光電效應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)探討.doc

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1、光電效應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)探討【摘要】仿真實(shí)驗(yàn)作為新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，可以獲得快捷、直觀、安全、經(jīng)濟(jì)的效果。本文介紹了光電效應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過(guò)程和體會(huì)?！娟P(guān)鍵詞】實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)光電效應(yīng)【中圖分類(lèi)號(hào)】G642【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1006-9682(2011)01—0099—02一、弓丨言光電效應(yīng)是物理學(xué)史上一個(gè)著名的物理實(shí)驗(yàn)，1905年，年僅26歲的愛(ài)因斯坦提出光量子假說(shuō)，發(fā)表了在物理學(xué)發(fā)展史上具有里程碑意義的光電效應(yīng)理論，10年后物理學(xué)家密里根用以精確的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程，并

2、測(cè)定了普朗克常數(shù)。兩位物理大師都因光電效應(yīng)等方面的杰出貢獻(xiàn)分別于1921年和1923年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)及其光量子理論的解釋在量子理論的確立與發(fā)展上、在解釋光的波粒二象性等方面都具有劃時(shí)代的深遠(yuǎn)意義。利用光電效應(yīng)制成的光電器件，如光電管、光電池、光電倍增管等，已成為生產(chǎn)和科研中不可缺少的器件，在科學(xué)技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用，且至今還在不斷開(kāi)辟新的應(yīng)用領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中開(kāi)設(shè)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的目的是為了讓學(xué)生了解光電效應(yīng)基本規(guī)律，并學(xué)會(huì)用光電效應(yīng)方法測(cè)量普朗克常量和測(cè)定光電管的

3、光電特性曲線。利用仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)教師的生動(dòng)講解，可以拓展學(xué)生在新知識(shí)方面的視野，拓寬對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)的途徑，學(xué)生在電腦仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成實(shí)驗(yàn)，可以收到先進(jìn)、快捷、直觀、靈活、安全、經(jīng)濟(jì)的理想效果。二、實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)用合適頻率的光照射在某些金屬表面上時(shí)，會(huì)有電子從金屬表面逸出，這種現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)，從金屬表面逸出的電子叫光電子。光電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是當(dāng)光子和電子相碰撞時(shí)，光子把全部能量傳遞給電子，電子所獲得的能量，一部分用來(lái)克服金屬表面對(duì)它的約束，其余的能量則成為該光電子逸出金屬表面后的動(dòng)能。在光電效應(yīng)中，

4、光顯示出它的粒子性質(zhì)，所以這種現(xiàn)象對(duì)認(rèn)識(shí)光的本性具有極其重要的意義。愛(ài)因斯坦利用光子假說(shuō)做了清晰的說(shuō)明，并提出了愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程，即：hu=Ws+mv2(1)式中，U為入射光的頻率，ITI為電子的質(zhì)量，V為光電子逸出金屬表面的初速度，Ws為被光線照射的金屬材料的逸出功。光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示，其中S為真空光電管，K為陰極，A為陽(yáng)極。當(dāng)無(wú)光照射陰極時(shí)，由于陽(yáng)極與陰極是斷路，所以檢流計(jì)G中無(wú)電流流過(guò)，當(dāng)一束合適頻率的單色光照射到陰極K上時(shí)，形成光電流，光電流隨加速電位差U變化的伏安特性曲線如圖2所

5、示。由方程(1)可知，mv2為從金屬逸出的光電子的最大初動(dòng)能，這表明即使光電管的兩端不加電壓，也會(huì)有光電子到達(dá)陽(yáng)極A形成光電流，這從圖2中可以明顯的看出，隨著光電管兩端所加上的反電壓UAKVO不斷增加，檢流計(jì)G中測(cè)量到的電流值會(huì)下降，當(dāng)電壓增加到一定程度，所有的光電子都不能到達(dá)陽(yáng)極，此時(shí)光電流為零，那么剛好使光電流為零的反向電壓的絕對(duì)值就是截止電壓，即圖2中的U0。圖1光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理圖圖2光電管的伏安特性曲線圖在截止電壓下，eUs=mv2代入方程(1),整理后可得：Us=k(v-vO)(2)其中k=

6、h/e,e為電子電荷，h即普朗克常量。式（2）表明，只要測(cè)量出不同入射光頻率下的截止電壓，如果這些數(shù)據(jù)點(diǎn)是在同一條直線上，則證明了愛(ài)因斯坦光電方程是成立的。如圖3所示，對(duì)同一光電管vO也是常量，實(shí)驗(yàn)中測(cè)量不同頻率下的截止頻率Us,做出Us-v曲線。在（2）式得到滿足的條件下,這是一條直線，由斜率k=可以求出普朗克常數(shù)h。由直線上的截距可以求出溢出功Ws,由直線在v軸上的截距可以求出截止頻率（紅限頻率）vOo三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容光電效應(yīng)電腦仿真實(shí)驗(yàn)包括以下內(nèi)容：①連接光電管正向、反向電路圖，線路連接成功后需要對(duì)

7、電路中的檢流計(jì)調(diào)零；②通過(guò)調(diào)節(jié)單色儀，分別選出汞光源的4條譜線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；③采集光電管正向、反向電流、電壓數(shù)據(jù)；④在各頻率入射光下的反向伏安特性曲線上讀取截止電壓值并記錄在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上；⑤要求學(xué)生通過(guò)作圖法，計(jì)算普朗克常量，光電管陰極材料的紅限頻率V0及溢出功WS。圖4是光電效應(yīng)電腦仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生在開(kāi)始實(shí)驗(yàn)前先要通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊平臺(tái)上的光學(xué)及電學(xué)儀器了解其名稱(chēng)及作用，并將實(shí)驗(yàn)中所用到的儀器填寫(xiě)在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上。在仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生往往會(huì)忽視實(shí)驗(yàn)操作的安全性問(wèn)題，應(yīng)提醒學(xué)生注意。例如：當(dāng)記錄完一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，電源

8、總開(kāi)關(guān)應(yīng)該斷開(kāi)。實(shí)驗(yàn)中還有很多細(xì)節(jié)，學(xué)生也容易忘記，如：采集光電管正向、反向數(shù)據(jù)前先要將檢流計(jì)的量程分別調(diào)節(jié)到X0.1檔和XI,如果檢流計(jì)的量程在X0.1檔時(shí)采集光電管反向數(shù)據(jù)，就無(wú)法從光電管反向伏安特性曲線圖上讀出截止電壓，實(shí)驗(yàn)需重做。在采集數(shù)據(jù)時(shí)還應(yīng)注意各數(shù)據(jù)點(diǎn)分布的均勻性，我們要求學(xué)生先粗調(diào)滑線變阻器，找到合適的電壓范圍，再在這個(gè)范圍對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行合理布局。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖5是通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)獲得的光電管正向和反向伏安特性曲線，在照射光的強(qiáng)度一定的情況下，