康良溪

（福建省同安第一中學(xué)，福建 廈門(mén) 361100）

1 研究背景

光電效應(yīng)現(xiàn)象及其規(guī)律是人類(lèi)認(rèn)識(shí)光的粒子性和建立光子說(shuō)的基礎(chǔ).它是高中近代物理的重點(diǎn)教材內(nèi)容.在光電效應(yīng)現(xiàn)象中，光的特性和行為是通過(guò)光電流表現(xiàn)出來(lái)，它的產(chǎn)生和大小又受到入射光的光譜成分（頻率、強(qiáng)度）、金屬板的材料以及外電場(chǎng)的電壓（正反向和大?。┑纫蛩氐闹萍s.所以它是近代物理學(xué)教學(xué)中的難點(diǎn).要突破這一教學(xué)難點(diǎn)，關(guān)鍵在于做好光電效應(yīng)規(guī)律的演示.綜上所述，我們研制了光電效應(yīng)規(guī)律演示儀.

2 儀器裝置實(shí)物圖（見(jiàn)圖1）

圖1

3 制作方法

3.1 制作材料

主要材料：GDB－1型光電管、小手電筒、導(dǎo)線、微調(diào)電位器、木板、塑料管等.

外協(xié)材料：鐵架臺(tái)，十字夾、試管夾、數(shù)字電流表、數(shù)字電壓表、直流高壓電源，都是實(shí)驗(yàn)室的普通儀器.

3.2 具體制作方法

（1）儀器示教板由GDB－1型光電管、數(shù)字直流電壓表（0～250V）、數(shù)字直流電流表（0～200μA）、微調(diào)電位器、小手電筒（光源）等器件組成.小手電筒對(duì)準(zhǔn)光電管K極，由夾子固定在鐵架臺(tái)上.示教板再配用250V直流電源供電使用.

（2）制作光電管管罩.作為遮光套筒（如圖2），材料是塑料水管，內(nèi)徑比光電管的粗細(xì)大一些，在遮光套筒側(cè)面打一個(gè)孔徑Φ20mm的小孔作為窗口對(duì)準(zhǔn)著光電管的極板K.遮光套筒窗口上下粘了一對(duì)凹槽，作為透光板的軌道.

圖2

（3）制作透光板（如圖3）.插在光電管的遮光套筒外側(cè)的透光板軌道，可以拖動(dòng)，制作材料是光滑硬紙板，透光板挖4組透光孔，每個(gè)孔徑均為Φ5mm（面積為S），透光板每組孔數(shù)分別為1、2、3、4，面積分別為1S、2S、3S、4S，實(shí)驗(yàn)時(shí)依次分別使它對(duì)準(zhǔn)光電管的遮光套筒（管罩）側(cè)面的窗口，用它來(lái)改變射到光電管陰極上的光通量.儀器示教板電路如圖4.

圖3

圖4

4 實(shí)驗(yàn)方法

4.1 演示“光電流”的產(chǎn)生和“飽和光電流”

（1）在示教板調(diào)節(jié)小手電筒（光源）位置，使它與光電管G的陰極保持一定距離（不變），將有4個(gè)透光小孔（面積4S）的這一組透光板插在管罩窗口的透光板軌道，然后接上電源E，調(diào)整電位器R，使電壓表的示數(shù)為零；接著按亮這小手電筒（光源），這時(shí)觀察到電流表示數(shù)為0.4μA，為何有這電流？因?yàn)楣怆姽荜帢OK在白光照射下逸出的光電子有一部分遷移到陽(yáng)極A，光電子在閉合回路中產(chǎn)生電流.若將小手電筒（光源）用紙板遮擋住，電流立即消失，電流表讀數(shù)為0，拿開(kāi)紙板，電流又恢復(fù)原值.光電子產(chǎn)生的電流，叫做光電流.

（2）調(diào)節(jié)電位器R，使光電管的極板K和A間的正向電壓UAK逐漸升高，這時(shí)可以觀察到電路里的光電流也隨之逐漸增大，當(dāng)正向電壓增到幾十伏時(shí)，光電流就達(dá)到最大值——飽和值，再增加電壓，光電流也不再增大了.這表明K極板發(fā)射的光電子已全部被A極吸收去.

4.2 演示光電流與入射光頻率的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)原理：不同的金屬其極限頻率不同，只有當(dāng)入射光頻率大于某金屬的極限頻率時(shí)，才能使金屬逸出電子，產(chǎn)生光電效應(yīng).

實(shí)驗(yàn)器材：本儀器使用的光電管是GDB－1型，陰極是用銻銫材料制成，極限頻率4.62×1014Hz.準(zhǔn)備紅、黃、綠、紫4種濾色片，其中紅色濾色片的峰值波長(zhǎng)為0.6600μm，頻率4.55×1014Hz.

透過(guò)4種濾色片后的入射光頻率見(jiàn)表1.

表1

實(shí)驗(yàn)方法：

（1）調(diào)整電位器R，使電壓UAK＝2V，依次在透光板的透光孔前放黃、綠、紫濾色片，都有光電流，原因是透過(guò)這些濾色片后的入射光頻率都大于光電管陰極金屬的極限頻率（4.62×1014Hz），這表明這幾種光都能使光電管的陰極（銻銫）產(chǎn)生光電效應(yīng).

（2）先在透光板的透光孔前放紅色濾色片，不產(chǎn)生光電流；接著，再把光源移近以增大入射光的強(qiáng)度，也不產(chǎn)生光電流.原因是透過(guò)紅色濾色片后的入射光頻率（4.05～4.55×1014Hz）小于光電管陰極金屬的極限頻率（4.62×1014Hz）.

