CN111179708B - 一种光电效应定量实验装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种光电效应定量实验装置，包括电源、示教板、底座、电流传感器和电压传感器，示教板垂直固定于底座上，示教板上包括电路元件和电路图且面朝观众，电路元件包括可移动的光源模块、光电管、遮光套筒、微电流表、电压表和微调电位器，电源、微调电位器、微电流表、光电管和电压表通过导线连接组成光电效应实验示教板。遮光套筒侧面上开设有透光孔，光电管设置于透光孔内部，遮光套筒上还设置有遮光板滑轨，遮光板滑轨设置于透光孔的上下两侧，遮光套筒的透光孔设置于光源模块的光轴路径上且透光孔与光源同轴设置，遮光套筒与光源模块之间还设置有用于放置滤色片的支架。该光电效应定量实验装置测量精确性高、直观性好，能够便于学生理解光电效应的规律原理。

Description

一种光电效应定量实验装置

技术领域

本发明涉及一种物理实验装置，并且特别涉及一种光电效应定量实验装置。

背景技术

光电效应现象及其规律是人类认识光的粒子性和建立光子说的基础。它是高中近代物理教材的重点内容；“光电效应规律”实验是疑难实验，又是高考考点的重点实验内容。

在光电效应现象中，光的特性和行为是通过光电流表现出来，它的产生和大小又受到入射光的光谱成分（频率、强度）、金属板的材料以及外电场的电压（正反向和大小）等因素的制约。所以它是近代物理学教学中的难点。

目前国内使用的光电效应实验仪器主要存在有以下的缺点：

（1）有关光电效应实验仪器，之前人们研究的一般是实物平摆于桌面，有关线路的连接只能听老师口头介绍，看不到连接的电路图，学生还要一边看实物一边看电路，这样去对应，麻烦费劲；

（2）光电管的光电流小，不易测量。如果演示器在光电管和演示电表之间接入了学生未曾学到的微电流放大器，更不易使学生理解和掌握；

（3）因为光电流很小，测量光电流的微电流表数据上下跳动，不稳定；

（4）现已有的传感器实验只能提供原理性演示性实验项目，灵敏度和准确度不高，光谱范围仪限于可见光区域，测量范围窄，常要求现场安装，带来噪声，增大实验误差，且调试较麻烦，尚不能对得到的测量数据作进一步的处理；

（5）光电管与光源之间的相对位置容易变动，造成光强的变化而影响实验结果；

（6）研究光强变化时，除采用改变光源与光电管之间的距离，国内有的采用多圆孔插排，左右移动多圆孔插排，改变光源照射到教学光电管的有效照射面积。例如：公开号为CN105139729A的中国发明专利公开了一种真空光电效应实验演示装置，包括教学光电管、遮光罩、多圆孔插排、移动光具座、LED发光二极管排、电压传感器、微电流传感器、数据采集器、显示器，存在几个问题：①每次移动插排改变照射面积时都要将圆孔中心对准光电管的阴极中心位置，但因光电管设有遮光罩，人眼看不到遮光罩内的光电管，实际操作总会偏离一点，由于实验时光电流本身是很小的，再加上“偏差一点”，实验测量的误差就大了。②“光电管连接电位器”,因为是光电流微小，其使用的电位器是一般的电位器，调整电流大小时，电流数据变化大，不稳定，读数难，可控性差。③虽然使用传感器、采集器，但使用的是通用软件，没提及有设计配套专用软件。通用软件在处理与分析数据和画图等不如配套专用软件好用。

发明内容

为了解决现有技术中光电效应实验装置存在的难以让学生理解和掌握光电效应规律，以及调试安装麻烦、光电管与光源之间的相对位置容易变动、测量数据的准确性和稳定性差等技术难题，本发明提出了一种光电效应定量实验装置，用于解决上述技术问题。

