北京
作者
文_陳思鑫/福建省泉州市第七中學(xué)
光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)涉及量子物理最基礎(chǔ)的內(nèi)容，也是量子物理與經(jīng)典物理學(xué)的重要銜接。物理課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)知道光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，理解遏止電壓、極限頻率、逸出功等概念的含義；理解光子說及其對(duì)光電效應(yīng)的解釋；知道愛因斯坦光電效應(yīng)方程，知道其物理意義。傳統(tǒng)光電效應(yīng)演示器存在一些缺陷，比如無法改變電源方向研究遏止電壓大小，對(duì)光電效應(yīng)的研究缺失重要的一環(huán)；采用指針式表盤，尺寸較小，在演示時(shí)不便于觀察；實(shí)驗(yàn)電路部分已經(jīng)在演示器內(nèi)部連接好，學(xué)生可探究實(shí)踐的內(nèi)容很少，更多的是現(xiàn)象的直觀感受，不利于定量研究。
設(shè)計(jì)思路
設(shè)計(jì)一種自動(dòng)切換多種單色光輸出的光源模組，獲取準(zhǔn)確波長(zhǎng)數(shù)值；將電學(xué)器件設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)模塊，采用總線方式傳輸數(shù)據(jù)；由學(xué)生自主進(jìn)行電路連接，支持拓展更多模塊進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)探究；采用電容式觸摸屏操控實(shí)驗(yàn)設(shè)備、設(shè)置參數(shù)、處理數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)微課；利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打通實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)多終端數(shù)據(jù)共享與處理，包括交互界面、黑板磁吸電表、網(wǎng)頁端數(shù)據(jù)大屏、打印模塊及手機(jī)端等，支持實(shí)時(shí)展示與深度分析；通過記錄學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的操作痕跡，對(duì)學(xué)生進(jìn)行過程性評(píng)價(jià)；裝置能完成描繪光電管伏安特性、遏止電壓與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系、飽和光電流的決定因素、測(cè)量液體的濃度、光電傳感器設(shè)計(jì)等多個(gè)實(shí)驗(yàn)，多種數(shù)據(jù)終端能適用于不同課堂需求，可適用于演示實(shí)驗(yàn)、分組實(shí)驗(yàn)及課外創(chuàng)新拓展。
項(xiàng)目制作
硬件設(shè)計(jì)
為定量計(jì)算遏止電壓與入射光波長(zhǎng)的規(guī)律，需要獲得準(zhǔn)確的單色光波長(zhǎng)，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種可輸出多種波長(zhǎng)的光源模組（圖1）。選擇8種在可見光范圍內(nèi)的LED，固定在帶有聚光鏡的LED燈座上，呈圓周狀均勻排列。整個(gè)LED燈盤通過一個(gè)帶有磁編碼器的360°舵機(jī)驅(qū)動(dòng)定位，每個(gè)LED燈的工作電壓和通斷控制信號(hào)可由主控器發(fā)出，LED燈的波長(zhǎng)準(zhǔn)確數(shù)值通過光譜儀測(cè)量得出。
圖1 光源模組
本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用可自動(dòng)切換多孔徑光闌（圖2），共設(shè)計(jì)了8種不同孔徑均勻分布在圓盤上，由舵機(jī)驅(qū)動(dòng)。該圓盤直徑與固定LED燈座的圓盤相同，并且對(duì)心安裝，確保不同孔徑的光闌與LED燈對(duì)心。
圖 2 多孔徑光闌
本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選擇的GD-28光電管（圖3）是一款側(cè)窗式銻鉀銫光電陰極，為了避免外界光線影響，把光電管安裝在一個(gè)黑色3D打印的遮光罩中，在側(cè)面預(yù)留出開窗。GD-28光電管的陽極形狀為一個(gè)線框，光路避免直接照射到線框上，可有效減少陽極電流，把陰極和陽極用導(dǎo)線連接到底部端子連接座上。
圖 3 GD-28 光電管
為精確測(cè)量光電管中的微弱電流及遏止電壓，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用高精度直流數(shù)顯數(shù)字表頭，支持?jǐn)?shù)碼管實(shí)時(shí)顯示電壓、電流數(shù)值，并配備隔離RS485接口，實(shí)現(xiàn)電表數(shù)據(jù)的傳輸與采集。
本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了20余種尺寸為6?cm×6?cm或6?cm×3?cm的標(biāo)準(zhǔn)化電學(xué)器件，底部帶有磁鐵（圖4），以及可以自由放置的磁吸式電學(xué)實(shí)驗(yàn)區(qū)。電學(xué)器件通過可堆疊式2?mm的香蕉頭插接件快速實(shí)現(xiàn)線路連接，并提高電路可靠性。支持學(xué)生自主設(shè)計(jì)更多電學(xué)器件，電學(xué)實(shí)驗(yàn)區(qū)可以安裝更多的拓展電學(xué)器件模塊進(jìn)行課外創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的探索。
圖 4 標(biāo)準(zhǔn)尺寸的電學(xué)器件模塊
在實(shí)驗(yàn)面板上安裝一塊7寸IPS帶觸摸功能的顯示屏，作為交互界面。該屏幕通過對(duì)應(yīng)的界面開發(fā)軟件設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)易編程，可以實(shí)現(xiàn)豐富的控件特效，支持視頻、動(dòng)畫播放，并借助串口與主控器連接。
磁吸式演示電表（圖5）可吸附在黑板上，通過連接實(shí)驗(yàn)箱中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可同步顯示實(shí)驗(yàn)箱中的數(shù)據(jù)，也可同步操控實(shí)驗(yàn)設(shè)備。演示電表數(shù)值顯示采用1寸的LED，學(xué)生讀數(shù)更加清晰。通過調(diào)節(jié)旋鈕可設(shè)置顯示數(shù)值的單位、選擇所要顯示的物理量等。
