光电效应规律演示仪的制作

摘   要：对于教师和学生来说，光电效应规律的教与学一直都是重难点，传统的实验装置现象不明显，学生难以参与。详细介绍了基于仪征ＧＤ－２Ａ光电管，利用智能灯泡、平板软件和数字电表制作的光电效应规律演示仪。此装置比起传统教具具有可视化强、数字化、定量化、可拆卸等优点，有利于教师教学的开展，同时降低了学生对于光电效应规律的理解难度，有利于培养学生的物理学科核心素养，对高中物理实验教学提供一些参考。

关键词：光电效应；物理实验；演示仪

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2025）2-0061-4

“光电效应”是高中物理选择性必修三的重要内容，是学习光的波动性与粒子性的基础。在《普通高中物理课程标准（２０１７ 年版 ２０２０ 年修订）》的内容要求中，明确提出要通过实验了解光电效应现象［１］。但在实际教学中发现，教师很少在这一节内容进行实验教学或使用的都是比较传统的仪器，而市面上传统的光电效应演示仪大多都是利用滑动变阻器改变接入电路中的电阻来改变电压［２］，通过改变光罩上出射孔的数目或大小来改变入射光的强度，用不同的滤色片来改变入射光的频率［３］，或使用遥控彩光灯泡作为光源［４］，利用指针式电压表、电流表测得数据。操作略微繁杂，不能定量探究规律，可视性不强，学生难以理解其真实原理。而光电效应演示实验的关键在于让学生发现不同颜色的光照射光电管时所产生的光电流不同［５］。为了解决上述问题，本文利用智能可调灯泡，配合平板控制软件和数字电表，自制了光电效应规律演示仪，不仅简化了教材中的分压电路，并且等效，也可连续调节光强和频率，实现了定性与定量探究规律，增强了实验的可操作性。

１    设计思路

为更好地辅助教师进行光电效应实验的教学，帮助学生通过亲身体验更好地理解光电效应规律，本教具需要实现以下功能：

（１）可拆卸，方便携带与安装。

（２）数字化显示，方便直观观察并读取数据，定量化探究规律。

（３）可直接调节电压与光的频率和强度，操作性强，学生可参与。

为了实现以上功能，本仪器采用智能可调灯泡作为光源，通过软件可以实现在平板控制界面随意调节光的颜色和强度，同时电压表也选用数字化直流可调电源，方便调节读取电压值，数显微安表也实现了同步读取电流值。

２    原理与制作

２．１    实验原理

本仪器主要用到光电管，它是利用光电效应制成的一种常见的光电器件，可以把光信号转变成电信号。光电管主要由密封在真空玻璃壳内的阴极和阳极组成，阴极表面通常涂有碱金属，如锂、铯等碱金属，对电子的束缚能力比较弱，所以比较容易在光的照射下发射电子，被阳极收集，在回路中形成电流，称为光电流［６］。同时，将电源接线柱反接，阴极发射的光电子受到反向电压Ｕ减速，阻碍光电子的行动。

本仪器的电路原理如图１所示，在人教版教材给出的原理图上稍作修改。电源采用数字化可调直流学生电源，简化了原来教材中的分压电路，与光电管和微安表串联，通过平板控制界面改变入射光的强度、频率。设计示意图如图２所示。

２．２    制作方法

实验仪器如图3所示。

（１）光电管和遮光罩部分（图4），光电管选用仪征ＧＤ－２Ａ型号，用于发生光电效应。为了便于保护和展示光电管、灯泡，避免外界光源对光电管的影响，在其外围用4块ＰＶＣ板装订成遮光罩，用螺丝钉固定，便于拆卸；前面分别用黑色和透明的亚克力板加上铝合金轨道做了一个可移动的推拉门，将光电管和灯泡穿过ＰＶＣ板，将遮光罩与ＰＶＣ板用螺丝固定。

（２）电源和微安表部分，电源选用量程为３０ Ｖ的直流可调学生电源（图5），同时带有屏幕显示，更加直观。测量电流选用量程为１００ μA的超小型数字直流电流表，精度为０．１ μA，能够较为准确地测量电流，便于观察。将电源、电流表镶嵌在ＰＶＣ板上，用导线连接将其与光电管串联，电流表外接５ Ｖ锂电池供电 。

（３）灯泡和平板软件部分，光源部分选用功率为９ Ｗ的智能彩色氛围灯泡，配备ｅ２７螺口灯座开关，镶嵌在ＰＶＣ板上，在ＰＶＣ底座上粘连2块相隔1 cm的透明亚克力板，形成的凹槽用来放置平板。