本发明提出了一种光电效应定量实验装置，该装置包括电源、示教板、底座、电流传感器和电压传感器，其特征在于，示教板垂直固定于底座上，示教板上包括电路元件和电路图且面朝观众。示教板的表面设置有可移动的光源模块、光电管、遮光套筒、微电流表、电压表和微调电位器，将上述各元件通过导线连接组成光电效应实验示教板。遮光套筒上开设有透光孔，光电管设置于透光孔内部，遮光套筒上还设置有遮光板滑轨，遮光板滑轨设置于透光孔的上下两侧，遮光套筒的透光孔设置于光源模块的光轴路径上且透光孔与光源同轴设置，遮光套筒的透光孔与光源模块之间还设置有用于放置滤色片的支架。示教板的垂直设立，可以方便教学时各实验元件面向观众，可以直接在示教板上通过滤色片、遮光板的直接切换、可移动的光源模块的移动实现多种实验内容的展示，能够使学生更直观的了解实验内容。

优选的，示教板的表面上有通电导线连接光电管、电压表、微电流表、微调电位器和电源，组成光电效应电路的实物连接图以及呈现实验原理的电路图。凭借该设置，有导线与实物连接组成的实物电路图，加强了电路与实物的直观性。

优选的，光源模块包括滑轨和光源，光源可移动的设置于滑轨上。光源的可移动设置可以实现通过调节光源与光电管的距离调整光强，同时也使得光源更加稳定。

进一步优选的，示教板的表面上还设置有mm刻度的刻度尺，刻度尺的起始位置为光电管，刻度尺沿光轴路径设置。刻度尺的设置可以方便在实验中更加精确更加直观地调节相应的参数。

优选的，遮光套筒为柱状密封，且遮光套筒的内径大于光电管的尺寸。遮光套筒的密封特性能够保证光电管不受外界其他光源的影响，同时尺寸的设置可以保证光电管能够有效的设置于遮光套筒的内部。

优选的，遮光板轨道的中央设置有标针，标针指向光电管阴极中心位置, 其高度与遮光板上的标尺刻度线同高。凭借标针的设置能够保证遮光板的通孔位置准确对准光电管阴极中心位置，使实验结果更加准确与科学。

优选的，还包括遮光板，遮光板上间隔设置有面积等差递增的透光通孔，且透光通孔下方还设置有标尺刻度线。标尺刻度线的设置可以确保透光通孔圆心精准对准光电管阴极中心位置。

优选的，微调电位器为绕线电阻微调电位器，电源为直流高压电源。使用绕线电阻微调电位器和直流高压电源，操作方便快捷，实验数据变化更加均匀。

优选的，还包括滤色片，滤色片固定于支架上，滤色片包括红色、黄色、绿色和紫色玻璃滤色片，玻璃材质透光度好。滤色片的设置可以获得更多的实验结果，加深学生对光电效应的理解。

优选的，自制“精度0.01µA”的电流传感器，“量程-10V～+130V，精度0.1V” 的电压传感器，还包括利用计算机和数据采集器，通过数据采集器接入计算机，设计配套专用软件。凭借计算机设备的接入，可以直观的将各项参数同步至计算机上，进而转换为相应的实验数据图表，更好的呈现光电效应实验内容，节省实验过程时间，能够实现光电效应四条规律的定量验证，极大提高课堂效率。

本发明的一种光电效应定量实验装置，针对现有的光电效应定量实验装置存在以下的问题：（1）实物一般平摆于桌面，有关线路的连接只能听老师口头介绍，看不到连接的电路图，理解麻烦费劲。(2)光电管的光电流小，不易测量。(3)测量光电流的微电流表数据上下跳动，不稳定。(4）现已有的传感器实验只能提供原理性演示性实验项目，灵敏度和准确度不高，光谱范围仪限于可见光区域，测量范围窄，常要求现场安装，带来噪声，增大实验误差，且调试较麻烦，尚不能对得到的测量数据作进一步的处理。 (5)光电管与光源之间的相对位置容易变动，造成光强的变化而影响实验结果。（6）改变光源照射到教学光电管的有效照射面积实验测量的误差大，电流数据变化大，不稳定，读数难，可控性差，通用软件在处理与分析数据和画图等不如配套专用软件好用等问题。

