光电效应规律实验的研究

康良溪

（福建省同安第一中学，福建 厦门 361100）

1 研究背景

光电效应现象及其规律是人类认识光的粒子性和建立光子说的基础.它是高中近代物理的重点教材内容.在光电效应现象中，光的特性和行为是通过光电流表现出来，它的产生和大小又受到入射光的光谱成分（频率、强度）、金属板的材料以及外电场的电压（正反向和大小）等因素的制约.所以它是近代物理学教学中的难点.要突破这一教学难点，关键在于做好光电效应规律的演示.综上所述，我们研制了光电效应规律演示仪.

2 仪器装置实物图（见图1）

图1

3 制作方法

3.1 制作材料

主要材料：GDB－1型光电管、小手电筒、导线、微调电位器、木板、塑料管等.

外协材料：铁架台，十字夹、试管夹、数字电流表、数字电压表、直流高压电源，都是实验室的普通仪器.

3.2 具体制作方法

（1）仪器示教板由GDB－1型光电管、数字直流电压表（0～250V）、数字直流电流表（0～200μA）、微调电位器、小手电筒（光源）等器件组成.小手电筒对准光电管K极，由夹子固定在铁架台上.示教板再配用250V直流电源供电使用.

（2）制作光电管管罩.作为遮光套筒（如图2），材料是塑料水管，内径比光电管的粗细大一些，在遮光套筒侧面打一个孔径Φ20mm的小孔作为窗口对准着光电管的极板K.遮光套筒窗口上下粘了一对凹槽，作为透光板的轨道.

图2

（3）制作透光板（如图3）.插在光电管的遮光套筒外侧的透光板轨道，可以拖动，制作材料是光滑硬纸板，透光板挖4组透光孔，每个孔径均为Φ5mm（面积为S），透光板每组孔数分别为1、2、3、4，面积分别为1S、2S、3S、4S，实验时依次分别使它对准光电管的遮光套筒（管罩）侧面的窗口，用它来改变射到光电管阴极上的光通量.仪器示教板电路如图4.

图3

图4

4 实验方法

4.1 演示“光电流”的产生和“饱和光电流”

（1）在示教板调节小手电筒（光源）位置，使它与光电管G的阴极保持一定距离（不变），将有4个透光小孔（面积4S）的这一组透光板插在管罩窗口的透光板轨道，然后接上电源E，调整电位器R，使电压表的示数为零；接着按亮这小手电筒（光源），这时观察到电流表示数为0.4μA，为何有这电流？因为光电管阴极K在白光照射下逸出的光电子有一部分迁移到阳极A，光电子在闭合回路中产生电流.若将小手电筒（光源）用纸板遮挡住，电流立即消失，电流表读数为0，拿开纸板，电流又恢复原值.光电子产生的电流，叫做光电流.

（2）调节电位器R，使光电管的极板K和A间的正向电压UAK逐渐升高，这时可以观察到电路里的光电流也随之逐渐增大，当正向电压增到几十伏时，光电流就达到最大值——饱和值，再增加电压，光电流也不再增大了.这表明K极板发射的光电子已全部被A极吸收去.

4.2 演示光电流与入射光频率的关系

实验原理：不同的金属其极限频率不同，只有当入射光频率大于某金属的极限频率时，才能使金属逸出电子，产生光电效应.

实验器材：本仪器使用的光电管是GDB－1型，阴极是用锑铯材料制成，极限频率4.62×1014Hz.准备红、黄、绿、紫4种滤色片，其中红色滤色片的峰值波长为0.6600μm，频率4.55×1014Hz.

透过4种滤色片后的入射光频率见表1.

表1

实验方法：

（1）调整电位器R，使电压UAK＝2V，依次在透光板的透光孔前放黄、绿、紫滤色片，都有光电流，原因是透过这些滤色片后的入射光频率都大于光电管阴极金属的极限频率（4.62×1014Hz），这表明这几种光都能使光电管的阴极（锑铯）产生光电效应.

（2）先在透光板的透光孔前放红色滤色片，不产生光电流；接着，再把光源移近以增大入射光的强度，也不产生光电流.原因是透过红色滤色片后的入射光频率（4.05～4.55×1014Hz）小于光电管阴极金属的极限频率（4.62×1014Hz）.

