可调节全谱系可见光新型光电效应演示器
罗春春
摘 要：“光电效应”内容是注重核心素养理念的新髙考重点考查内容，也是学生比较难掌握的部分。设计出的新型光电效应演示器，采用GD-5型大尺寸光电管，光源改为可见光内全谱系可调节波长和亮度的遥控灯泡。该演示器能直观展示出极限频率、截至电压、饱和电流等光电物理现象，对光电效应规律的掌握有非常大的帮助。
关键词：光电效应；新型演示器；全谱系；可见光；电源模块
1 发现问题
笔者上课用的教材是鲁科版的高中物理（选修3-5），课本采用如图1所示的实验来演示光电效应现象：用紫外光照射锌板，验电器的金属箔展开一个角度，表明发生了光电效应。课本采用图2所示实验装置继续探究光电效应：分别用白炽灯和紫外线照射锌板，改变白炽灯和紫外线光的强度，观察灵敏电流计有无偏转及偏转角度大小，得出光电效应的极限频率（极限波长）和光的强度对光电流的影响[ 1 ]。
笔者上课时花了较长时间准备好上述器材，做实验过程中，发现图1实验由于受周围环境温湿度影响不易成功，验电器金属箔片基本看不到张开角度。图2实验的灵敏电流计不管怎么照射，也没反应。
后来在淘宝网上看到如图3采用紫外光照射锌板的实验器，，这个实验器虽然有所改进，但也易受周围环境尤其是湿度影响，演示操作不方便，实验现象有时不明显，较抽象，电压高不安全，且缺乏探究。
实验室现有一种J2517光电效应演示器，该演示器把零散器材组合在一个箱子里，可以用可见光照射光电管来演示光电效应现象，较好用了。安装了针式电压表、毫安表、光电效应原理电路中的电压、电流通过指针所指示数得以定量测量。笔者在使用中感到毫安表指针偏转角度还算大，现象较直观。笔者较好奇，把这套仪器拆解开来，发现里面的光电效应原理电路没有串联滑动变阻器，面板左下方的电位器（滑动变阻器）直接接到了交流220V市电电路，其说明书介绍的改变电压来观测饱和电流是无法实现的！而且里面实际电路采用了放大电路，使得流过电流表的电流较大达毫安级，这样指针才会偏转。这样的加了放大电路的电流表所测值实际上不是光电效应直接产生的光电子流强度（光电流），要知道典型普通光电管饱和电流值是微安级（μA）。笔者还发现，该套演示器的光电管也太小，参数规格也不适合直接演示光电效应。
2 问题解决的思路
鉴于上述光电效应器材的问题，笔者想，可见光有红橙黄绿青蓝紫七种颜色，能否设计一种在可见光光谱区域内，在波长较长的照射下有极限频率（极限波长），比如红橙光照射；在波长较小的光照射下能打出光电子，在光电管电路里，能测饱和电流、截至电压等光电效应现象的一套仪器。
GD-5大尺寸侧窗式光电效应管，光谱响应范围“200～600nm”，最佳波长380～420nm，尺寸高138mm，玻璃泡直径38mm，最佳工作电压直流30V以下，最高100V；尺寸较大，直观性问题解决了；由于可见光波长范围是“390～780nm”，光电材料的极限波长小于可见光最大波长，因此非常适合演示“极限频率”现象参数，准备用它作新型光电效应演示器的光电管。
在淘宝网上购买有遥控彩光灯泡，可无级遥控调光，可方便调红橙黄绿蓝靛紫可见光谱区域内任意颜色，可调亮度。调节光的颜色（光的频率），可以观察照射光频率与光电子最大初动能之间的关系。这种遥控彩光灯泡适合做新型光电效应演示器的全谱系可见光光源。
笔者采用如图4所示的光电管电路图：通过滑動变阻器的分压器电路，直接在光电管两端加上正向直流电压0～24V用于测饱和电流，加直流电压用于测截至电压。正向直流电压0～24V和反向0～-5V的电压从交流220V电经过ac-dc双路输出5v0.1a-24v0.1a开关电源模块得到的（图5）。这个开关电源模块是在第一代基础上改进了的第二代，尺寸明显小了许多。