针对上述所述存在问题，本发明提出并实施解决问题的技术方案：（1）示教板立于底座，有关电路与实物立着面朝观众，有导线与实物连接组成实物电路图，有电路图有实物，能够直观地获得实验电路原理图和实物连接状态。示教板除了配有电流传感器、电压传感器，还配备传统的微电流表、电压表，加强了电路与实物的直观性，解决了长期以来人们研究的只看到实物，看不到电路，还需要将实物跟电路的元器件一一对应的问题，实现直观性好，便于理解光电效应规律原理。（2）自制电流传感器，精度0.01µA，解决因光电流微小，精准测量难，读数难问题。（3）采用绕线电阻微调电位器，解决了用一般电位器或滑动变阻器调整光电流时数据变化大，稳定性差的问题，实现数据变化均匀，读数时数据稳定。（4）遮光板的透光孔面积设计有1S、2S、3S、4S，同时遮光板下方设计有标尺、标针，解决因为没有“标尺、标针”，透光孔圆心很难精准对应光电管阴极位置，导致每次换孔改变面积后其对应位置会“偏差一点”，又由于光电流本来很小，再加上这“偏差一点”都会增加实验测量的误差问题。（5）设计将光电管、小手电筒及其滑行轨道一同固定安装于示教板上，形成一个整体，操作快捷、稳定，位置不松动，解决了长期以来人们安装光电管与光源独立分开于不同底座，导致实验操作时位置会产生松动而偏离而影响射入光电管阴极的光强问题。（6）采用DIS数字传感器，设计配套专用软件，比用通用软件处理与分析数据及绘图更快捷、更直观。

附图说明

包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。

图1是根据本发明的一个实施例的一种光电效应定量实验装置的立体图；

图2是根据本发明的一个具体的实施例的示教板的结构示意图；

图3是根据本发明的一个具体的实施例的遮光套筒的结构示意图；

图4是根据本发明的一个具体的实施例的遮光板的结构示意图；

图5是根据本发明的一个具体的实施例的光电效应定量实验装置的电路图；

图6是根据本发明的一个具体的实施例的利用光电效应定量实验装置获得的光源与光电流的数据关系图；

图7是根据本发明的一个具体的实施例的利用光电效应定量实验装置获得的光电流与入射光频率的数据关系图；

图8是根据本发明的一个具体的实施例的利用光电效应定量实验装置获得的入射光频率与光电子的初动能的数据关系图；

图9是根据本发明的一个具体的实施例的利用光电效应定量实验装置获得的伏安特性的数据关系图；

图10是根据本发明的一个具体的实施例的利用光电效应定量实验装置获得的光电流和入射光强的数据关系图；

图11是根据本发明的另一个具体的实施例的利用光电效应定量实验装置获得的光电流和入射光强的数据关系图。

关于附图标记的描述： 1.电源；2.示教板；3.电流传感器；4.电压传感器；5.数据采集器；6.计算机；21.接线柱；22.电压表；23.微调电位器；24.微电流表；25.滑轨；26.光源；27.支架；28.遮光套筒；29.刻度尺；281.圆柱体；282.遮光板滑轨；283.透光孔；284.光电管；285.标针；286.遮光板。

具体实施方式

在以下详细描述中，参考附图，该附图形成详细描述的一部分，并且通过其中可实践本发明的说明性具体实施例来示出。对此，参考描述的图的取向来使用方向术语，例如“顶”、“底”、“左”、“右”、“上”、“下”等。因为实施例的部件可被定位于若干不同取向中，为了图示的目的使用方向术语并且方向术语绝非限制。应当理解的是，可以利用其他实施例或可以做出逻辑改变，而不背离本发明的范围。因此以下详细描述不应当在限制的意义上被采用，并且本发明的范围由所附权利要求来限定。