圖 5 磁吸式演示電表
物聯(lián)網(wǎng)功能
基于物聯(lián)網(wǎng)的多終端包括交互屏幕端、手機(jī)端、磁吸電表端、網(wǎng)頁端。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打通物理實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)流，在多個(gè)數(shù)據(jù)終端共享數(shù)據(jù)并進(jìn)一步分析處理，多種數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式可供師生靈活選擇。物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。
圖6 物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖
實(shí)驗(yàn)測(cè)試
測(cè)量光電管伏安特性曲線
實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong>①探究光電管正向電壓與光電流的關(guān)系。②探究光電管反向電壓與光電流的關(guān)系。
實(shí)驗(yàn)步驟①通過電源方向切換開關(guān)，選擇對(duì)光電管加正向電壓，電位器旋鈕旋至輸出電壓為0的位置，確保開關(guān)斷開狀態(tài)。②通過觸摸屏控制光源輸出520?nm波長(zhǎng)、光闌直徑14?mm，電流表應(yīng)有讀數(shù)。③通過電位器旋鈕逐漸增大正向電壓，手動(dòng)采集數(shù)據(jù)后，在磁吸電表、網(wǎng)頁端等同步顯示數(shù)據(jù)。④斷開開關(guān)，切換電源方向?yàn)榉聪螂娫?，重?fù)測(cè)量。⑤改變電源輸出的單色光波長(zhǎng)，改變光闌直徑，重復(fù)測(cè)量。
實(shí)驗(yàn)結(jié)論①從光電管正向電壓與光電流的關(guān)系中可以看出，隨著電壓增加，光電流越大，并趨于某一飽和電流；相同波長(zhǎng)的入射光，供電電壓越大（光強(qiáng)越強(qiáng)），其光電流增大。②隨著光電管兩端的反向電壓越大，光電流迅速降低；當(dāng)光電流為零時(shí)，測(cè)得不同波長(zhǎng)下的遏止電壓。可以看出波長(zhǎng)越短，遏止電壓越大。同一波長(zhǎng)，不同光強(qiáng)的光，遏止電壓一樣。
遏止電壓與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系
實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong>①定量測(cè)量遏止電壓與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系。②測(cè)量普朗克常量。③測(cè)量光電管陰極材料極限波長(zhǎng)。
實(shí)驗(yàn)步驟①光電管兩端加上反向電壓。②選擇不同的入射光光源，并記錄入射光波長(zhǎng)。③光闌直徑、供電電壓不變，通過調(diào)節(jié)電位器，增大反向電壓大小，直到光電流剛好穩(wěn)定顯示為零時(shí)，記錄反向電壓的大小。④重復(fù)測(cè)量5種以上入射光對(duì)應(yīng)的遏止電壓。
通過觀察波長(zhǎng)與遏止電壓之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)波長(zhǎng)越大，遏止電壓越小，猜想波長(zhǎng)的倒數(shù)與遏止電壓之間呈線性關(guān)系。經(jīng)過擬合得到
U=11.804/λ-1.829的關(guān)系，通過觀察圖像，
U與1/λ在誤差允許范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。
進(jìn)一步通過愛因斯坦光電效應(yīng)方程分析
hv=w+Ek，又有最大初動(dòng)能
Ek=eU，頻率，逸出功，代入并整理可得，對(duì)比圖像，可以知圖像斜率，截距，通過計(jì)算可以得出普朗克常量的測(cè)量值
h=6.295×10-34J·s ，與真實(shí)值對(duì)比相對(duì)誤差為5.62%。測(cè)出該光電管材料的極限波長(zhǎng)0=645?nm。
創(chuàng)新拓展實(shí)驗(yàn)：光電效應(yīng)測(cè)量液體的濃度
實(shí)驗(yàn)原理由于溶液對(duì)光有吸收作用，其吸光率滿足公式
A
Kbc
K為吸收系數(shù)，
c為溶液的濃度，
b為溶液的透光厚度）。在光源和光電管之間放置試管，試管內(nèi)倒入溶液，光線透過溶液就會(huì)有一部分被吸收，那么對(duì)應(yīng)光電管的光電流就會(huì)減少。不同濃度的吸光率不同，所以其光電流也有差別。在入射光波長(zhǎng)和強(qiáng)度保持不變的情況下，通過測(cè)定某種溶液不同濃度對(duì)應(yīng)的光電流大小，可以得出液體濃度和飽和光電流的圖像。
后續(xù)根據(jù)該圖像得出的濃度與飽和光電流的關(guān)系式，通過測(cè)定未知濃度溶液對(duì)應(yīng)的飽和光電流就能得知其濃度大小，極大程度地簡(jiǎn)化液體濃度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)步驟。
評(píng)價(jià)功能的實(shí)現(xiàn)
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的過程性評(píng)價(jià)，通過RS485總線實(shí)時(shí)記錄學(xué)生操作痕跡和各個(gè)傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)值，利用上位機(jī)軟件分析學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的準(zhǔn)確程度，輔助評(píng)分者作出更精準(zhǔn)的判斷。對(duì)實(shí)驗(yàn)操作過程構(gòu)建科學(xué)量化標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)操作能力的評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)量表詳見表1。
該項(xiàng)目獲得第 38 屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員科技教育創(chuàng)新成果一等獎(jiǎng)
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來源 | 《中國(guó)科技教育》2025-03
編輯 | 孟想
審校 | 若惜、朱志安
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