书城科普读物动手做实验丛书--光学实验改进设计实践
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第10章 物理光学实验的操作与改进设计(2)

取J401型演示电表,选择检流计档,按极性接入SE302型侧面红外线接收二极管构成红外线接收器。用电视遥控手机(以不带聚光片的为佳,如熊猫、金星系列),使其红外发光二极管靠近SE302接收管的接收侧面小于1cm,按动手机矩阵开关,可见表针摆到大于或等于20μA处,说明手机发出红外线且不可见。

验证(1)取三棱镜一块,将太阳光分解后可得:红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫的彩色光带一条。而后,将红外线接收器的SE302接收管由紫光区逐步移向红光区及外侧,可见:当SE302在彩色区移动时,表针不动。当移到红光外侧时,表针摆动可达到30μA左右。说明在红光外侧存在有不可见光,这就是红外线。

(2)取15W、25W、40W白炽灯各一只,保持灯到SE302的距离相等。分别给灯通电后,照射SE302的接收侧面,可见表针示数由小到大。说明白炽灯发光成分中有不可见的红外线,且温度越高,发射的红外线越多。

说明无交流电时,可用火柴点燃后吹灭用余烬照射SE302。选用SE302时,用万用表1K挡检测,正向电阻3KΩ左右,反向电阻趋于无穷大,正反电阻差越大效果越好。

自制紫外线光源

在高中物理教学中,演示紫外线的作用和光电效应实验时需用紫外线光源,一般学校都不具备这种光源。有的学校采用医疗杀菌消毒用的紫外线灯管,但此光源有其缺点:①成本高、体积大;②光强较小,实验效果不佳。

针对上述情况,吉林梅河口市五中褚玉德老师自制了一种光强很大、实验效果较佳的简易紫外线光源,现介绍如下:

找一只250W的废高压水银灯,去掉外部玻璃壳,取出灯芯,并去其灯尾;找一只废电子管(如电子管扩大机中的高压汞气整流管),去掉管身,只用管脚。把灯芯焊在管脚中;截取一段硬塑料管,在侧面开一个长3cm、宽15cm的透光窗口,上端用黑色遮光纸封闭,制成一个遮光罩,套在灯芯上,紫外线灯就制成了。

用木板做一个小盒作为底座,在盒内装一只40W日光灯镇流器,盒盖上装一个开关和一个电子管座,把紫外线灯插在管座上。采用220V交流电供电,整个电路连接。

光电效应的佯谬

用紫外光照射锌板,锌板带正电荷,由与锌板联结的验电器或是静电计显示出来,这个实验不易做成功。如用冷阴极伦琴射线管(用感应圈供电)取代紫外光源实验便成功了。上海教育学院王为骥老师认为其实这是佯谬,经不起反证法的检验。可以这样试一下,把阴极导线撤去,在无射线的情况下,验电器仍可带正电;或是用手拿一张薄纸射线先射向锌板,即确定射线的情况下验电器反倒不能张开。以上现象,如用静电感应及屏蔽作用解释则是恰当的。原因是感应圈的高压足以使伦琴管的玻璃泡上有正电荷分布,加上空气被电离佯谬即发生。

用紫外线照射锌板,光电效应无疑是产生的,当锌板发射光电子电位上升后,无疑又会把部分电子拉回,如此,最后只能达到一个动态平衡状态,此时的电位甚低,验电器不能反映出来罢了。可见如使高灵敏度验电器或静电计,或是不断地清除光电子,实验均能成功。后者简便可行,在锌板附近垂直安放一块金属板,其大小约为锌板的12或13,再把它与直流高压电源(输出约1KV-5KV)正极相联结,便可达到清除电子的目的。是一个简易的直流高压电源,供自行制作。

D为2CP型整流二极管,K为封闭式双刀双掷开关,C1和C2为金属膜电容,005μf以上即可耐压为300V和600V。D与C1组成倍压整流电路,当开关置于右方时C2充电,电压约600V;当开关再搬向左方时,C2与C1串联,输出端可达1200V,使用时要调节金属板与锌板间的距离,即使静电感应不被觉察出来,也要使光电效应达到最佳效果。

光电效应的演示实验及其改进

高中物理课本在讲到光电效应时,首先介绍了这样一个实验:“把一块擦得很亮的锌板连接在灵敏验电器上,用弧光灯照锌板,验电器的指针就张开一个角度,表示带了电,进一步检查知道锌板带的是正电。这是因为它的电子在紫外线的照射下从表面飞了出来,锌板中缺少了电子,于是带正电”。

