點，傳統的實驗裝置現象不明顯，學生難以參與。詳細介紹了基于儀征ＧＤ－２Ａ光電管，利用智能燈泡、平板軟件和數字電表制作的光電效應規律演示儀。此裝置比起傳統教具具有可視化強、數字化、定量化、可拆卸等優點，有利于教師教學的開展，同時降低了學生對于光電效應規律的理解難度，有利于培養學生的物理學科核心素養，對高中物理實驗教學提供一些參考。

關鍵詞：光電效應；物理實驗；演示儀

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A " " 文章編號：1003-6148（2025）2-0061-4

“光電效應”是高中物理選擇性必修三的重要內容，是學習光的波動性與粒子性的基礎。在《普通高中物理課程標準（２０１７ 年版 ２０２０ 年修訂）》的內容要求中，明確提出要通過實驗了解光電效應現象［１］。但在實際教學中發現，教師很少在這一節內容進行實驗教學或使用的都是比較傳統的儀器，而市面上傳統的光電效應演示儀大多都是利用滑動變阻器改變接入電路中的電阻來改變電壓［２］，通過改變光罩上出射孔的數目或大小來改變入射光的強度，用不同的濾色片來改變入射光的頻率［３］，或使用遙控彩光燈泡作為光源［４］，利用指針式電壓表、電流表測得數據。操作略微繁雜，不能定量探究規律，可視性不強，學生難以理解其真實原理。而光電效應演示實驗的關鍵在于讓學生發現不同顏色的光照射光電管時所產生的光電流不同［５］。為了解決上述問題，本文利用智能可調燈泡，配合平板控制軟件和數字電表，自制了光電效應規律演示儀，不僅簡化了教材中的分壓電路，并且等效，也可連續調節光強和頻率，實現了定性與定量探究規律，增強了實驗的可操作性。

１" " 設計思路

為更好地輔助教師進行光電效應實驗的教學，幫助學生通過親身體驗更好地理解光電效應規律，本教具需要實現以下功能：

（１）可拆卸，方便攜帶與安裝。

（２）數字化顯示，方便直觀觀察并讀取數據，定量化探究規律。

（３）可直接調節電壓與光的頻率和強度，操作性強，學生可參與。

為了實現以上功能，本儀器采用智能可調燈泡作為光源，通過軟件可以實現在平板控制界面隨意調節光的顏色和強度，同時電壓表也選用數字化直流可調電源，方便調節讀取電壓值，數顯微安表也實現了同步讀取電流值。

２" " 原理與制作

２．１" " 實驗原理

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

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。電源采用數字化可調直流學生電源，簡化了原來教材中的分壓電路，與光電管和微安表串聯，通過平板控制界面改變入射光的強度、頻率。設計示意圖如圖２所示。

２．２" " 制作方法

實驗儀器如圖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，用于發生光電效應。為了便于保護和展示光電管、燈泡，避免外界光源對光電管的影響，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可移動的推拉門，將光電管和燈泡穿過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的直流可調學生電源（圖5），同時帶有屏幕顯示，更加直觀。測量電流選用量程為１００ μA的超小型數字直流電流表，精度為０．１ μA，能夠較為準確地測量電流，便于觀察。將電源、電流表鑲嵌在ＰＶＣ板上，用導線連接將其與光電管串聯，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，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，形成的凹槽用來放置平板。

３" " 實驗演示

該實驗儀器可用于探究截止頻率、飽和電流、遏止電壓等光電效應的規律，具體實驗操作如下。

３．１" " 演示截止頻率

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

３．２" " 演示飽和光電流

接通燈泡電源，打開平板上的相應軟件，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％），發現電流表示數為０．２ μA（圖9）。接通電源，增大電壓，電流表示數增大，當電壓增大到２２．１ Ｖ時，電流表示數趨于穩定為２．９ μA（圖10）。之后增大電壓，電流不再增大，說明電流達到飽和狀態。保持綠光不變，增大光的強度（６０％），發現電流表示數增大。當電壓增大到２７．９ Ｖ時，電流表示數趨于穩定為５．２ μA（圖11），此時達到飽和電流，說明在入射光頻率不變的條件下，光的強度越大，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％，這里為了使現象更加明顯，推薦將亮度盡可能調大），此時電流表示數為０．６ μA（圖12）。將電源正負接線柱調換位置，此時電壓反向，慢慢向右擰動旋鈕（左邊為細調旋鈕），使得電流表示數慢慢減為０，記錄此時電壓表示數０．１９ Ｖ（圖13）。將亮度調到１００％，重復操作，電壓表示數不變（圖14），說明同一材料對于一定頻率的光，遏止電壓與光強無關。將電壓歸零，換一個顏色的光（如藍色，亮度為９０％），電流表一開始示數為２．２ μA（圖15），增大反向電壓使電流變為０，此時電壓表示數為０．３１ Ｖ（圖16），亮度增大到１００％后電壓表示數不變（圖17）。通過數據說明不同頻率的光，遏止電壓也不同。

３．４" " 部分實驗數據與教材對比圖

將實驗所得部分數據導入Eｘｃｅｌ工具，得到數據圖（圖18），再將原點處放大，將橫坐標的主要單位設置為０．４，縱坐標的主要單位設置為５０，得到局部放大圖（圖19）。將其與教材上的插圖進行比較（圖20），發現符合規律。

４" " 總" 結

本教具采用一體化設計，解決了現有教具無法同時為學生演示截止頻率的短板，較傳統教具有兩大突出優勢：（１）采取了可調電壓源，簡化了教材中的分壓電路，并且等效；（２）利用軟件可實現“連續”調節光強和頻率，增強可視性與操作性。

具有以下教學意義：（１）利用平板與現代技術結合，多彩變化的燈泡可以吸引學生的注意力，提升學生學習的興趣。（２）用平板控制燈泡的顏色以及亮度，操作簡單，大大增強了學生的參與性，學生親自參與探究能夠更好地理解光電效應的規律。同時，數字化顯示的電源與電流表以及燈泡，增強了實驗的可視性，便于學生觀察。（３）能夠豐富一線教師的教學方式，使“光電效應”一節的教學不再只是抽象講述。

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

參考文獻：

［１］中華人民共和國教育部．普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［S］．北京：人民教育出版社，２０２０．

［２］江山，于路軍．光電效應演示實驗改進［Ｊ］．中學物理教學參考，２０１７，４６（Ｚ１）：５８－６１．

［３］侯愛琴，鄒志宇．光電效應實驗的改進與實踐［Ｊ］．湖南中學物理，２０１８，３３（４）：６３，６５．

［４］羅春春．可調節全譜系可見光新型光電效應演示器［Ｊ］． 中學理科園地，２０１８，１４（５）：４６－４８．

［５］李春密，李多，平澄，等．光電效應演示和普朗克常量測定儀［Ｊ］．物理實驗，２００６，26（３）：４１－４２，４６．

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