李志武
(保定市第三中學 河北 保定 071051)
中學物理教材(人教版)中的光電效應的演示實驗表述如下:將擦亮的鋅板和驗電器相連,用弧光燈照射鋅板,鋅板帶電,驗電器的指針就會張開.但用此實驗方案操作時驗電器指針并不會張開.分析如下:
假設弧光燈的溫度為6 000 K,根據(jù)維恩位移定律
λmT=b=2.88×10-3m·K
和頻率公式
計算得此弧光燈在6×1014Hz附近的輻射強度最大,設此頻率的輻射強度為1.由普朗克黑體輻射公式
可知其輻射頻率為1016Hz(40 eV)的電磁波強度只有10-30,即頻率大于1016Hz的光子數(shù)幾乎為零.所以用弧光燈照射的鋅板對地電壓不會超過40 V.而實驗表明給驗電器的小球和外殼之間加上400 V的電壓,驗電器的指針角度不大于5°.所以弧光燈照射下的鋅板帶電的電壓不會使驗電器指針張開.
2 3種實驗改進方案
【方案1】使鋅板預帶電.
實驗器材:鋅板,弧光燈,指針驗電器,毛皮,橡膠棒,絲綢,玻璃棒.
實驗步驟:
(1)讓鋅板和驗電器帶一定量的負電荷(如接觸和毛皮摩擦過的橡膠棒),用弧光燈照射鋅板,觀察到驗電器的指針迅速下降,說明了在弧光燈的照射下鋅板表面有電子飛出.
(2)讓鋅板先帶一定量的正電荷,用弧光照射,觀察到驗電器的指針偏角不變.
原因分析:鋅板受紫外線照射后,電子從鋅板表面飛出,由于帶負電的鋅板電勢比周圍空間的電勢低,其周圍的電場能夠使電子在電場力的作用下向外加速運動,使鋅板帶的負電荷很快消失.若鋅板帶正電,則鋅板的電勢比周圍空間高,紫外線照射鋅板后,其表面飛出的電子,在電場力的作用下又重新飛回鋅板表面,所以鋅板上仍然帶正電.
綜上所述,可以說明鋅板在受弧光燈照射后有電子從表面飛出.
【方案2】在鋅板旁邊用帶正電的物體,吸附鋅板釋放出的電子,如圖1所示.
圖1
實驗步驟:
(1)將不帶電的鋅板和驗電器相連.用帶正電的玻璃棒靠近鋅板后遠離,可以看到驗電器的指針先張開,后閉合.
(2)用弧光燈照射鋅板,再次將帶正電的玻璃棒靠近鋅板后遠離,可以看到弧光燈照射鋅板時驗電器指針并不發(fā)生偏轉(zhuǎn).玻璃棒靠近驗電器時驗電器的指針張開,玻璃棒移走后驗電器指針并不完全閉合;說明此時鋅板帶電,進一步的檢驗證明鋅板帶正電.
圖2
(3)用弧光燈照射鋅板,將帶負電的橡膠棒靠近鋅板后遠離.可以看到橡膠棒靠近驗電器時驗電器的指針張開,橡膠棒移走后驗電器指針完全閉合,說明此時鋅板不帶電.
【方案3】利用光電管進行實驗.
實驗器材:數(shù)字電流表(或MF500型電表),GD-28型光電管,自制彩色光源.
實驗步驟:
(1) 將光電管與電流表連成圖3所示的電路.
圖3
(2)將高亮度發(fā)光二極管(紅、黃、綠、藍各一支)串聯(lián)適當電阻后接到電源上制成彩色光源.
(3)電阻的阻值可以按如下公式估算
其中E代表電源電壓,U為發(fā)光二極管的工作電壓.紅色發(fā)光二極管的工作電壓為2.4 V,其他顏色的發(fā)光二極管工作電壓在3.3 V左右;I為發(fā)光二極管的工作電流,一般為20 mA,連接不同的發(fā)光二極管就能得到不同的單色光源.
注意事項:為了避免環(huán)境光對光電管的干擾,應在光線比較弱的室內(nèi)進行或把光電管放在有開口的暗盒中.
實驗現(xiàn)象:用紅光照射光電管時,電流表沒有示數(shù).當用綠光、藍光照射光電管時,電流表有示數(shù),電流的大小隨發(fā)光二極管與光電管的距離而變化;單個發(fā)光二極管照射時產(chǎn)生的最大電流可達到2~3 μA.說明了光電效應的產(chǎn)生和光的頻率有關.
前兩種實驗方案和教材上給出的方案儀器相近,但都借助于加速電場來達到實驗目的.在講述時需要向?qū)W生講明加速電場的作用,以免產(chǎn)生誤解.
第3種方案沒有借助外界電場,實驗原理最簡單,且實驗不受天氣影響,成功率最高.缺點在于光電管太小,課上學生不易觀察其結(jié)構(gòu).在授課時可結(jié)合板書(或幻燈片)給出光電管的示意圖,便于學生理解其結(jié)構(gòu).