光电效应演示实验几种方案的比较

李志武

(保定市第三中学 河北 保定 071051)

1 以往实验中存在的问题

中学物理教材(人教版)中的光电效应的演示实验表述如下：将擦亮的锌板和验电器相连，用弧光灯照射锌板，锌板带电，验电器的指针就会张开.但用此实验方案操作时验电器指针并不会张开.分析如下：

假设弧光灯的温度为6 000 K，根据维恩位移定律

λmT=b=2.88×10-3m·K

和频率公式

计算得此弧光灯在6×1014Hz附近的辐射强度最大，设此频率的辐射强度为1.由普朗克黑体辐射公式

可知其辐射频率为1016Hz(40 eV)的电磁波强度只有10-30，即频率大于1016Hz的光子数几乎为零.所以用弧光灯照射的锌板对地电压不会超过40 V.而实验表明给验电器的小球和外壳之间加上400 V的电压，验电器的指针角度不大于5°.所以弧光灯照射下的锌板带电的电压不会使验电器指针张开.

2 3种实验改进方案

【方案1】使锌板预带电.

实验器材:锌板,弧光灯,指针验电器,毛皮,橡胶棒,丝绸,玻璃棒.

实验步骤：

(1)让锌板和验电器带一定量的负电荷(如接触和毛皮摩擦过的橡胶棒)，用弧光灯照射锌板，观察到验电器的指针迅速下降，说明了在弧光灯的照射下锌板表面有电子飞出.

(2)让锌板先带一定量的正电荷，用弧光照射，观察到验电器的指针偏角不变.

原因分析：锌板受紫外线照射后，电子从锌板表面飞出，由于带负电的锌板电势比周围空间的电势低，其周围的电场能够使电子在电场力的作用下向外加速运动，使锌板带的负电荷很快消失.若锌板带正电，则锌板的电势比周围空间高，紫外线照射锌板后，其表面飞出的电子，在电场力的作用下又重新飞回锌板表面，所以锌板上仍然带正电.

综上所述，可以说明锌板在受弧光灯照射后有电子从表面飞出.

【方案2】在锌板旁边用带正电的物体，吸附锌板释放出的电子，如图1所示.

图1

实验步骤:

(1)将不带电的锌板和验电器相连.用带正电的玻璃棒靠近锌板后远离,可以看到验电器的指针先张开,后闭合.

(2)用弧光灯照射锌板，再次将带正电的玻璃棒靠近锌板后远离,可以看到弧光灯照射锌板时验电器指针并不发生偏转.玻璃棒靠近验电器时验电器的指针张开,玻璃棒移走后验电器指针并不完全闭合；说明此时锌板带电,进一步的检验证明锌板带正电.

图2

(3)用弧光灯照射锌板，将带负电的橡胶棒靠近锌板后远离.可以看到橡胶棒靠近验电器时验电器的指针张开,橡胶棒移走后验电器指针完全闭合,说明此时锌板不带电.

【方案3】利用光电管进行实验.

实验器材：数字电流表(或MF500型电表)，GD-28型光电管，自制彩色光源.

实验步骤：

(1) 将光电管与电流表连成图3所示的电路.

图3

(2)将高亮度发光二极管(红、黄、绿、蓝各一支)串联适当电阻后接到电源上制成彩色光源.

(3)电阻的阻值可以按如下公式估算

其中E代表电源电压，U为发光二极管的工作电压.红色发光二极管的工作电压为2.4 V，其他颜色的发光二极管工作电压在3.3 V左右；I为发光二极管的工作电流，一般为20 mA，连接不同的发光二极管就能得到不同的单色光源.

注意事项：为了避免环境光对光电管的干扰，应在光线比较弱的室内进行或把光电管放在有开口的暗盒中.

实验现象：用红光照射光电管时，电流表没有示数.当用绿光、蓝光照射光电管时，电流表有示数，电流的大小随发光二极管与光电管的距离而变化;单个发光二极管照射时产生的最大电流可达到2～3 μA.说明了光电效应的产生和光的频率有关.

3 实验方案的比较

前两种实验方案和教材上给出的方案仪器相近，但都借助于加速电场来达到实验目的.在讲述时需要向学生讲明加速电场的作用，以免产生误解.

第3种方案没有借助外界电场，实验原理最简单，且实验不受天气影响，成功率最高.缺点在于光电管太小，课上学生不易观察其结构.在授课时可结合板书(或幻灯片)给出光电管的示意图，便于学生理解其结构.