基于用光電效應(yīng)測(cè)量普朗克常數(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討

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1、基于用光電效應(yīng)測(cè)量普朗克常數(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討　　摘要：為了提高光電效應(yīng)測(cè)量普朗克常數(shù)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，針對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的主要問題，提出了光電效應(yīng)測(cè)量普朗克常數(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，達(dá)到了教學(xué)效果好、實(shí)驗(yàn)誤差小的效果，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)綜合能力?！　￡P(guān)鍵詞：普通物理實(shí)驗(yàn);光電效應(yīng);普朗克常數(shù);教學(xué)設(shè)計(jì)　　中圖分類號(hào)：G642.0文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1674-9324（2015）20-0220-02　　一、引言　　光電效應(yīng)在工程技術(shù)和現(xiàn)代科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，利用光電效應(yīng)制造光電轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)光信號(hào)與電信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換

2、，這些光電轉(zhuǎn)換器如光電管、光敏電阻、光電耦合器、光敏二極管、光敏三極管、光電池、光電倍增管等廣泛應(yīng)用于光功率測(cè)量、光信號(hào)記錄、光電法測(cè)轉(zhuǎn)速、光電控制電路、鼠標(biāo)器、電影、電視和自動(dòng)控制等現(xiàn)代生產(chǎn)和科研中。普朗克常數(shù)是近現(xiàn)代物理以及自然界中一個(gè)很重要的常數(shù)。用光電效應(yīng)測(cè)量普朗克常數(shù)是很多高校必須開設(shè)的近代物理實(shí)驗(yàn)之一?！　《?、實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生存在的主要問題[1]　　通過多年來的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中存在著各種各樣的問題，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不佳。6　　1.實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)不到位。學(xué)生沒有認(rèn)真對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟幻鞔_，對(duì)實(shí)驗(yàn)原

3、理和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不清楚，對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的使用一無所知，寫的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告完全是照著書抄一遍。　　2.實(shí)驗(yàn)綜合素質(zhì)能力不強(qiáng)。對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟很不熟悉，完全離不開教師的講解，按照教師所講的機(jī)械地去操作測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)中不能用所學(xué)的物理理論去判斷所測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的正誤，不能發(fā)揮團(tuán)結(jié)協(xié)作精神和動(dòng)手、動(dòng)腦的能力。　　3.撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量較差。撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告不規(guī)范，一部分學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不進(jìn)行處理或處理數(shù)據(jù)有誤，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的內(nèi)容完全照著書一個(gè)字不漏的抄寫下來，缺乏歸納、總結(jié)能力和對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理能力?！　∪?、光電效應(yīng)測(cè)量普朗克常數(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)　　1.

4、了解學(xué)生預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的情況，為有的放矢教學(xué)作準(zhǔn)備。首先在上課前檢查學(xué)生是否按要求寫了預(yù)習(xí)報(bào)告，然后提出學(xué)生要能獨(dú)立的完成該實(shí)驗(yàn)必須知道的幾個(gè)關(guān)鍵問題：①光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律是什么？②測(cè)量普朗克常數(shù)的原理是什么？③測(cè)量普朗克常數(shù)要測(cè)的關(guān)鍵物理量是什么？④什么是截止電壓？⑤測(cè)量截止電壓的方法有幾種？通過隨機(jī)抽查讓學(xué)生回答問題，并作為預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)成績(jī)，促使學(xué)生提高預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的效果。再者，教師根據(jù)學(xué)生回答問題的情況有針對(duì)性的對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行講解，有利于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率?！　?.重點(diǎn)講授測(cè)量普朗克常數(shù)的實(shí)驗(yàn)原理[2]和方法。結(jié)合光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)原理圖（如圖

5、1所示），用愛因斯坦的光子理論和光電效應(yīng)方程解釋光電效應(yīng)的四條規(guī)律。著重分析當(dāng)光電管兩端加反向電壓時(shí)，光電流迅速減小，當(dāng)反向電壓達(dá)到某一值U6時(shí)，光電流為零，此時(shí)加在光電管兩端的反向電壓稱為截止電壓U，這表明了光電子的初動(dòng)能全部用來克服外電場(chǎng)力做功。故eU=mυ？搖①，愛因斯坦的光電效應(yīng)方程：hv=mυ+W②，逸出功和金屬的截止頻率的關(guān)系：W=hv③，由①、②、③式解得：U=（v-v）④，④式說明U與入射光頻率v成線性關(guān)系?！　?shí)驗(yàn)中減小測(cè)量不同頻率對(duì)應(yīng)的截止電壓U的實(shí)驗(yàn)誤差是提高測(cè)量普朗克常數(shù)精確度的關(guān)鍵?？捎貌煌l率的入

6、射光照射光電管，分別測(cè)出相應(yīng)的截止電壓U，為了減小測(cè)量截止電壓U的實(shí)驗(yàn)誤差，可以多測(cè)量幾次，取平均值。然后就可做出U～v的實(shí)驗(yàn)直線（圖2），此直線的斜率就是k=h/e，為了減小實(shí)驗(yàn)的誤差，采用最小二乘法[3]求出直線的斜率k，即：　　其中，　　再利用h=ke，計(jì)算出普朗克常數(shù)h。　　3.介紹實(shí)驗(yàn)儀器的使用。學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器不熟悉，要在有限的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)確實(shí)存在著困難。首先介紹實(shí)驗(yàn)儀器XD-ZP4智能光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀：由汞燈及電源、濾色片、光闌、光電管、智能測(cè)試儀構(gòu)成。照射光電管的單色光是由汞燈所發(fā)出的復(fù)色光分別通過365nm、

7、405nm、436nm、546nm、577nm不同波長(zhǎng)的濾色片后就變成了365nm、405nm、436nm、546nm、577nm的單色光，然后介紹智能測(cè)試儀的各個(gè)旋鈕、按鍵等的作用和使用方法，著重講解在實(shí)驗(yàn)過程中怎樣使用智能測(cè)試儀測(cè)量截止電壓。首先將“電流量程”置于所需檔位，斷開輸入到智能測(cè)試儀的電流輸入線，然后對(duì)測(cè)試儀進(jìn)行校零，再接通輸入到智能測(cè)試儀的電流輸入線后做實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，如改變“電流量程”6就必須對(duì)測(cè)試儀進(jìn)行重新校零。而電流的量程選擇遵從由小量程逐漸到大量程，電壓的量程選擇是：如加在光電管兩端的電壓在-2V～0

8、V就選-2V～0V檔，如加在光電管兩端的電壓在2V～20V就選0V～50V檔?！　?.測(cè)量截止電壓U的實(shí)驗(yàn)方法。測(cè)量不同頻率對(duì)應(yīng)的截止電壓的實(shí)驗(yàn)誤差直接影響測(cè)量普朗克常數(shù)的精確度，因此選擇合適的測(cè)量截止電壓的方法是關(guān)鍵。測(cè)量截止電壓的方法有拐點(diǎn)法、交點(diǎn)法（零電流法）和補(bǔ)償法。由于我們所用的