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

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