图1示出了根据本发明的实施例的一种光电效应定量实验装置的立体图。如图1所示，该装置包括电源1、示教板2、电流传感器3、电压传感器4、数据采集器5和计算机6。电源1用于为示教板2上的电路元件供电，电流传感器3、电压传感器4通过数据采集器5接入计算机6中。具体的，所述电流传感器精度0.01µA，电压传感器的量程为-10V～+130V，精度0.1V，传感器采用DIS数字传感器，测量数据精准，通过设计配套专用的软件，能够将分析数据更快捷直观的在计算机6上生成。

继续参考图2，图2示出了本发明的一个具体的实施例的示教板的结构示意图，如图2所示，示教板2固定于底座上，呈“⊥”型结构。有关电路与实物立着面朝观众，有导线与实物连接组成实物电路图，有电路有实物，能直观电路原理和实物连接。其中，示教板2具体包括接线柱21、电压表22、微调电位器23、微电流表24、滑轨25、光源26、支架27和遮光套筒28。接线柱21用于与电源1连接为其他设备供电，微调电位器23的固定阻值的两引脚分别与接线柱21连接，可变阻值的引脚通过导线连接微电流表24，再通过遮光套筒28内的光电管284返回接线柱21形成光电效应电路，其中电压表22与光电管284和微电流表24并联设置，其中，电流传感器3和电压传感器4通过示教板2背部的接线柱对应接入光电效应电路中用于获取微电流表24和电压表22的电流和电压数据。

在优选的实施例中，示教板2的材料可以为木板，在木板上开设相应的孔用于固定电路元件，同时在示教板2的背后通过导线连接形成光电效应电路，具体的光电效应电路图如图5所示，并且在示教板2的正面表面绘制各电路元件实物的连接简图，加强了电路与实物的直观性，解决了长期以来人们研究的只看到实物，看不到电路的抽象感觉问题，便于理解光电效应规律原理。可替代的，示教板2除了使用木板之外，还可以选用亚克力板或塑料面板等材质，同样可以实现本发明的技术效果。

继续参考图3，图3示出了根据本发明的一个具体的实施例的遮光套筒的结构示意图，如图3所示，遮光套筒28包括一中空的圆柱体281，且两端密封，圆柱体281的内径大于光电管284的尺寸，使得光电管284可以置于圆柱体281内部。圆柱体281表面开设有一透光孔283，透光孔283的上下两侧设置有遮光板滑轨282，遮光板滑轨282的中部具有一根标针285，光电管284通过透光孔283安装于中空圆柱体281内。具体的，圆柱体281采用塑料水管，遮光板滑轨282粘贴于圆柱体281上。

在优选的实施例中，标针285正对光电管284的极板中心位置，可以在遮光板使用时方便透光通孔对应光电管284的极板中心位置，只需要以标针285作为基准进行位置调整即可。图4示出了根据本发明的一个具体的实施例的遮光板的结构示意图，该遮光板286可以插在遮光套筒28的遮光板滑轨282上，遮光板286包括四个通孔，且每个通孔的面积分别为呈等差数列的1S、2S、3S、4S，实验时依次分别使它对准光电管284的遮光套筒28（管罩）侧面的窗口，用它来改变射到光电管284阴极上的光通量。另外，遮光板286的下方还设置有mm刻度的标尺，优选的，将长刻度对应通孔的圆心，能够方便于对应遮光套筒上的遮光板滑轨282的标针285，确保透光孔圆心精确对准光电管阴极板中心位置。

在具体的实施例中，光源26可以采用小手电筒等其他发光元件，光源26对准光电管284的极板，透光孔283与光源26的光路同轴设置，光源26通过固定夹固定于滑轨25上，固定架与滑轨25之间可前后滑动，可以依此改变入射光电管284的光强。优选的，示教板2上还设置有mm刻度的刻度尺29，刻度尺29的起始位置为光电管284处，沿光源26的光轴路线方向设置，可以用于调节光源26与光电管284的具体位置关系。