光电管的光电流只有微安级，用指针式灵敏电流表无法测量，即使勉强有偏转，精度也不够。研究发现指针式电压表的精度也无法满足实验要求。为了解决电压和光电流的测量要求，笔者找到了高精度数字电表如下：
微安表DC200μA技术参数：测量范围为直流0～200μA，测量精度：0.1μA；工作电压：8V-18V（宽供电电压），工作电流：<200mA；显示方式：0.5"LED，红色），外型尺寸：79×43×25 mm，安装开孔：75×39.5 mm。
电压表DC100V技术参数：测量范围为直流0～99.9V，测量精度0.1V；工作电压：DC8-18V（宽供电电压）；工作电流：<200mA；显示方式：0.56"LED，红色；外型尺寸：79×43×25 mm；安装开孔：75×39.5 mm；重量：约60g。
以上两个电表精度和量程都满足实验要求。
用塑料药瓶改造成了一个光电管座，用胶水固定，便于安装光电管；当然少不了电烙铁等制作工具。
3 可调节全谱系可见光新型光电效应演示器的制作
3.1 材料配件
主要有摩光灯泡，侧面开有小孔的遮光筒，光电管，电源模块，数字高精度电压表和微安表，变压器，电位器（滑动变阻器），圆形开关，光电管座，螺口灯座，电源线，导线若干，高密度纤维板。
3.2 设计改进过程
（1）设计面板（图6）：用电脑软件设计图纸，标准安装孔尺寸。并到学校科技活动室有雕刻机等工具打好孔。
（2）在高密度纤维板面板上画上电路原理图和作品名称。
（3）把圆形开关、灯座、光电管座、数字电压表、数字电流表、电位器（滑动变阻器）等依次安装在面板上。
（4）在面板的背面安装好电源模块，变压器，数字电压表和电流表的供电模块，按电路原理图连接好光源的供电电路和右边的光电管控制电路。
（5）装上摩光彩色灯泡和光电管，在光电管上罩上遮光筒。
笔者最终制作完成一套如图7所示的“可调节全谱系可见光新型光电效应演示器”。
4 实验测试
把该新型演示器接上220V市电，打开开关，灯泡发光，通过遥控器可调节红橙黄绿蓝靛紫七种色光，还可调节光照强度。电流表和电压表示数清晰，精度高，通过旋转面板右下角的电位器（滑动变阻器）可以控制光电管两端电压大小及正反向电压，可以演示遏止电压、饱和电流两个现象。遥控器调到红光照射，无论怎样调亮度和电压，灵敏电流表示数均为0.00μA，因此来演示极限频率现象。本演示器可调电压范围为+24V～-5V，完全满足实验的电压要求。
笔者发现，如果没在光电管上罩带透光小孔的遮光筒，白天实验易受外界光的影响，造成实验数据误差大，所以建议一定要使用遮光筒。
实验测试结果表明该套新型光电效应演示器能够全面展示光电效应规律。经过物理课堂实践检验，该演示器能有效帮助学生完整理解掌握光电效应规律，明显提高了教学效果。
5 演示及数据
5.1 演示1
（1）电路接好后，在光电管上罩上遮光筒，使遮光罩的透光小孔正对光源。
（2）打开开关，长按3秒遥控器电源健，发出较强白光。
（3）转动电位器旋钮调节电压到零，记录电流表示数。
（4）用遥控器关掉光源的白光，记录数字电流表示数。
实验记录如表1所示。
由表1可得出结论1：普通可见光可产生光电效应，瞬时打出光电子。
5.2 演示2
（1）调节光电管两端电压到3.0V
（2）用遥控器调节灯泡发红光，记录电流表示数。
（3）用遥控器调节灯泡发黄光，记录电流表示数。
（4）用遥控器调节灯泡发蓝光，记录电流表示数。
由表可得出结论2：红光对应的频率（波长）是该光电管的极限频率（极限波长）
5.3 演示3
（1）保持摩光灯泡发蓝光不变，用遥控器调到强光，记录电流表示数。
