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科技教育創(chuàng)新成果一等獎(jiǎng):基于物聯(lián)網(wǎng)的多終端光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

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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(yè)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(yáng)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(yáng)極電流,把陰極和陽(yáng)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(yè)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(yè)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?gòu)墓怆姽苷螂妷号c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??梢钥闯霾ㄩL(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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