光电效应实验的改进，本文主要内容关键词为：光电效应论文，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。
光电效应实验是建立光的粒子性的重要实验，然而，按照人教版物理教材如图1所示的装置演示实验，验电器指针是不会张开的。
一、光电效应演示实验不成功的原因分析 不考虑紫外线电离空气等因素的影响，在理想情况下进行分析。 电子在紫外线照射下离开锌板，导致锌板带正电，电势升高，设升高的电势为U。当锌板电势升高很小时，逸出电子的最大初动能
＞eU，光电子能摆脱带正电锌板形成的电场束缚而离开锌板。随着电子的不断逸出，锌板电势不断升高，当
=eU时，逸出的电子与在锌板电场力作用下回到锌板的电子达到动态平衡，锌板电势不再升高。通过计算可得此时锌板对地电势U=1.56V，而静电计的启动电压起码要上100V，显然1.56V的电压是不可能让静电计指针张开的。 二、两种常见的光电效应改进方法与缺陷分析 1.加负电法 因为采用上面的做法很难成功，所以有人采用在锌板上先加负电的方法来做这个实验。锌板一开始就带负电，当紫外光一照时，被打出的电子加速离开锌板，没有电子滞留在锌板附近空间，本来就带有负电的静电计指针很快就闭合。 缺陷分析：虽然光子能把事先放到锌板上的电子打出来，从而说明光的粒子性，但在学生的心里，总是有些疑惑，被打出的电子是事先放入锌板的，并不是锌板内原有的自由电子，锌板并没有产生光电效应。 2.伦琴射线法 如下页图2所示，在伦琴射线管两端加高压，此管能产生X光子，X光子能量很大，被打出的电子初速度也很大，使电子立即逃得很远，在锌板附近“电子云”非常稀薄，有利于电子继续逸出，因而静电计指针张开。
缺陷分析：笔者也做了该实验，在伦琴射线管的两端加高压，而锌板就处在这个高压电场中，受这个静电场的影响，静电计指针张开；把锌板移走，静电计指针也会张开。新的疑惑又产生了，静电计指针的张开，是高压静电场的原因，还是光电效应的原因呢？ 三、3种光电效应实验改进方案 基于以上分析，笔者查阅相关资料，经过大量尝试，改进了实验用的静电计。改进后的静电计启动电压低、灵敏度高、电荷保存时间长，同时改进了实验方案，克服了实验难点，成功演示了光电效应实验。 1.静电计改装 静电计是教学过程中常用的演示仪器，然而购买的静电计性能并不理想。经分析可知，当静电计带电后，漏电原因主要是指针金属杆与外壳之间绝缘不良、指针或支架上有毛刺产生尖端放电现象。影响灵敏度的原因有转轴的摩擦、指针质量、重心位置等。为了提高静电计的性能和灵敏度，笔者利用废旧静电计、泡沫板、导电纸自制了一个简易静电计，如图3所示。
制作步骤如下。 （1）用玻璃胶将5块硬泡沫板粘成盒子状。 （2）用剪刀将废旧静电计的指针下端稍微剪掉一点，调节重心位置，以提高灵敏度；将指针的针尖剪成圆弧形，并用砂纸打磨去掉毛刺，以防止尖端放电；重新调节指针与转轴间的松紧度，以减小摩擦。 （3）在静电计的内侧粘贴导电纸，静电屏蔽静电计内部，能防止外界电场干扰而导致的指针偏转，还可起到背景衬托、提高可见度的作用。 改装后的静电计启动电压低、灵敏度高、电荷保存时间长，演示效果较好。 2.改进方法1 （1）实验步骤。 ①如图4所示，用带手柄铝板、塑料薄膜、铝板组成一平行板电容器。