这个实验按课本所述的方法,一般不太容易做成功,苏州大学物理系陶洪老师分析其原因是:开始时,锌板上的电子在紫外线的照射下从表面飞出去,锌板就带上了正电,在周围的空间里就形成了一个电场,这个电场对电子的飞出有一个阻碍作用(即锌板上的正电荷对飞出电子的吸引作用);随着飞出的电子增多,锌板上带正电荷增多(电位升高),周围的电场增强,对电子飞出的阻碍作用增大,直到电子飞出时的最大动能与电子在电场中的电势能相等时,电子就无法飞离锌板,锌板上的电荷就不会再增加,电位也就不再升高,于是就达到了平衡状态。这时,锌板的电位可以高到多少伏呢?对此,我们可以这样来推算:根据爱因斯坦光电效应方程(12mV2m=hv-W=hv-hv0)及达到平衡状态时电子的最大初动能等于其静电势能(12mV2m=eU),可知,锌板可达到的电位U=h(v-v0)e;由于h=663×10-34焦耳秒,v0=8065×1014赫兹,e=160×10-19库仑,一般弧光灯发出的紫外线频率v的数量级可达1015赫兹,所以,U的数量级仅为100伏,即至多达到几伏。而一般指针验电器对几伏的电位差是检验不出来的(即使对几十伏的电位差也不一定能检验出来),这就是课本所述的方法一般不易成功的道理〔1〕。

不少书在介绍这个实验时,通常总是说先给锌板带负电,使验电器指针张开一个角度,然后,用弧光灯照射锌板,可看到验电器指针迅速合拢,由此再说明锌板上的电子在紫外线的照射下飞了出来,由前面的分析可见,这个方法之所以易于成功,是因为开始时锌板的电位为负,它对光电子不是起阻碍作用,而是起加速作用;随着光电子的飞出,锌板的电位升高,最后当锌板的电位达正的几伏时,光电子不再飞离锌板面,从而达到平衡状态,在这个过程中,锌板上电位的变化幅度较大,验电器指针的摆动就能清楚地显示出来了。

但是,这种方法常会使学生误解,只有带负电的金属板在光的照射下,电子从金属表面飞出才产生光电效应,或者学生会产生一些别的疑问。为了避免这些问题,又能把课本所述的实验做成功,陶洪老师利用平行板电容器在所带电量(基本)不变的情况下,两极板之间的电位差随电容器电容的减小而增大的原理,对课本所述的实验装置进行了改进。

改进后的装置。P1(锌板)和P2(金属板)组成平行板电容器;两极板相对板面上分别贴上材料相同的塑料薄膜〔2〕,两板靠紧。将金箔验电器的导棒和外壳分别与P1板和P2板(接地)连接。

演示时,先用砂纸把P1板向外的一面打光,然后,用弧光灯照射锌板P1,锌板就有光电子飞出,随之,锌板的电位升到几伏(达到平衡状态),这时,验电器箔片并不张开。但由于P1、P2组成的电容很大,所以P1板上积聚的电荷较多。熄掉弧光灯,箔片仍不张开(P1、P2间的电位差仍只有几伏)。移走P2板,即减小电容器的电容,这时,由于P1板上的电量基本不变,所以,P1板的电位(即P1和P2间的电位差)迅速升高,从而使得验电器导棒的电位(即导棒与外壳的电位差)迅速升高,验电器箔片就张开了一个明显的角度。

验电器箔片的张开说明了两极板之间有电位差,即P1板上带有电荷,通过检验可知,它带的是正电。由此可说明锌板在弧光灯紫外线的照射下发生了光电效应现象。如果再把它与白炽灯代替弧光灯照射锌板面不发生上述现象加以比较,则能说明光电效应的发生与入射光频率有关的事实。

注:

〔1〕如果用伦琴射线照射锌板,可使U的电位达到近百伏,甚至更高些(如果其它因素不考虑的话),这样,用较灵敏的指针验电就容易显示出来了。这就是课本脚注中说要用伦琴射线照射的道理。

〔2〕这里,如果不是在P1、P2两板上都贴塑料薄膜,譬如,仅在P1上贴塑料薄膜,那么当两极板靠紧和分开时,塑料薄膜与P2板在接触和分开的过程中,都会因“摩擦”而分别带上等量异种电荷。这些电荷也会因电容器电容的减小而在两极板间产生足以使验电器箔片张开到明显角度的电位差。这样一来,即使弧光灯不照(或用白炽灯照),移走P2板后验电器箔片也能张开,于是,用箔片张开来说明光电效应的发生就没有理由了。如果在两极板上都贴上塑料薄膜,那么,同种材料相“摩擦”,相互间就可看做不会因“摩擦”而带电,也就不会产生上述现象了。

光电效应演示实验的改进

光电效应演示实验是发现光的粒子性的关键性实验。高中物理教材各种版本均用同一装置;即:用导线将锌板与验电器的金属杆连接,用弧光灯照射锌板。实际上按上述装置很难观察到光电效应现象。其原因是:(1)没有清除因空气电离在锌板附近空间产生的带电粒子的装置。(2)没有弧光灯。(3)没有介绍做实验的细节。

河南省南阳市二中柳河清老师介绍经改进后的实验弥补了上述不足,可明显地观察到光电效应现象。

在静电计金属杆上端水平放置一个锌板(直径10cm左右),在锌板附近的铁架台上固定一个绝缘金属圆板(用平行板电容器一个极板作为静电清洁器),其下缘离锌板距离要适中。在锌板正上方吊一个紫外线灯管,两者距离30-40cm为宜。将清洁器与感应圈输出端的正极用导线连接。

