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1、基于用光電效應(yīng)測量普朗克常數(shù)的實驗教學(xué)探討 摘要：為了提高光電效應(yīng)測量普朗克常數(shù)實驗的教學(xué)效果，針對學(xué)生在實驗教學(xué)中存在的主要問題，提出了光電效應(yīng)測量普朗克常數(shù)的實驗教學(xué)設(shè)計，達(dá)到了教學(xué)效果好、實驗誤差小的效果，同時也培養(yǎng)了學(xué)生的實驗綜合能力?！ ￡P(guān)鍵詞：普通物理實驗;光電效應(yīng);普朗克常數(shù);教學(xué)設(shè)計 中圖分類號：G642.0文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：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)換器來實現(xiàn)光信號與電信號之間的相互轉(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)用于光功率測量、光信號記錄、光電法測轉(zhuǎn)速、光電控制電路、鼠標(biāo)器、電影、電視和自動控制等現(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很重要的常數(shù)。用光電效應(yīng)測量普朗克常數(shù)是很多高校必須開設(shè)的近代物理實驗之一?！ 《?、實驗教學(xué)中學(xué)生存在的主要問題[1] 通過多年來的大學(xué)物理實驗教學(xué)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在實驗中存在著各種各樣的問題，導(dǎo)致實驗教學(xué)效果不佳。6 1.實驗預(yù)習(xí)不到位。學(xué)生沒有認(rèn)真對實驗進(jìn)行預(yù)習(xí)，實驗?zāi)康牟幻鞔_，對實驗原
3、理和實驗內(nèi)容不清楚，對實驗儀器的使用一無所知，寫的實驗預(yù)習(xí)報告完全是照著書抄一遍?！ ?.實驗綜合素質(zhì)能力不強。對實驗內(nèi)容和步驟很不熟悉，完全離不開教師的講解，按照教師所講的機械地去操作測量實驗數(shù)據(jù)，在實驗中不能用所學(xué)的物理理論去判斷所測實驗數(shù)據(jù)的正誤，不能發(fā)揮團結(jié)協(xié)作精神和動手、動腦的能力。 3.撰寫實驗報告質(zhì)量較差。撰寫實驗報告不規(guī)范，一部分學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)不進(jìn)行處理或處理數(shù)據(jù)有誤，實驗報告的內(nèi)容完全照著書一個字不漏的抄寫下來，缺乏歸納、總結(jié)能力和對實驗數(shù)據(jù)的處理能力?！ ∪?、光電效應(yīng)測量普朗克常數(shù)的實驗教學(xué)設(shè)計 1.
4、了解學(xué)生預(yù)習(xí)實驗的情況，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)報告，然后提出學(xué)生要能獨立的完成該實驗必須知道的幾個關(guān)鍵問題：①光電效應(yīng)實驗規(guī)律是什么？②測量普朗克常數(shù)的原理是什么？③測量普朗克常數(shù)要測的關(guān)鍵物理量是什么？④什么是截止電壓？⑤測量截止電壓的方法有幾種？通過隨機抽查讓學(xué)生回答問題，并作為預(yù)習(xí)實驗成績，促使學(xué)生提高預(yù)習(xí)實驗的效果。再者，教師根據(jù)學(xué)生回答問題的情況有針對性的對實驗進(jìn)行講解，有利于提高實驗教學(xué)效率?！ ?.重點講授測量普朗克常數(shù)的實驗原理[2]和方法。結(jié)合光電效應(yīng)的實驗原理圖（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，光電流迅速減小，當(dāng)反向電壓達(dá)到某一值U6時，光電流為零，此時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能全部用來克服外電場力做功。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?！ 嶒炛袦p小測量不同頻率對應(yīng)的截止電壓U的實驗誤差是提高測量普朗克常數(shù)精確度的關(guān)鍵。可用不同頻率的入
6、射光照射光電管，分別測出相應(yīng)的截止電壓U，為了減小測量截止電壓U的實驗誤差，可以多測量幾次，取平均值。然后就可做出U～v的實驗直線（圖2），此直線的斜率就是k=h/e，為了減小實驗的誤差，采用最小二乘法[3]求出直線的斜率k，即： 其中， 再利用h=ke，計算出普朗克常數(shù)h?！ ?.介紹實驗儀器的使用。學(xué)生對實驗儀器不熟悉，要在有限的時間內(nèi)完成實驗確實存在著困難。首先介紹實驗儀器XD-ZP4智能光電效應(yīng)實驗儀：由汞燈及電源、濾色片、光闌、光電管、智能測試儀構(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，然后介紹智能測試儀的各個旋鈕、按鍵等的作用和使用方法，著重講解在實驗過程中怎樣使用智能測試儀測量截止電壓。首先將“電流量程”置于所需檔位，斷開輸入到智能測試儀的電流輸入線，然后對測試儀進(jìn)行校零，再接通輸入到智能測試儀的電流輸入線后做實驗。在實驗中，如改變“電流量程”6就必須對測試儀進(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?！ ?.測量截止電壓U的實驗方法。測量不同頻率對應(yīng)的截止電壓的實驗誤差直接影響測量普朗克常數(shù)的精確度，因此選擇合適的測量截止電壓的方法是關(guān)鍵。測量截止電壓的方法有拐點法、交點法（零電流法）和補償法。由于我們所用的
