基于仿真实验平台光电效应研究

基于仿真实验平台光电效应研究

史悦 孙培育 梁振宇

中国民用航空飞行学院，四川 广汉 618307

摘要：基于仿真实验云平台利用光电效应实验，学生可以方便地在线上进行物理仿真实验，观察实验现象，更好地深入学习实验理论与实际应用，从而有效地提高教学质量。

关键词：光电效应；仿真实验云平台；辅助教学

中图分类号：TM938 文献标识码：A 文章编号：

引言

光电效应在光量子学理论的发展和光的波粒二象性的解释方面有划时代的意义。利用光电效应原理制作的光电管等光电仪器零件是光电仪器的基础^[1，2]。因而，进行光电效应实验是非常有必要的。为节约实验设备购买和维护经费，不受教学实验场地和学生实验时间的约束，采用仿真实验云平台是一种较好的解决方法^[3-5]。仿真实验平台是一种基于实验的云平台，学生可以随时随地进行物理实验操作，观察实验现象，从而有效地提高教学质量^[6]。

1. 光电效应的基本实验原理

光电效应是指当一束具有特定频率的光照射在金属表面时，从金属表面逸出光电子的现象。将某一金属放置在光电管的阴极上，用一束特定频率的入射光照射，产生的光电子在外部电场的作用下，会运动到光电管的阳极，形成光电流，如图1所示。

图1 光电效应基本原理

光子具有的能量在极短的时间内被电子所吸收，一部分能量用来挣脱金属表面对它的束缚，多余的能量就转化为光电子的初始动能，由爱因斯坦的光电效应方程可知：

（1）

式中，h为普朗克常数，v为光的频率，m为光电子的质量，v₀为光电子的最大速度，A为金属的逸出功，金属的逸出功是金属本身特有的属性，不同的金属具有不同的逸出功数值。由(1)式可知，光电子的初动能正比于入射光的频率v，照到金属表面的入射光频率越高，逸出的光电子具有的初动能越大。当两级电压达到截止电压时，光电流恰好为零，此时有：

（2）

式中，e为电子所带电荷量，U₀为截止电压。

将（2）式代入（1）式可得：

（3）

此式表明截止电压U₀是频率的线性函数，直线的斜率k=h/e，通过采集多次实验的数据，将不同的频率与其截止电压进行一一对应，通过软件拟合求出直线的斜率k，然后就可算出普朗克常数h。

2. 基于仿真平台光电效应的研究

进入仿真实验云平台，选择光电效应实验。实验界面主要包括：光电管，光源，滤波片（365nm，404.7nm，435.8nm，546.1nm，577.0nm)和光电效应测试仪。

2.1仪器校准

根据光电效应实验原理连接电路图，如图2所示。将光源和光电管的盖子移除，打开光源，注意保护光源，汞灯不可连续打开，光源需冷却十五分钟后才能再次打开，否则会损坏元件。调整光电效应测试仪电压极性为负值，电流量程为1mA，电压量程为3V，随后打开电源。

图2 光电效应电路连接图

选择滤波片，双击滤波片组盒子，拖动365nm的滤波片至光电管上。为确保实验的正常进行，光电管与光源间必须取合适的距离。需要对光电管进行校准，先调整光电管上下高度，观察光电效应测试仪求数直到电流值达最大，说明光源与光电管镜筒高度一致。再调整光电管左右距离，调整光电效应测试仪的电压为-3V，反复调节光源和光电管之间的距离，直到光电效应测试仪电流显示值为-0.24mA，如图3所示。

图3 光电效应仪器校准

2.2计算普朗克常数

校准仪器后，分别测量577.0nm，546.1nm，435.8nm，404.7nm，365nm滤波片的遏止电压。光电效应测试仪从0V开始，每隔-0.1V记录一次电流值，直到电流值为0，记录电流为0时光电效应测试仪的电压值，即为遏止电压。利用遏止电压计算普朗克常数，如图4所示。利用图中斜率计算普朗克常数h为6.84∙10^-34Js，并与理论计算的普朗克量h₀=6.63∙10^-34Js比较计算相对误差为：3%。

图4 普朗克常数与频率的关系

3. 结语

光电效应原理制成光电器件的广泛应用，使光电效应在应用领域具有广阔前景。然而，由于受到仪器设备、时间空间等方面的限制，采用实验设备会受到一些影响。仿真实验平台是一种基于实验的云平台，采用仿真实验平台作为辅助教学的用有效手段，可以提高教学质量。

参考文献

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[5]陈爱霞. 光电效应实验仿真平台的应用[J]. 成都航空职业技术学院学报， 2014(04):55-58.

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