３    实验演示

该实验仪器可用于探究截止频率、饱和电流、遏止电压等光电效应的规律，具体实验操作如下。

３．１    演示截止频率

接通灯泡电源，打开平板上相应软件，连接灯泡，在平板控制面板上将灯泡颜色设置为红色，亮度为１０％，数字电流表示数为０（图6）；保持颜色不变，增大亮度为３０％，电流表示数还是为0（图7）。将颜色调至其他颜色（如蓝色），电流表有相应示数（图8），证明只有当入射光的频率大于阴极材料的截止频率时，才能发生光电效应。

３．２    演示饱和光电流

接通灯泡电源，打开平板上的相应软件，连接灯泡，在平板控制面板上选择除红色以外的光，选择合适的亮度（如绿色，亮度４０％），发现电流表示数为０．２ μA（图9）。接通电源，增大电压，电流表示数增大，当电压增大到２２．１ Ｖ时，电流表示数趋于稳定为２．９ μA（图10）。之后增大电压，电流不再增大，说明电流达到饱和状态。保持绿光不变，增大光的强度（６０％），发现电流表示数增大。当电压增大到２７．９ Ｖ时，电流表示数趋于稳定为５．２ μA（图11），此时达到饱和电流，说明在入射光频率不变的条件下，光的强度越大，饱和光电流越大。

３．３    演示遏止电压

接通灯泡电源，打开平板上的相应软件，连接灯泡，在平板控制面板上选择合适的颜色与亮度（如黄色、亮度９０％，这里为了使现象更加明显，推荐将亮度尽可能调大），此时电流表示数为０．６ μA（图12）。将电源正负接线柱调换位置，此时电压反向，慢慢向右拧动旋钮（左边为细调旋钮），使得电流表示数慢慢减为０，记录此时电压表示数０．１９ Ｖ（图13）。将亮度调到１００％，重复操作，电压表示数不变（图14），说明同一材料对于一定频率的光，遏止电压与光强无关。将电压归零，换一个颜色的光（如蓝色，亮度为９０％），电流表一开始示数为２．２ μA（图15），增大反向电压使电流变为０，此时电压表示数为０．３１ Ｖ（图16），亮度增大到１００％后电压表示数不变（图17）。通过数据说明不同频率的光，遏止电压也不同。

３．４    部分实验数据与教材对比图

将实验所得部分数据导入Eｘｃｅｌ工具，得到数据图（图18），再将原点处放大，将横坐标的主要单位设置为０．４，纵坐标的主要单位设置为５０，得到局部放大图（图19）。将其与教材上的插图进行比较（图20），发现符合规律。

４    总  结

本教具采用一体化设计，解决了现有教具无法同时为学生演示截止频率的短板，较传统教具有两大突出优势：（１）采取了可调电压源，简化了教材中的分压电路，并且等效；（２）利用软件可实现“连续”调节光强和频率，增强可视性与操作性。

具有以下教学意义：（１）利用平板与现代技术结合，多彩变化的灯泡可以吸引学生的注意力，提升学生学习的兴趣。（２）用平板控制灯泡的颜色以及亮度，操作简单，大大增强了学生的参与性，学生亲自参与探究能够更好地理解光电效应的规律。同时，数字化显示的电源与电流表以及灯泡，增强了实验的可视性，便于学生观察。（３）能够丰富一线教师的教学方式，使“光电效应”一节的教学不再只是抽象讲述。

同时，本仪器还可以搭配单色仪测得不同光的峰值波长，可以较为准确地测得普朗克常量，以此作为中学物理的拓展。

参考文献：

［１］中华人民共和国教育部．普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［S］．北京：人民教育出版社，２０２０．

［２］江山，于路军．光电效应演示实验改进［Ｊ］．中学物理教学参考，２０１７，４６（Ｚ１）：５８－６１．

［３］侯爱琴，邹志宇．光电效应实验的改进与实践［Ｊ］．湖南中学物理，２０１８，３３（４）：６３，６５．

［４］罗春春．可调节全谱系可见光新型光电效应演示器［Ｊ］． 中学理科园地，２０１８，１４（５）：４６－４８．

［５］李春密，李多，平澄，等．光电效应演示和普朗克常量测定仪［Ｊ］．物理实验，２００６，26（３）：４１－４２，４６．

［６］熊建文．普通高中教科书物理选择性必修第三册［Ｍ］．广州：广东教育出版社，２０２０：７６．（栏目编辑    刘   荣）