在优选的实施例中，电源1为直流可调高压数显电源(0～250V)，光电管284采用GDB-1型真空光电管，阴极是用锑铯材料制成，极限频率4.62×10¹⁴Hz。微调电位器23采用绕线电阻微调电位器（WXD-13-2W,47K±5%C±0.3%），因光电流的大小是微安级别，所以该仪器控制电路的微调电位器采用微调绕线电阻，操作方便快捷，实验数据变化均匀。

在具体的实施例中，还包括滤色片，滤色片设置于光源26与遮光套筒28之间的支架27上，滤色片采用红、黄、绿、紫四种玻璃滤色片，玻璃材质透光度好，其中红色滤色片的峰值波长0.6600µm，频率4.55×10¹⁴H_Z 。透过四种滤色片后的入射光频率如下表1所示：

表1 滤色片颜色及入射光频率范围对照表

基于上述的光电效应定量实验装置，可以实现以下实验内容：

(1)演示“光电流”的产生；演示“光电流的最大值——饱和值”。图6示出了根据本发明的一个具体的实施例利用光电效应定量实验装置获得的光源与光电流的数据关系图；具体演示“光电流”的产生的实验方法为：不外加电压，光照光电管阴极，有光电流，如图6左侧图；遮光，光电流变为0，如图6右侧图。演示“光电流的最大值——饱和值”的具体方法为通过保持电压U_AK为一定值，改变光源与光电管阴极的距离。实验发现：距离近，光强大，光电流也增大，反之也减少。

(2)研究光电流与入射光的频率关系（光电效应产生的条件）。根据图7示出的根据本发明的一个具体的实施例利用光电效应定量实验装置获得的光电流与入射光频率的数据关系图，具体的实验方法为：依次在遮光板透光孔前放黄、绿、紫滤色片，都有光电流，这表明这几种光都能使光电管的阴极（锑铯）产生光电效应；在遮光板透光孔前放红色滤色片，不见产生光电流；再把光源移近以增大入射光的强度，也不见产生光电流。可以获得如下结论：要使某种金属产生光电效应，入射光的频率必须大于某个极限频率，低于这个极限频率的光，无论强度如何，照射的时间多久，也不能产生光电效应。

(3)研究“光电子的最大初动能入射光频率的关系”。根据图8示出的根据本发明的一个具体的实施例利用光电效应定量实验装置获得的入射光频率与光电子的初动能的数据关系图可知，入射光的频率越大，截止电压越大，光电子的初动能也越大。

(4)研究“入射光强不变时，光电流的大小跟正向电压的关系”（伏安特性）。根据图9示出的根据本发明的一个具体的实施例利用光电效应定量实验装置获得的伏安特性的数据关系图，从表格横向的数值和i—U_AK图象可以得出：当入射光强度不变时，光电流随正向电压U_AK的升高而增大（非线性），当电压U_AK达到一定值时，光电流就保持饱和值。

(5)研究“保持电压U_AK不变时，光电流大小跟光强关系”（光电特性）。可以采用以下两种方法进行：

根据图10示出的根据本发明的一个具体的实施例的利用光电效应定量实验装置获得的光电流和入射光强的数据关系图；在内容（4）的i—U_AK图中，从产生饱和光电流的电压区域中取一电压值，如图10左侧图，点击“i _m —Ø图象”按键，出现如图10右侧图。实验结论：从图10看出，在U_AK一定时，饱和光电流的大小和入射光的强度成正比（线性关系）。

根据图11示出的根据本发明的另一个具体的实施例的利用光电效应定量实验装置获得的光电流和入射光强的数据关系图。在饱和光电流的电压区域中取一电压值，分别四次变换遮光板面积为1S、2S、3S、4S，记录各自对应光电流，然后拟合“i _m —Ø图象”,如图11。实验结论：在U_AK不变时，饱和光电流和入射光强成正比。

