基于用光电效应测量普朗克常数的实验教学探讨

摘要：为了提高光电效应测量普朗克常数实验的教学效果，针对学生在实验教学中存在的主要问题，提出了光电效应测量普朗克常数的实验教学设计，达到了教学效果好、实验误差小的效果，同时也培养了学生的实验综合能力。

关键词：普通物理实验;光电效应;普朗克常数;教学设计

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）20-0220-02

一、引言

光电效应在工程技术和现代科技领域中有着广泛的应用，利用光电效应制造光电转换器来实现光信号与电信号之间的相互转换，这些光电转换器如光电管、光敏电阻、光电耦合器、光敏二极管、光敏三极管、光电池、光电倍增管等广泛应用于光功率测量、光信号记录、光电法测转速、光电控制电路、鼠标器、电影、电视和自动控制等现代生产和科研中。普朗克常数是近现代物理以及自然界中一个很重要的常数。用光电效应测量普朗克常数是很多高校必须开设的近代物理实验之一。

二、实验教学中学生存在的主要问题[1]

通过多年来的大学物理实验教学，发现学生在实验中存在着各种各样的问题，导致实验教学效果不佳。

1.实验预习不到位。学生没有认真对实验进行预习，实验目的不明确，对实验原理和实验内容不清楚，对实验仪器的使用一无所知，写的实验预习报告完全是照着书抄一遍。

2.实验综合素质能力不强。对实验内容和步骤很不熟悉，完全离不开教师的讲解，按照教师所讲的机械地去操作测量实验数据，在实验中不能用所学的物理理论去判断所测实验数据的正误，不能发挥团结协作精神和动手、动脑的能力。

3.撰写实验报告质量较差。撰写实验报告不规范，一部分学生对实验数据不进行处理或处理数据有误，实验报告的内容完全照着书一个字不漏的抄写下来，缺乏归纳、总结能力和对实验数据的处理能力。

三、光电效应测量普朗克常数的实验教学设计

1.了解学生预习实验的情况，为有的放矢教学作准备。首先在上课前检查学生是否按要求写了预习报告，然后提出学生要能独立的完成该实验必须知道的几个关键问题：①光电效应实验规律是什么？②测量普朗克常数的原理是什么？③测量普朗克常数要测的关键物理量是什么？④什么是截止电压？⑤测量截止电压的方法有几种？通过随机抽查让学生回答问题，并作为预习实验成绩，促使学生提高预习实验的效果。再者，教师根据学生回答问题的情况有针对性的对实验进行讲解，有利于提高实验教学效率。

2.重点讲授测量普朗克常数的实验原理[2]和方法。结合光电效应的实验原理图（如图1所示），用爱因斯坦的光子理论和光电效应方程解释光电效应的四条规律。着重分析当光电管两端加反向电压时，光电流迅速减小，当反向电压达到某一值U 时，光电流为零，此时加在光电管两端的反向电压称为截止电压U ，这表明了光电子的初动能全部用来克服外电场力做功。故eU = mυ  ？摇①，爱因斯坦的光电效应方程：hv= mυ  +W②，逸出功和金属的截止频率的关系：W=hv ③，由①、②、③式解得：U = （v-v ）④，④式说明U 与入射光频率v成线性关系。

实验中减小测量不同频率对应的截止电压U 的实验误差是提高测量普朗克常数精确度的关键。可用不同频率的入射光照射光电管，分别测出相应的截止电压U ，为了减小测量截止电压U 的实验误差，可以多测量几次，取平均值。然后就可做出U ～v的实验直线（图2），此直线的斜率就是k=h/e，为了减小实验的误差，采用最小二乘法[3]求出直线的斜率k，即：

