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【摘 要】仿真实验作为新型实验教学手段，可以获得快捷、直观、安全、经济的效果。本文介绍了光电效应仿真实验的教学过程和体会。
【关键词】实验教学 仿真实验 光电效应
【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】1006－9682（2011）01－0099－02
一、引 言
光电效应是物理学史上一个著名的物理实验，1905年，年仅26岁的爱因斯坦提出光量子假说，发表了在物理学发展史上具有里程碑意义的光电效应理论，10年后物理学家密里根用以精确的光电效应实验证实了爱因斯坦的光电效应方程，并测定了普朗克常数。两位物理大师都因光电效应等方面的杰出贡献分别于1921年和1923年获得诺贝尔物理学奖。光电效应实验及其光量子理论的解释在量子理论的确立与发展上、在解释光的波粒二象性等方面都具有划时代的深远意义。利用光电效应制成的光电器件，如光电管、光电池、光电倍增管等，已成为生产和科研中不可缺少的器件，在科学技术中得到广泛的应用，且至今还在不断开辟新的应用领域，具有广阔的应用前景。大学物理实验中开设光电效应实验的目的是为了让学生了解光电效应基本规律，并学会用光电效应方法测量普朗克常量和测定光电管的光电特性曲线。利用仿真实验的优势，通过教师的生动讲解，可以拓展学生在新知识方面的视野，拓宽对学生能力的培养的途径，学生在电脑仿真实验平台上完成实验，可以收到先进、快捷、直观、灵活、安全、经济的理想效果。
二、实验原理
当用合适频率的光照射在某些金属表面上时，会有电子从金属表面逸出，这种现象叫做光电效应，从金属表面逸出的电子叫光电子。光电效应的实质是当光子和电子相碰撞时，光子把全部能量传递给电子，电子所获得的能量，一部分用来克服金属表面对它的约束，其余的能量则成为该光电子逸出金属表面后的动能。在光电效应中，光显示出它的粒子性质，所以这种现象对认识光的本性具有极其重要的意义。爱因斯坦利用光子假说做了清晰的说明，并提出了爱因斯坦光电效应方程，即：
hυ＝Ws＋ mv2 （1）
式中，υ为入射光的频率，m为电子的质量，ν为光电子逸出金属表面的初速度，Ws为被光线照射的金属材料的逸出功。光电效应实验原理如图1所示，其中S为真空光电管，K为阴极，A为阳极。当无光照射阴极时，由于阳极与阴极是断路，所以检流计G中无电流流过，当一束合适频率的单色光照射到阴极K 上时，形成光电流，光电流随加速电位差U变化的伏安特性曲线
如图2所示。由方程（1）可知， mν2为从金属逸出的光电子
的最大初动能，这表明即使光电管的两端不加电压，也会有光电子到达阳极A形成光电流，这从图2中可以明显的看出，随着光电管两端所加上的反电压UAK＜0不断增加，检流计G中测量到的电流值会下降，当电压增加到一定程度，所有的光电子都不能到达阳极，此时光电流为零，那么刚好使光电流为零的反向电压的绝对值就是截止电压，即图2中的U0。
图1 光电效应实验原理图 图2 光电管的伏安特性曲线图
在截止电压下，eUs＝ mν 2代入方程（1），整理后可得：
Us＝k（v－v0） （2）
其中k＝h/e，e为电子电荷，h即普朗克常量。式（2）表明，只要测量出不同入射光频率下的截止电压，如果这些数据点是在同一条直线上，则证明了爱因斯坦光电方程是成立的。如图3所示，对同一光电管v0也是常量，实验中测量不同频率下的截止频率Us，做出Us－v曲线。在（2）式得到满足的条件下，这是一条直线，由斜率k＝
可以求出普朗克常数h。由直线上的截距可以求出溢出功Ws，
由直线在v轴上的截距可以求出截止频率（红限频率）v0。
三、实验内容
光电效应电脑仿真实验包括以下内容：①连接光电管正向、反向电路图，线路连接成功后需要对电路中的检流计调零；②通过调节单色仪，分别选出汞光源的4条谱线进行实验；③采集光电管正向、反向电流、电压数据；④在各频率入射光下的反向伏安特性曲线上读取截止电压值并记录在实验报告上；⑤要求学生通过作图法，计算普朗克常量，光电管阴极材料的红限频率V0及溢出功WS。图4是光电效应电脑仿真实验平台，学生在开始实验前先要通过鼠标点击平台上的光学及电学仪器了解其名称及作用，并将实验中所用到的仪器填写在实验报告上。
