光电效应演示实验的研究与实践，本文主要内容关键词为：光电效应论文,演示论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
在一些教学参考书和杂志上都有介绍演示光电效应实验的方法，其中有两种方法具有一定的代表性。一种是事先使锌板带上负电荷的演示方法，另一种是采用附加电场的演示方法。我们按照原文中介绍的这两种演示方法进行了多次实践，并做了一些与其相关的实验，发现有些不妥之处，对这两种演示光电效应的实验方法产生了一些异议。
文中介绍的第一种方法，如图1a所示（原文中的演示装置图）。事先使锌板带上负电荷，与锌板连接着的验电器指针张开一个角度，当用紫外线照射到锌板时，则验电器指针张角很快闭合。这就说明了紫外线照射锌板时，有光电子逸出，发生了光电效应。这个演示实验是很容易做成的，但是用这个演示来介绍光电效应现象是不妥当的，其理由如下：
附图
图1
①此方法容易使学生产生锌板失去的电子只是原来多余的电子的误解，这不利于对光电子发射的正确理解，所以不利于教学。
②使图1a中的锌板带上正电荷，验电器指针张开一定角度，用紫外线来照射锌板。按理说锌板由于“失去电子”，验电器指针张角应变大，但是实验结果恰恰相反，验电器指针张角同样很快地减小直至闭合。
③按图1a装置，使锌板带正电或带负电，当用点燃着的火柴靠近时，验电器指针张角都以很快的速率减小到零。
④用紫外线照射原来不带电的锌板时，验电器指针张角始终为零。
⑤将锌板换成铝板或铜板，重复上面所有实验，结果也都相同。
于是认为：
①带负电的锌板在紫外线照射下，失去负电荷的现象作为说明光电子发射的理由是不够充分的。
②在锌板先带上负电荷的情况下，用弧光灯照射而失去电子是由于空气在弧光照射下，发生电离，锌板上的多余电子与空气中的正离子中和的结果，而主要的不是光电效应。
文中介绍的第二种方法，如图1b所示（原文中的演示装置图）。锌板与验电器相连，若用紫外线直接照在不带电的锌板上时，验电器指针不张开。把有绝缘柄的带正电的金属网或带正电的有机玻璃棒放在弧光灯和锌板之间（且距离锌板不宜太远，大约10cm），则验电器指针张开一定的角度，这说明紫外线照射到锌板时发生了光电效应。这个实验也是很容易完成的，同样用这个实验来介绍光电效应现象也是不妥当的，其理由如右图：
①在实验过程中，移走带正电的有机玻璃棒或金属网，验电器指针张角迅速减小到零。按理说锌板“失去电子”，验电器指针张角应不变。
②在没有紫外线照射锌板的情况下，将带正电的有机玻璃棒靠近锌板，同样约离锌板10cm左右，验电器指针也张开一定的角度，带正电的有机玻璃棒离锌板越近，验电器指针张角越大。
③把用毛皮摩擦过的硬橡胶棒（带负电）放在弧光灯和锌板之间，验电器指针同样张开一定的角度。
④将锌板换成铝板或铜板，重复上面实验结果也都相同。
于是认为，用这种方法演示的现象主要是静电感应现象而不是光电效应。
综上所述，文中两个演示光电效应的实验，所看到的现象一个是由于空气被电离的结果，另一个则是静电感应现象，二者均不属光电效应现象。
物体（主要是金属）在光的照射下发射电子的现象叫做光电效应。光电效应原理的演示实验，完全按课本上的装置做不易做成，它的成功率几乎是零。其主要原因是：
①锌板被紫外线照射后，在锌板的周围形成一层空间电子云，这层电子云严重地阻碍了光电子的运动，甚至可能还有相逆的作用，因为紫外光频率与金属的极限频率相比不够大，使逸出的光电子所获取的初动能比较小。
②验电器不够灵敏。
为了有利于学生较直观、全面的获得感性认识，建立正确的光电效应概念，我们参照了《物理教学》中介绍的用伦琴射线作为光源演示光电效应的方法。多次实践，采用伦琴射线代替紫外线进行该实验，能够较成功地演示光电效应。因其射线波长是几十到几百埃，能使光电子获得较大的初动能，从而能够克服电子云的阻碍。现将此方法介绍如下，如图2所示。将事先用砂纸擦净不带电的锌板固定在验电器金属杆上，验电器指针张角为零。将演示用的伦琴射线管（J2512型）固定在铁架台上，并且离锌板距离为10cm左右。接通电源，伦琴射线照射锌板，验电器指针张开较大的角度（约45度左右）。断开电源，伦琴射线停止照射，验电器指针张角仍然不变。然后，用跟丝绸摩擦过的有机玻璃棒（带正电），靠近锌板，发现验电器指针张角变大。这说明锌板在射线照射下，失去电子而带正电。用这样的实验来说明锌板发射光电子的物理过程是比较确切的，这对于讲解爱因斯坦方程hv=1/2mv[2]+w也是比较有利的。
附图
图2
另外，利用上述实验装置还可以做两个现象非常明显的演示实验。
实验一 使与验电器连接的锌板带上负电，验电器指针张开一定角度。然后用伦琴射线照射锌板，验电器指针张角减小到零然后又张开。伦琴射线停止照射，用带正电的有机玻璃棒靠近锌板，验电器指针张角变大。证明锌板由于释放电子而带正电。
实验二 使与验电器连接的锌板带上正电，验电器指针有一张角，然后再用伦琴射线照射锌板，可以看到验电器指针张角变得更大。
这两个实验说明，伦琴射线虽然同样能使空气电离，但由于它的光子能量比紫外线大得多，因此在使空气电离，锌板失去多余电荷的同时，使锌板释放光电子产生光电效应中起了主要作用。而紫外线虽然从理论上讲能使锌板释放电子，但在非真空条件下，一般验电器灵敏度又不够高的情况下，使锌板失去多余电荷的原因，主要是由于空气电离而不是光电效应。
总之，利用伦琴射线来演示光电效应，既不用使锌板事先带上负电荷或增设附加电场，又不要考虑空气被电离的因素，所以无需向学生解释由于在演示过程中增设的附加条件、设备等引起对所观察到的现象的猜疑和误解。该方法直观、全面地还光电效应的本来面目，突出了主要矛盾，让学生清楚地认清了光电效应的本质特征和规律。
实验提示
①实验前，用砂纸打擦锌板表面并用干纱布揩净（实验成功的关键）。
②伦琴射线管安装时，让射线沿平行于黑板的方向射出，不要朝向观察者。
③空气湿度较大时，可借助红外线照射。既可干燥验电器周围的空气，又可让学生看到低于锌板极限频率的红外线，产生不了光电效应。
④查有关专业实验文献得知，从光照到产生光电子（光电效应）的过程非常快，一般不超过10[-9]秒，几乎是瞬时的，停止照射，光电子（光电效应）立即消失。