实验结论：要使某种金属产生光电效应，入射光的频率必须大于某个极限频率，低于这个极限频率的光，无论强度如何，照射的时间多久，也不能产生光电效应.

4.3 研究入射光强不变时，光电流的大小跟正向电压的关系

方法：设光源发光强度为I，则它对距离为r处的透光板的照度，再设透光板单个透光小孔面积为S，那么通过透光板上小孔并照射在光电管阴极K上的光通量，即入射光强，所以只要保持I、r一定，然后分别4次变换透光板的透光孔数分别是4、3、2、1个孔（改变光栏面积），这样就控制了这4次的入射光强各自保持不变.在这4次中，每次实验通过逐渐调整电位器R，使电压UAK由0逐渐升至110V.为了便于数据读数与记录，电压每升高10V就读数一次：读出电压UAK和光电流的相应值.这样4次变换透光板的透光孔数就有4组实验数据，将数据填入表2.

表2

拟合图像：根据表2记录的数据通过Excel功能拟合出i－UAK即光电流随正向电压变化的图像.

图5

实验结论：从表2横向（行）的数值和i－UAK图像（图5）可以得出：当入射光强度不变时，光电流随正向电压UAK的升高而增大（非线性），当电压UAK达到一定值时，光电流就保持饱和值.

4.4 研究当保持电压UAK为一定值时，光电流大小与入射光强度的关系

方法：实验保持光源的发光强度及它与光电管G阴极的距离，接着再从产生饱和充电流的电压区域中任取一电压值，然后通过4次改变透光板的透光孔的数量（由4～3～2～1个）来控制入射光的强度，依次测出当入射光强度减少为原来的时的光电流饱和值根据这些数据画出im－Ø 图像，从而研究饱和光电流和入射光强度的关系.

例如，当电压UAK为90V时，将入射光强度（4Ø、3Ø、2Ø、1Ø）各自对应的饱和光电流数值填入表3.

表3

根据表3数据，画出im－Ø图像如图6.

图6

实验结论：

（1）从表2竖向（列）的数值看，当实验保持电压UAK为一定值时，光电流随入射光强增大而增大，反之减少.

（2）从表格3和图6看，饱和光电流的大小和入射光的强度成正比（线性关系）.根据推想出“单位时间里由阴极逸出的光电子数跟入射光强度成正比”的结论.

4.5 研究光电子的最大初动能与入射光频率的关系

（1）将仪器示教板的电源输入端的正负极反接，调节电位器R，使UAK＝0，按亮小手电筒（光源），保持它与光电管G阴极的距离，这时光电流为0.4μA，再把紫色滤色玻璃挡在透光板的透光孔，仍有光电流0.2μA，说明在没有外加电场的条件下，阴极K放出的光电子具有初速度和初动能.

（2）调节R，使阳极A、阴极K间的反向电压逐渐增大，这时光电流随反向电压的增大而减少，表明反向电压增大，一部分初动能较小的光电子在电场力（阻力）作用下折回阴极K，不能到阳极A.

（3）再调节R，使反向电压继续增大，直到光电流刚好为0，这时反向电压为0.5V.根据能量守恒定律有，则具有最大初动能的光电子恰好不能到达阳极A，即末速度vA＝0，因此它们的最大初动能UKAe＝0.5eV.

（4）把光源向光电管移近，以增大入射光的强度，结果光电流截止时的反向电压不变，表示光电子的最大初动能的大小跟入射光的强度无关.

（5）依次换用红、黄、绿、紫色滤光玻璃片，分别测出光电流减小到0的反向电压U，从而测得用这几种色光照射时，K板放出的光电子的最大初动能如表4所示.

表4

实验结论：由表4实验数据得出入射光的频率越大，光电子的初动能越大.

5 实验注意事项

（1）定量测试时，应尽量减少室内杂散光进入透光板的透光孔，以减少误差.

（2）在研究光电特性中，选取饱和光电流的电压值最好不要选取拐点，因为拐点不稳定，一般选取饱和区域中间值，以确保能够获得饱和光电流.