其中，

再利用h=ke，计算出普朗克常数h。

3.介绍实验仪器的使用。学生对实验仪器不熟悉，要在有限的时间内完成实验确实存在着困难。首先介绍实验仪器XD-ZP4智能光电效应实验仪：由汞灯及电源、滤色片、光阑、光电管、智能测试仪构成。照射光电管的单色光是由汞灯所发出的复色光分别通过365nm、405nm、436nm、546nm、577nm不同波长的滤色片后就变成了365nm、405nm、436nm、546nm、577nm的单色光，然后介绍智能测试仪的各个旋钮、按键等的作用和使用方法，着重讲解在实验过程中怎样使用智能测试仪测量截止电压。首先将“电流量程”置于所需档位，断开输入到智能测试仪的电流输入线，然后对测试仪进行校零，再接通输入到智能测试仪的电流输入线后做实验。在实验中，如改变“电流量程”就必须对测试仪进行重新校零。而电流的量程选择遵从由小量程逐渐到大量程，电压的量程选择是：如加在光电管两端的电压在-2V～0V就选-2V～0V档，如加在光电管两端的电压在2V～20V就选0V～50V档。

4.测量截止电压U的实验方法。测量不同频率对应的截止电压的实验误差直接影响测量普朗克常数的精确度，因此选择合适的测量截止电压的方法是关键。测量截止电压的方法有拐点法、交点法（零电流法）和补偿法。由于我们所用的实验仪器采用了新型结构的光电管，光电管的阳极反向电流、暗电流、本底电流水平很低，因此采用交点法和补偿法测量截止电压误差较小。

（1）拐点法：分别用不同波长的单色光照射光电管，通过改变加在光电管两端的电压（-2V～20V），测出对应的通过光电管的电流，然后用描点法绘出不同波长对应的光电管的伏安特性曲线图，从图上找出“抬头点”（如图3所示的a点），“抬头点”所对应的电压就是截止电压U（如图3所示）。再分别画出五条光电管的伏安特性曲线图，从而得出五个波长对应的截止电压。用此方法测量截止电压主观误差大，由此计算出的普朗克常数误差大，在实验中一般不采用拐点法来测量截止电压，只是让学生了解此方法。

（2）交点法（零电流法）：将电压选择按键置于-2V～0V档，将“电流量程”选择开关置于10-13档，并对测试仪进行校零。分别用不同波长的单色光照射光电管，改变加在光电管两端的电压使通过光电管的电流为零，此时所对应的电压就是用不同波长的单色光照射光电管所对应的加在光电管两端的截止电压U。此方法要求学生掌握。

（3）补偿法：将电压选择按键置于-2V～0V挡，将“电流量程”选择开关置于10-13档，分别用不同波长的单色光照射光电管，当改变加在光电管两端的电压为UAK时，使通过光电管的电流为零，然后保持UAK不变，遮挡汞灯光源，此时测得的电流I为电压接近截止电压时的暗电流和杂散光产生的电流。重新让汞灯照射光电管，调节电压使电流至I，将此时对应的电压分别为用不同波长的光照射光电管的截止电压U。有兴趣的学生在实验室开放时可以用此方法来测截止电压U，从而计算出普朗克常数并与用交点法测截止电压U计算出的普朗克常数进行比较，找出减小实验误差的最佳方法。此方法要求学生理解。

5.实验注意事项。①每次改变测试仪“电流量程”，都应调零。②在实验过程中保持照射光电管的光强不变，即保持光源和光电管之间的距离为40cm。③选择合适的电流量程和电压量程。④不要用手去摸滤色片。

6.实验报告的撰写。实验报告是在预习报告的基础上进行修改和完善。它包括实验名称、实验目的、实验原理、实验器材、实验内容和步骤、实验数据记录、实验数据的处理、实验误差讨论。着重讲解实验数据的分析和处理，培养学生处理和分析数据的能力。为了提高撰写实验报告的质量，教师可以把往届生写得好的实验报告上传到网络学堂上让学生作为参考。

通过以上教学设计，学生对该实验掌握得比较好，提高了实验教学效果。总之，在大学物理实验教学中要针对不同的学生采用不同的教学方式和方法，充分发挥学生的学习积极性和主动性，培养学生的实验观察能力、实验动手能力、理论联系实际的能力，发现问题、分析问题、解决问题的能力，分析处理实验数据的能力，总结、归纳和撰写实验报告的能力以及求实的科学精神和协作精神。

参考文献：

[1]王本菊.理工科学生学习大学物理实验的现状及其对策[J].四川师范大学学报（自然科学版），2013，（36）.

[2]蒲利春，王本菊.大学应用物理实验[M].成都：西南交通大学出版社，2005.

[3]温诚忠，郭开惠，魏云.大学应用物理实验[M].成都：西南交通大学出版社，2002.