本发明的光电效应定量实验装置通过将示教板立于底座上，将有关电路与实物立着面朝观众，有导线与实物连接组成实物电路图，直观电路原理和实物连接，加强了电路与实物的直观性，便于理解光电效应规律原理。其次，通过自制电流传感器，解决因光电流微小，精准测量难，读数难问题。另外，采用绕线电阻微调电位器，解决了用一般电位器或滑动变阻器调整光电流时数据变化大，稳定性差的问题，实现数据变化均匀，读数时数据稳定。遮光板下方设计有标尺，解决透光孔圆心很难精准对应光电管阴极中心位置，导致了增加实验测量的误差问题。设计将光电管、小手电筒及其滑行轨道一同固定安装于示教板上，形成一个整体，操作快捷、稳定，位置不松动。最终通过采用DIS数字传感器，设计配套专用软件，比用通用软件处理与分析数据及绘图更快捷、更直观。

显然，本领域技术人员在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以作出对本发明的实施例的各种修改和改变。以该方式，如果这些修改和改变处于本发明的权利要求及其等同形式的范围内，则本发明还旨在涵盖这些修改和改变。词语“包括”不排除未在权利要求中列出的其它元件或步骤的存在。某些措施记载在相互不同的从属权利要求中的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于获利。权利要求中的任何附图标记不应当被认为限制范围。

Claims (5)

1.一种光电效应定量实验装置，包括电源、示教板、底座、电流传感器和电压传感器，其特征在于，所述示教板垂直固定于所述底座上，所述示教板上包括电路元件和电路图且面朝观众，所述电路元件包括可移动的光源模块、光电管、遮光套筒、微电流表、电压表和微调电位器，所述电源、所述微调电位器、所述微电流表、所述光电管和所述电压表通过导线连接形成用于光电效应电路实验的所述示教板，所述遮光套筒侧面上开设有透光孔，所述光电管设置于所述透光孔内部，所述遮光套筒上还设置有遮光板滑轨，所述遮光板滑轨设置于所述透光孔的上下两侧，所述遮光套筒的透光孔设置于所述光源模块的光轴路径上且所述透光孔与所述光源同轴设置，所述遮光套筒与所述光源模块之间还设置有用于放置滤色片的支架，所述示教板的表面上有由通电导线连接的所述光电管、所述电压表、所述微电流表、所述微调电位器和所述电源组成的光电效应电路的实物连接图和电路图，所述光源模块包括滑轨和光源，所述光源可移动的设置于所述滑轨上，所述遮光板轨道的中央设置有标针，所述标针指向所述光电管阴极中心位置，还包括遮光板，所述遮光板上间隔设置有面积递增的透光通孔，且所述透光通孔下方还设置有标尺刻度线，还包括遮光板，所述遮光板上间隔设置有面积递增的透光通孔，且所述透光通孔下方还设置有标尺刻度线，还包括计算机和数据采集器以及设计配套专用软件，所述电压传感器和所述电流传感器通过所述数据采集器接入所述计算机。

2.根据权利要求1所述的光电效应定量实验装置，其特征在于，所述示教板的表面还设置有标尺，所述标尺的起始点为光电管，所述标尺沿光轴路径设置。

3.根据权利要求1所述的光电效应定量实验装置，其特征在于，所述遮光套筒为柱状密封，且所述遮光套筒的内径大于所述光电管的尺寸。

4.根据权利要求1所述的光电效应定量实验装置，其特征在于，所述微调电位器为绕线电阻微调电位器，所述电源为直流高压电源0～250V，所述电流传感器精度为0.01µA，所述电压传感器的量程为-10V～+130V，精度为0.1V。

5.根据权利要求1所述的光电效应定量实验装置，其特征在于，还包括滤色片，所述滤色片固定于所述支架上，所述滤色片包括红色、黄色、绿色和紫色玻璃滤色片。