装置的调节及实验注意事项

(1)实验前,烘干静电器,锌板的一面用砂纸磨光,去掉氧化锌,且光面朝上水平放置在静电计上。

(2)只使感应圈工作,调整清洁器高度,直到静电计指针张角为零,这样,减少了静电感应对实验的影响。

(3)当开亮紫外线灯管时,若静电计指针不偏转,应将清洁器换接感应圈另一极。

(4)眼睛不要直接看紫外线灯管,或将玻璃挡在紫外线与观察者之间,以免眼睛受伤。

(5)清洁器有上万伏的电压,不可用手接近或触及清洁器。

①紫外线灯管②静电清洁器③铁架台④锌板⑤静电计⑥感应圈实验步骤

(1)使感应圈工作,再打开紫外线灯管,静电计指针立即发生偏转,说明锌板带电。

(2)关闭感应圈和紫外线灯,用毛皮摩擦过的橡胶棒(带负电)接触锌板,静电计指针偏角变小或闭合,说明锌板在紫外线照射下,有电子从锌板中逸出,所出锌板带正电。

(3)用普通日光灯照射锌板磨光的一面,静电计指针不偏转,说明可见光不能使锌发生光电效应。

(4)将锌板翻转180°,使未磨光的氧化锌面朝上,静电计指针不偏转,说明紫外线不能使氧化锌产生光电效应。

简易光电效应多用演示器

光电能量转换演示实验

初中第二册物理讲到光能转化为电能,其转化靠什么器件?能否转化?笔者制作的光电转换多用演示器可以向学生说明这个问题。电路中要求工作电压是3V,工作电流是20-100mA,笔者在实验时选用了太阳能防暑帽的硅光电池板,在强光照射下可以产生3V直流电压,工作电流20mA。将硅光电池板接入电路中,取掉光控遮盖物,闭合电键K,将硅光电池板放在太阳下照射,或用60W以上的白炽灯光照射,硅光电池板产生直流电,喇叭立即播放出音乐节目。为了增强演示效果,可以将2-5块硅光电池板并联使用。

光控实验

将两节干电池串联作为电源接入电路,闭合电键K,音乐集成块不工作,当取掉光控孔的遮盖物后,光敏电阻在光的照射下,阻值由1兆欧下降到几十欧,这时R+R1<240KΩ,音乐集成块振荡电路起振,喇叭播放出音乐声。

磁控实验

电路中仍用两节干电池作电源,打开光控孔,用小磁件靠近干簧管一端,干簧管将电路接通,音乐集成块工作,喇叭播放出音乐声,发光二极管也在闪光。小磁体离开干簧管,电路被切断,音乐集成块因无电源而停止工作。

电磁控制实验

课本的演示实验是用继电器控制小型直流电动机电路,由于电机小转速又高,学生不易观察小电动机是否在运转。将上边的小电机改用音乐集成电路使课堂实验有活力,也让学生容易观察。仍用两节干电池做电源,再用3V电源给继电器线圈供电,电路就被接通,音乐集成块工作,若不给继电器线圈供电,工作电路就被切断,音乐集成块不工作。

红外线控制

同样用两节干电池作电源,取掉光控孔遮盖物,给红外线发射管接上3V直流电,红外接收管收到红外线后,它通过IC式继电器将工作电路接通,音乐集成块就工作。

光电池的土法解决

只要用廉价的大功率硅三极管,甚至是报废的管可以改制成光电池。浙江省上虞县小越中学何大江老师做的光电池实验,现介绍如下:

改制取一只bc结完好的大功率三极管(如3DD15等),小心地用挫刀去掉管帽(注意防止碰绝内部管脚引线),就可见到管芯。把万用表的转换开关拨至直流电压或电流档,并把红笔接在三极管b极,黑笔接在c极,让较强白炽灯光或太阳光照在管芯上。即见表针转动,说明光电池产生电压。即使在冬季测试,短路电流达04mA以上,开路电压达05V!这一电压值已同正品光池的输出电压相等。要是用凸透镜聚光,其输出电流会增加数倍。

演示把这光电池与毫安表连接,三极管的c极作为光电池的负极,b极作为正极。为增加可见度,适当采用量程小的演示电表,使演示时指针几乎满刻度偏转,(也可用伏特表作测电压的演示)把100W的白炽灯接在调压器上,使灯光的强度可变,并使白炽灯与光电池的距离调节在10cm左右。演示时,慢慢地调高电压,使灯渐亮,可发现其输出电流(或电压)也慢慢地增加。可见光电池的输出电流与光的强度有关。若用黑纸挡住光线,电流(或电压)立即消失,说明光电池是一种直接把光能转变成电能的器件。若分别用不同颜色的滤色片放在其上,还可让学生自己发现其他的一系列有趣问题来。

3DD15、DD03等管脚外型(对其它型号的三极管管脚可参考有关书来确定)。

一种演示光电效应实验的方法