（2）用遥控器调到蓝色较弱光，记录电流表示数。
由表3可得出结论3：光电流与光的强度有关。强度越大，光电流越大。
5.4 演示4
（1）用遥控器调灯泡发绿光、保持不变的发光亮度。
（2）转动电位器旋钮，光电管两端电压从0正向增大到20.0V，记录两个数字电表示数在表4。
（3）转动电位器旋钮，反向增大光电管两端电压到1.5V，记录两个数字电表示数在表5。
由表4可得出结论4：当电压增大到一定程度时，有饱和电流出现。
由表5可得出结论5：光电管的反向电压加到一定值，就会出现截至电压，没有电流。
6 创新部分
（1）可以在可见光谱系内演示极限波长（极限频率）、截至电压、饱和电流。
（2）通过分压器电路的巧妙连接，只需使用一个高精度电位器不但可以调到正向电压24.5V，还可调出反向电压-5V，保证在电压范围内连续灵活可调。
（3）用高精度数字微安表、电压表代替指针式电表，能测微小电流（0.1μA）、电压（0.1V），保证测量到实际光电流值，而不是经放大电路放大处理过的。
（4）采用了直流电源模块可以直接使用市电220V电源，不需电池。
（5）采用双路隔离式直流稳压电源分别给数字电流表、电压表供电，避免了电表互相干扰，使电表示数稳定可靠。
（6）采用高精度电位器代替普通的滑动变阻器，调节灵活方便。
7 项目的使用情况和进一步完善的设想
经过物理课堂实践检验，该演示器能有效帮助学生完整理解掌握光电效应规律，明显提高了教学效果。完善的设想：使用手机遥控代替遥控器调节光源；增加能测光源频率的装置，这样能定量测出极限频率；设计一个软件来在电脑屏幕或手机上自动绘出示光电流与电压的关系图象，得出截至电压与饱和电流具體数值。
参考文献：
[1] 司南中学物理教材编写组.普通高中课程标准实验教科书物理（选修3-5）[M].济南：山东科学技术出版社，2007：83-84.
摘 要：“光电效应”内容是注重核心素养理念的新髙考重点考查内容，也是学生比较难掌握的部分。设计出的新型光电效应演示器，采用GD-5型大尺寸光电管，光源改为可见光内全谱系可调节波长和亮度的遥控灯泡。该演示器能直观展示出极限频率、截至电压、饱和电流等光电物理现象，对光电效应规律的掌握有非常大的帮助。
关键词：光电效应；新型演示器；全谱系；可见光；电源模块
1 发现问题
笔者上课用的教材是鲁科版的高中物理（选修3-5），课本采用如图1所示的实验来演示光电效应现象：用紫外光照射锌板，验电器的金属箔展开一个角度，表明发生了光电效应。课本采用图2所示实验装置继续探究光电效应：分别用白炽灯和紫外线照射锌板，改变白炽灯和紫外线光的强度，观察灵敏电流计有无偏转及偏转角度大小，得出光电效应的极限频率（极限波长）和光的强度对光电流的影响[ 1 ]。
笔者上课时花了较长时间准备好上述器材，做实验过程中，发现图1实验由于受周围环境温湿度影响不易成功，验电器金属箔片基本看不到张开角度。图2实验的灵敏电流计不管怎么照射，也没反应。
后来在淘宝网上看到如图3采用紫外光照射锌板的实验器，，这个实验器虽然有所改进，但也易受周围环境尤其是湿度影响，演示操作不方便，实验现象有时不明显，较抽象，电压高不安全，且缺乏探究。
实验室现有一种J2517光电效应演示器，该演示器把零散器材组合在一个箱子里，可以用可见光照射光电管来演示光电效应现象，较好用了。安装了针式电压表、毫安表、光电效应原理电路中的电压、电流通过指针所指示数得以定量测量。笔者在使用中感到毫安表指针偏转角度还算大，现象较直观。笔者较好奇，把这套仪器拆解开来，发现里面的光电效应原理电路没有串联滑动变阻器，面板左下方的电位器（滑动变阻器）直接接到了交流220V市电电路，其说明书介绍的改变电压来观测饱和电流是无法实现的！而且里面实际电路采用了放大电路，使得流过电流表的电流较大达毫安级，这样指针才会偏转。这样的加了放大电路的电流表所测值实际上不是光电效应直接产生的光电子流强度（光电流），要知道典型普通光电管饱和电流值是微安级（μA）。笔者还发现，该套演示器的光电管也太小，参数规格也不适合直接演示光电效应。