在仿真实验过程中学生往往会忽视实验操作的安全性问题，应提醒学生注意。例如：当记录完一组实验数据，电源总开关应该断开。实验中还有很多细节，学生也容易忘记，如：采集光电管正向、反向数据前先要将检流计的量程分别调节到×0.1档和×1，如果检流计的量程在×0.1档时采集光电管反向数据，就无法从光电管反向伏安特性曲线图上读出截止电压，实验需重做。在采集数据时还应注意各数据点分布的均匀性，我们要求学生先粗调滑线变阻器，找到合适的电压范围，再在这个范围对数据点进行合理布局。
四、实验结果
图5是通过仿真实验获得的光电管正向和反向伏安特性曲线，在照射光的强度一定的情况下，光电管中的电流I与光电管两端的电压UAK之间存在着一定的关系。
学生需要从不同入射光波长下的反向伏安特性曲线图中找到截止电压，在这个环节中学生往往找不准截止电压。有的学生会将曲线与电压轴的交点处的电压值当作是截止电压，这说明他们对光电管的特性还没有了解清楚，需要教师作一定的解释，让学生知道我们在伏安特性曲线图中观察到的电流不仅仅是由阴极材料产生的光电流，还包括反向光电流、暗电流和本底电流，因此在找截止电压时应由拐点法求得，即找到电流开始明显变化的地方的电压值；还可以引导学生去考察光电管正向伏安特性曲线上饱和电流与入射光频率之间的关系，入射光强一定这个前提条件不可忽略。正确读出4种不同频率光照射下光电管的截止电压后，学生要通过作图法找到这几个数据点间的线性关系，拟和出直线的斜率，由此计算出普朗克常量、光电管阴极材料的红限频率及溢出功，最后还要分析影响实验结果的因素。
参考文献
1 洪国瑞.仿真实验在光电效应教学中的应用［J］.技术物理教学，2006（2）：30～31
2 王廷志.光电效应实验对原创能力的培养［J］.物理实验，2006（1）：36～39
3 张建华、胡伟琴.光电效应测定普朗克常数中测量方法的讨论［J］.嘉兴学院学报，2006（6）：23～26
4 戴朝卿、周益民、王 进.高等农林院校大学物理实验CAI教学模式的探索与实践［J］.福州大学学报（自然科学版），2007（S1）
【关键词】实验教学 仿真实验 光电效应
【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】1006－9682（2011）01－0099－02
一、引 言
光电效应是物理学史上一个著名的物理实验，1905年，年仅26岁的爱因斯坦提出光量子假说，发表了在物理学发展史上具有里程碑意义的光电效应理论，10年后物理学家密里根用以精确的光电效应实验证实了爱因斯坦的光电效应方程，并测定了普朗克常数。两位物理大师都因光电效应等方面的杰出贡献分别于1921年和1923年获得诺贝尔物理学奖。光电效应实验及其光量子理论的解释在量子理论的确立与发展上、在解释光的波粒二象性等方面都具有划时代的深远意义。利用光电效应制成的光电器件，如光电管、光电池、光电倍增管等，已成为生产和科研中不可缺少的器件，在科学技术中得到广泛的应用，且至今还在不断开辟新的应用领域，具有广阔的应用前景。大学物理实验中开设光电效应实验的目的是为了让学生了解光电效应基本规律，并学会用光电效应方法测量普朗克常量和测定光电管的光电特性曲线。利用仿真实验的优势，通过教师的生动讲解，可以拓展学生在新知识方面的视野，拓宽对学生能力的培养的途径，学生在电脑仿真实验平台上完成实验，可以收到先进、快捷、直观、灵活、安全、经济的理想效果。
二、实验原理
当用合适频率的光照射在某些金属表面上时，会有电子从金属表面逸出，这种现象叫做光电效应，从金属表面逸出的电子叫光电子。光电效应的实质是当光子和电子相碰撞时，光子把全部能量传递给电子，电子所获得的能量，一部分用来克服金属表面对它的约束，其余的能量则成为该光电子逸出金属表面后的动能。在光电效应中，光显示出它的粒子性质，所以这种现象对认识光的本性具有极其重要的意义。爱因斯坦利用光子假说做了清晰的说明，并提出了爱因斯坦光电效应方程，即：
hυ＝Ws＋ mv2 （1）