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：要使某種金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)，入射光的頻率必須大于某個(gè)極限頻率，低于這個(gè)極限頻率的光，無(wú)論強(qiáng)度如何，照射的時(shí)間多久，也不能產(chǎn)生光電效應(yīng).

4.3 研究入射光強(qiáng)不變時(shí)，光電流的大小跟正向電壓的關(guān)系

方法：設(shè)光源發(fā)光強(qiáng)度為I，則它對(duì)距離為r處的透光板的照度，再設(shè)透光板單個(gè)透光小孔面積為S，那么通過(guò)透光板上小孔并照射在光電管陰極K上的光通量，即入射光強(qiáng)，所以只要保持I、r一定，然后分別4次變換透光板的透光孔數(shù)分別是4、3、2、1個(gè)孔（改變光欄面積），這樣就控制了這4次的入射光強(qiáng)各自保持不變.在這4次中，每次實(shí)驗(yàn)通過(guò)逐漸調(diào)整電位器R，使電壓UAK由0逐漸升至110V.為了便于數(shù)據(jù)讀數(shù)與記錄，電壓每升高10V就讀數(shù)一次：讀出電壓UAK和光電流的相應(yīng)值.這樣4次變換透光板的透光孔數(shù)就有4組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)填入表2.

表2

擬合圖像：根據(jù)表2記錄的數(shù)據(jù)通過(guò)Excel功能擬合出i－UAK即光電流隨正向電壓變化的圖像.

圖5

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：從表2橫向（行）的數(shù)值和i－UAK圖像（圖5）可以得出：當(dāng)入射光強(qiáng)度不變時(shí)，光電流隨正向電壓UAK的升高而增大（非線性），當(dāng)電壓UAK達(dá)到一定值時(shí)，光電流就保持飽和值.

4.4 研究當(dāng)保持電壓UAK為一定值時(shí)，光電流大小與入射光強(qiáng)度的關(guān)系

方法：實(shí)驗(yàn)保持光源的發(fā)光強(qiáng)度及它與光電管G陰極的距離，接著再?gòu)漠a(chǎn)生飽和充電流的電壓區(qū)域中任取一電壓值，然后通過(guò)4次改變透光板的透光孔的數(shù)量（由4～3～2～1個(gè)）來(lái)控制入射光的強(qiáng)度，依次測(cè)出當(dāng)入射光強(qiáng)度減少為原來(lái)的時(shí)的光電流飽和值根據(jù)這些數(shù)據(jù)畫(huà)出im－? 圖像，從而研究飽和光電流和入射光強(qiáng)度的關(guān)系.

例如，當(dāng)電壓UAK為90V時(shí)，將入射光強(qiáng)度（4?、3?、2?、1?）各自對(duì)應(yīng)的飽和光電流數(shù)值填入表3.

表3

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，畫(huà)出im－?圖像如圖6.

圖6

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

（1）從表2豎向（列）的數(shù)值看，當(dāng)實(shí)驗(yàn)保持電壓UAK為一定值時(shí)，光電流隨入射光強(qiáng)增大而增大，反之減少.

（2）從表格3和圖6看，飽和光電流的大小和入射光的強(qiáng)度成正比（線性關(guān)系）.根據(jù)推想出“單位時(shí)間里由陰極逸出的光電子數(shù)跟入射光強(qiáng)度成正比”的結(jié)論.

4.5 研究光電子的最大初動(dòng)能與入射光頻率的關(guān)系

（1）將儀器示教板的電源輸入端的正負(fù)極反接，調(diào)節(jié)電位器R，使UAK＝0，按亮小手電筒（光源），保持它與光電管G陰極的距離，這時(shí)光電流為0.4μA，再把紫色濾色玻璃擋在透光板的透光孔，仍有光電流0.2μA，說(shuō)明在沒(méi)有外加電場(chǎng)的條件下，陰極K放出的光電子具有初速度和初動(dòng)能.

（2）調(diào)節(jié)R，使陽(yáng)極A、陰極K間的反向電壓逐漸增大，這時(shí)光電流隨反向電壓的增大而減少，表明反向電壓增大，一部分初動(dòng)能較小的光電子在電場(chǎng)力（阻力）作用下折回陰極K，不能到陽(yáng)極A.

（3）再調(diào)節(jié)R，使反向電壓繼續(xù)增大，直到光電流剛好為0，這時(shí)反向電壓為0.5V.根據(jù)能量守恒定律有，則具有最大初動(dòng)能的光電子恰好不能到達(dá)陽(yáng)極A，即末速度vA＝0，因此它們的最大初動(dòng)能UKAe＝0.5eV.

（4）把光源向光電管移近，以增大入射光的強(qiáng)度，結(jié)果光電流截止時(shí)的反向電壓不變，表示光電子的最大初動(dòng)能的大小跟入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān).

（5）依次換用紅、黃、綠、紫色濾光玻璃片，分別測(cè)出光電流減小到0的反向電壓U，從而測(cè)得用這幾種色光照射時(shí)，K板放出的光電子的最大初動(dòng)能如表4所示.

表4

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：由表4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出入射光的頻率越大，光電子的初動(dòng)能越大.

5 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

（1）定量測(cè)試時(shí)，應(yīng)盡量減少室內(nèi)雜散光進(jìn)入透光板的透光孔，以減少誤差.

（2）在研究光電特性中，選取飽和光電流的電壓值最好不要選取拐點(diǎn)，因?yàn)楣拯c(diǎn)不穩(wěn)定，一般選取飽和區(qū)域中間值，以確保能夠獲得飽和光電流.