2 问题解决的思路
鉴于上述光电效应器材的问题，笔者想，可见光有红橙黄绿青蓝紫七种颜色，能否设计一种在可见光光谱区域内，在波长较长的照射下有极限频率（极限波长），比如红橙光照射；在波长较小的光照射下能打出光电子，在光电管电路里，能测饱和电流、截至电压等光电效应现象的一套仪器。
GD-5大尺寸侧窗式光电效应管，光谱响应范围“200～600nm”，最佳波长380～420nm，尺寸高138mm，玻璃泡直径38mm，最佳工作电压直流30V以下，最高100V；尺寸较大，直观性问题解决了；由于可见光波长范围是“390～780nm”，光电材料的极限波长小于可见光最大波长，因此非常适合演示“极限频率”现象参数，准备用它作新型光电效应演示器的光电管。
在淘宝网上购买有遥控彩光灯泡，可无级遥控调光，可方便调红橙黄绿蓝靛紫可见光谱区域内任意颜色，可调亮度。调节光的颜色（光的频率），可以观察照射光频率与光电子最大初动能之间的关系。这种遥控彩光灯泡适合做新型光电效应演示器的全谱系可见光光源。
笔者采用如图4所示的光电管电路图：通过滑動变阻器的分压器电路，直接在光电管两端加上正向直流电压0～24V用于测饱和电流，加直流电压用于测截至电压。正向直流电压0～24V和反向0～-5V的电压从交流220V电经过ac-dc双路输出5v0.1a-24v0.1a开关电源模块得到的（图5）。这个开关电源模块是在第一代基础上改进了的第二代，尺寸明显小了许多。
光电管的光电流只有微安级，用指针式灵敏电流表无法测量，即使勉强有偏转，精度也不够。研究发现指针式电压表的精度也无法满足实验要求。为了解决电压和光电流的测量要求，笔者找到了高精度数字电表如下：
微安表DC200μA技术参数：测量范围为直流0～200μA，测量精度：0.1μA；工作电压：8V-18V（宽供电电压），工作电流：<200mA；显示方式：0.5"LED，红色），外型尺寸：79×43×25 mm，安装开孔：75×39.5 mm。
电压表DC100V技术参数：测量范围为直流0～99.9V，测量精度0.1V；工作电压：DC8-18V（宽供电电压）；工作电流：<200mA；显示方式：0.56"LED，红色；外型尺寸：79×43×25 mm；安装开孔：75×39.5 mm；重量：约60g。
以上两个电表精度和量程都满足实验要求。
用塑料药瓶改造成了一个光电管座，用胶水固定，便于安装光电管；当然少不了电烙铁等制作工具。
3 可调节全谱系可见光新型光电效应演示器的制作
3.1 材料配件
主要有摩光灯泡，侧面开有小孔的遮光筒，光电管，电源模块，数字高精度电压表和微安表，变压器，电位器（滑动变阻器），圆形开关，光电管座，螺口灯座，电源线，导线若干，高密度纤维板。
3.2 设计改进过程
（1）设计面板（图6）：用电脑软件设计图纸，标准安装孔尺寸。并到学校科技活动室有雕刻机等工具打好孔。
（2）在高密度纤维板面板上画上电路原理图和作品名称。
（3）把圆形开关、灯座、光电管座、数字电压表、数字电流表、电位器（滑动变阻器）等依次安装在面板上。
（4）在面板的背面安装好电源模块，变压器，数字电压表和电流表的供电模块，按电路原理图连接好光源的供电电路和右边的光电管控制电路。
（5）装上摩光彩色灯泡和光电管，在光电管上罩上遮光筒。