式中，υ为入射光的频率，m为电子的质量，ν为光电子逸出金属表面的初速度，Ws为被光线照射的金属材料的逸出功。光电效应实验原理如图1所示，其中S为真空光电管，K为阴极，A为阳极。当无光照射阴极时，由于阳极与阴极是断路，所以检流计G中无电流流过，当一束合适频率的单色光照射到阴极K 上时，形成光电流，光电流随加速电位差U变化的伏安特性曲线
如图2所示。由方程（1）可知， mν2为从金属逸出的光电子
的最大初动能，这表明即使光电管的两端不加电压，也会有光电子到达阳极A形成光电流，这从图2中可以明显的看出，随着光电管两端所加上的反电压UAK＜0不断增加，检流计G中测量到的电流值会下降，当电压增加到一定程度，所有的光电子都不能到达阳极，此时光电流为零，那么刚好使光电流为零的反向电压的绝对值就是截止电压，即图2中的U0。
图1 光电效应实验原理图 图2 光电管的伏安特性曲线图
在截止电压下，eUs＝ mν 2代入方程（1），整理后可得：
Us＝k（v－v0） （2）
其中k＝h/e，e为电子电荷，h即普朗克常量。式（2）表明，只要测量出不同入射光频率下的截止电压，如果这些数据点是在同一条直线上，则证明了爱因斯坦光电方程是成立的。如图3所示，对同一光电管v0也是常量，实验中测量不同频率下的截止频率Us，做出Us－v曲线。在（2）式得到满足的条件下，这是一条直线，由斜率k＝
可以求出普朗克常数h。由直线上的截距可以求出溢出功Ws，
由直线在v轴上的截距可以求出截止频率（红限频率）v0。
三、实验内容
光电效应电脑仿真实验包括以下内容：①连接光电管正向、反向电路图，线路连接成功后需要对电路中的检流计调零；②通过调节单色仪，分别选出汞光源的4条谱线进行实验；③采集光电管正向、反向电流、电压数据；④在各频率入射光下的反向伏安特性曲线上读取截止电压值并记录在实验报告上；⑤要求学生通过作图法，计算普朗克常量，光电管阴极材料的红限频率V0及溢出功WS。图4是光电效应电脑仿真实验平台，学生在开始实验前先要通过鼠标点击平台上的光学及电学仪器了解其名称及作用，并将实验中所用到的仪器填写在实验报告上。
在仿真实验过程中学生往往会忽视实验操作的安全性问题，应提醒学生注意。例如：当记录完一组实验数据，电源总开关应该断开。实验中还有很多细节，学生也容易忘记，如：采集光电管正向、反向数据前先要将检流计的量程分别调节到×0.1档和×1，如果检流计的量程在×0.1档时采集光电管反向数据，就无法从光电管反向伏安特性曲线图上读出截止电压，实验需重做。在采集数据时还应注意各数据点分布的均匀性，我们要求学生先粗调滑线变阻器，找到合适的电压范围，再在这个范围对数据点进行合理布局。
四、实验结果
图5是通过仿真实验获得的光电管正向和反向伏安特性曲线，在照射光的强度一定的情况下，光电管中的电流I与光电管两端的电压UAK之间存在着一定的关系。
学生需要从不同入射光波长下的反向伏安特性曲线图中找到截止电压，在这个环节中学生往往找不准截止电压。有的学生会将曲线与电压轴的交点处的电压值当作是截止电压，这说明他们对光电管的特性还没有了解清楚，需要教师作一定的解释，让学生知道我们在伏安特性曲线图中观察到的电流不仅仅是由阴极材料产生的光电流，还包括反向光电流、暗电流和本底电流，因此在找截止电压时应由拐点法求得，即找到电流开始明显变化的地方的电压值；还可以引导学生去考察光电管正向伏安特性曲线上饱和电流与入射光频率之间的关系，入射光强一定这个前提条件不可忽略。正确读出4种不同频率光照射下光电管的截止电压后，学生要通过作图法找到这几个数据点间的线性关系，拟和出直线的斜率，由此计算出普朗克常量、光电管阴极材料的红限频率及溢出功，最后还要分析影响实验结果的因素。
参考文献
1 洪国瑞.仿真实验在光电效应教学中的应用［J］.技术物理教学，2006（2）：30～31
2 王廷志.光电效应实验对原创能力的培养［J］.物理实验，2006（1）：36～39
3 张建华、胡伟琴.光电效应测定普朗克常数中测量方法的讨论［J］.嘉兴学院学报，2006（6）：23～26
4 戴朝卿、周益民、王 进.高等农林院校大学物理实验CAI教学模式的探索与实践［J］.福州大学学报（自然科学版），2007（S1）