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验电器演示光电效应实验的两种新方法

时间:2015-11-18  作者:徐萌萌 杨 军

摘要:分析了验电器演示光电效应实验不易成功的原因,提出了两种效果良好的改进方法。
论文关键词:验电器,演示,光电效应,实验

演示不能成功的原因,除了锌板表面灰层或氧化层的影响(宜用细砂纸把它打磨光亮)之外,主要是锌板表面附近的负电荷的影响。当光电子离开锌板后,在锌板表面附近的空气中形成负电荷区域。这些负电荷产生的电场将阻止光电子逸出锌板。随着逸出的光电子数目的增加,这种阻碍光电子逸出的作用就愈强,于是在极短的时间内便达到动态平衡,宏观上就不再有光电子逸出锌板。这样,锌板与负电荷区域维持约有数伏特的电势差。或者说,锌板虽带正电荷但并不足够多,延长照射时间也不能增加锌板的净带电量。其次是指针式验电器的灵敏度不够高。指针张开一定的角度需要一定量的电荷,从实验测试来看,是需要一定的启动电压(电势差),亦即指针与外壳之间的电压。经测试证实,中学物理实验室常用的指针式验电器,其启动电压至少在两千伏以上,随验电器的大小以及材料的不同而不同,并受测量时空气的温度、湿度的影响。可以想象出,波长在0.2μm左右的紫外线光子,其能量充其量也只有6eV左右,它不可能使锌板与验电器外壳之间产生两千伏以上的电势差。所以锌板虽带正电荷而验电器指针不会张开。也有的老师撰文介绍用X射线照射锌板使验电器指针张开,根据爱因斯坦的光电效应方程是有道理的,然而只要实际做一做就会容易地发现,验电器张开指示是感应圈的高压(一般是负极端离锌板近些)使验电器感应起电的假象,只要接通感应圈电源,去掉X射线管与用X射线照射的效果对比一下就可以证实。这是因为空气分子、空气中的负离子的影响足以使X射线产生的光电效应仍然不可能产生千伏以上的电势差来启动验电器。所以,启动验电器需要清除锌板周围的负电荷或者给验电器加上一定的启动电压。

针对上述原因,采用以下两种简便易行的新方法,经教学演示验证,获得了非常好的演示效果。现介绍如下。

方法一: 清除锌板周围的负电荷

在锌板前面放一个装在绝缘支架上的铜丝网。演示前先给铜网带上正电荷,用来吸走锌板周围的负电荷,清除或大大减弱负电荷区的影响,如图1(a)所示。由于铜网所带正电荷会使验电器受到静电感应,需要适当调整验电器与铜网间的距离使验电器指针处于即将张开的临界状态。这样,紫外线一照射到锌板,验电器就立即张开。此法在空气干燥时很容易成功,缺点是重复演示时,需给铜网补充正电荷并重新调整它与验电器间的距离,实验结束后也需补充讲解铜网装置的作用。

方法二:给验电器加接启动电压

在验电器外壳与铜丝网之间接上直流高压电源,如图1(b)所示,在2000V~5000V的范围内调整电压的大小,使验电器处于即将开启状态。如果没有可调直流高压电源,可用氦

光电效应

图1 清除锌板表面附近负电荷的两种新方法

氖激光器的电源或别的高压电源代之,适当加大验电器与铜网间的距离也可使验电器处于将开启状态。紫外线一照射锌板,验电器就张开。此法不受空气潮湿影响,极易成功。不过由于引入高电压,要特别注意安全。

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