笔者最终制作完成一套如图7所示的“可调节全谱系可见光新型光电效应演示器”。
4 实验测试
把该新型演示器接上220V市电，打开开关，灯泡发光，通过遥控器可调节红橙黄绿蓝靛紫七种色光，还可调节光照强度。电流表和电压表示数清晰，精度高，通过旋转面板右下角的电位器（滑动变阻器）可以控制光电管两端电压大小及正反向电压，可以演示遏止电压、饱和电流两个现象。遥控器调到红光照射，无论怎样调亮度和电压，灵敏电流表示数均为0.00μA，因此来演示极限频率现象。本演示器可调电压范围为+24V～-5V，完全满足实验的电压要求。
笔者发现，如果没在光电管上罩带透光小孔的遮光筒，白天实验易受外界光的影响，造成实验数据误差大，所以建议一定要使用遮光筒。
实验测试结果表明该套新型光电效应演示器能够全面展示光电效应规律。经过物理课堂实践检验，该演示器能有效帮助学生完整理解掌握光电效应规律，明显提高了教学效果。
5 演示及数据
5.1 演示1
（1）电路接好后，在光电管上罩上遮光筒，使遮光罩的透光小孔正对光源。
（2）打开开关，长按3秒遥控器电源健，发出较强白光。
（3）转动电位器旋钮调节电压到零，记录电流表示数。
（4）用遥控器关掉光源的白光，记录数字电流表示数。
实验记录如表1所示。
由表1可得出结论1：普通可见光可产生光电效应，瞬时打出光电子。
5.2 演示2
（1）调节光电管两端电压到3.0V
（2）用遥控器调节灯泡发红光，记录电流表示数。
（3）用遥控器调节灯泡发黄光，记录电流表示数。
（4）用遥控器调节灯泡发蓝光，记录电流表示数。
由表可得出结论2：红光对应的频率（波长）是该光电管的极限频率（极限波长）
5.3 演示3
（1）保持摩光灯泡发蓝光不变，用遥控器调到强光，记录电流表示数。
（2）用遥控器调到蓝色较弱光，记录电流表示数。
由表3可得出结论3：光电流与光的强度有关。强度越大，光电流越大。
5.4 演示4
（1）用遥控器调灯泡发绿光、保持不变的发光亮度。
（2）转动电位器旋钮，光电管两端电压从0正向增大到20.0V，记录两个数字电表示数在表4。
（3）转动电位器旋钮，反向增大光电管两端电压到1.5V，记录两个数字电表示数在表5。
由表4可得出结论4：当电压增大到一定程度时，有饱和电流出现。
由表5可得出结论5：光电管的反向电压加到一定值，就会出现截至电压，没有电流。
6 创新部分
（1）可以在可见光谱系内演示极限波长（极限频率）、截至电压、饱和电流。
（2）通过分压器电路的巧妙连接，只需使用一个高精度电位器不但可以调到正向电压24.5V，还可调出反向电压-5V，保证在电压范围内连续灵活可调。
（3）用高精度数字微安表、电压表代替指针式电表，能测微小电流（0.1μA）、电压（0.1V），保证测量到实际光电流值，而不是经放大电路放大处理过的。
（4）采用了直流电源模块可以直接使用市电220V电源，不需电池。
（5）采用双路隔离式直流稳压电源分别给数字电流表、电压表供电，避免了电表互相干扰，使电表示数稳定可靠。
（6）采用高精度电位器代替普通的滑动变阻器，调节灵活方便。
7 项目的使用情况和进一步完善的设想
经过物理课堂实践检验，该演示器能有效帮助学生完整理解掌握光电效应规律，明显提高了教学效果。完善的设想：使用手机遥控代替遥控器调节光源；增加能测光源频率的装置，这样能定量测出极限频率；设计一个软件来在电脑屏幕或手机上自动绘出示光电流与电压的关系图象，得出截至电压与饱和电流具體数值。
参考文献：
[1] 司南中学物理教材编写组.普通高中课程标准实验教科书物理（选修3-5）[M].济南：山东科学技术出版社，2007：83-84.