②将铝板水平放置，下面铝板与静电计外壳相连，塑料薄膜放在铝板上，带手柄铝板放在最上面，紫外光灯管固定在铝板上方1cm处。 ③让紫外光照射铝板，光照时间大约为30s，而后用手握住有机玻璃手柄，将铝板移至静电计顶部与金属球接触，此时指针张开，说明铝板确实产生了光电效应。 ④用摩擦过毛皮的胶木棒靠近静电计顶部金属球，静电计指针张角减小，说明铝板确实带正电。 （2）实验原理。当紫外光照到铝板上后，铝板失去电子而带正电，由于下面铝板接地，静电感应而产生负电，在平行板电容器上形成了一静电场。当铝板被移走时，电容器的两极板之间距离增大、相对面积减小。因为电量不变，电容值变小，电压变大，所以铝板对地电压被放大了，放大倍数可达千倍，这当然能使静电计指针张开。电压被放大了，那么能量被放大了吗？其实在移走铝板时，人要克服电场力做功，使铝板电势能增加，因此铝板对地电压也升高了。平行板电容器在此充当了静电电压放大器的作用。对于这种做法，学生不仅不会产生疑惑，而且可以复习巩固平板电容器的相关知识，运用所学知识解决实际问题。 3.改进方法2 （1）实验步骤。 ①如图5所示，将带正电静电计放在紫外线灯下方，使铝板良好接地（或直接用手拿住）。
②用紫外线照射铝板，发现静电计指针张角慢慢减小，直至闭合，这说明发生了光电效应。 ③用点亮的100W白炽灯照射铝板，静电计指针张角不变，说明没有发生光电效应。 （2）实验原理。用紫外线照射铝板，铝板的逸出功为4.2eV，实验用紫外线一个光子能量hv=4.90eV，满足发生光电效应条件，有光电子从铝板逸出。逸出的光电子受到带正电静电计的吸引，飞向验电器并与正电荷中和，因此验电器指针张角减小。因为铝板接地，虽有电子逸出，但铝板电势不会升高，所以逸出的电子在验电器正电荷吸引下，飞向验电器与其中和，指针张角逐渐减小，直至闭合，由此说明发生光电效应。而在用白炽灯照射时，即使时间再长验电器指针张角也不变，这说明没发生光电效应[1]。对照比较，更有说服力。 （3）注意事项。在做该实验时，铝板必须良好接地，否则一开始用紫外线照射时，静电计指针张角会减小一点，但很快指针张角就不再减小了。因为当有电子从铝板逸出时，铝板会带正电，电势升高；逸出的电子与静电计导杆所带正电荷中和，电势降低。当二者电势接近时，指针张角不再减小。 4.改进方法3 利用白光做光电效应实验，需要用到驻极体。驻极体概念、制作、实验步骤及原理介绍如下。 （1）驻极体。将电介质放在电场中就会被极化。许多电介质的极化是与外电场同时存在同时消失的。也有一些电介质，受强外电场作用后其极化现象不随外电场去除而完全消失，出现极化电荷“永久”存在于电介质表面和体内的现象。这种在强外电场等因素作用下，极化并能“永久”保持极化状态的电介质，称为驻极体。 （2）驻极体制作。用手用力摩擦泡沫板，然后用铝盘盖在摩擦面上，拎起铝盘，触地放电，反复多次，直到泡沫板表面被摩擦出来的电荷完全放完为止。这样一块驻极体就制造出来了。 （3）实验步骤。如图6所示，在桌面上放置一块泡沫驻极体，在泡沫驻极体的上面放一块带有绝缘手柄的铝盘。用普通的灯泡发出的白光或太阳光照射铝盘，照射时间30s，铝盘中的电子被光子打出，铝盘带正电。将铝盘移至静电计上，静电计指针张开，说明电子确实被打出。
（4）实验原理。如图7所示，铝盘在驻极体电场的作用下，上表面带负电，下表面带正电，上表面的电子逸出功减小，因此在白光的作用下，许多电子被打了出来。虽然有许多电子被打了出来，铝盘带了正电，但对地电压还是太小。用手拿起绝缘手柄，使铝盘对地电容大大减小，而电压大大增加，当碰到静电计时，指针张开。 （5）实验优点。 ①实验取材方便、环保，便于操作。 ②实验现象明显，便于多次演示。 ③实验操作安全可靠。 四、光电效应实验改进体会 1.增强了学生学习物理的兴趣，提高了课堂效率 光电效应实验的成功演示，不仅吸引了学生的注意力，增强了其学习兴趣，而且成功突破了教学难点和重点，提高了课堂效率，并为学生建立光的粒子性这一重要观念提供了实验依据。 2.提高了教师动手开发、研究实验的能力 经历了光电效应实验难点分析，查阅了同行的改进方案，并在原有实验基础上突破了实验难点，成功演示了光电效应实验，从而既体会到了劳动的艰辛，又收获了成功的喜悦；既增强了教师的动手能力和研发实验的能力，又促进了教师的专业化发展。
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