綜述驗電器演示光電效應(yīng)實驗的兩種新方法
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摘要：分析了驗電器演示光電效應(yīng)實驗不易成功的原因，提出了兩種效果良好的改進(jìn)方法。
論文關(guān)鍵詞：驗電器,演示,光電效應(yīng),實驗
演示不能成功的原因，除了鋅板表面灰層或氧化層的影響（宜用細(xì)砂紙把它打磨光亮）之外，主要是鋅板表面附近的負(fù)電荷的影響。當(dāng)光電子離開鋅板后，在鋅板表面附近的空氣中形成負(fù)電荷區(qū)域。這些負(fù)電荷產(chǎn)生的電場將阻止光電子逸出鋅板。隨著逸出的光電子數(shù)目的增加，這種阻礙光電子逸出的作用就愈強，于是在極短的時間內(nèi)便達(dá)到動態(tài)平衡，宏觀上就不再有光電子逸出鋅板。這樣，鋅板與負(fù)電荷區(qū)域維持約有數(shù)伏特的電勢差�；蛘哒f，鋅板雖帶正電荷但并不足夠多，延長照射時間也不能增加鋅板的凈帶電量。其次是指針式驗電器的靈敏度不夠高。指針張開一定的角度需要一定量的電荷，從實驗測試來看，是需要一定的啟動電壓（電勢差），亦即指針與外殼之間的電壓。經(jīng)測試證實，中學(xué)物理實驗室常用的指針式驗電器，其啟動電壓至少在兩千伏以上，隨驗電器的大小以及材料的不同而不同，并受測量時空氣的溫度、濕度的影響�？梢韵胂蟪�，波長在0.2μm左右的紫外線光子，其能量充其量也只有6eV左右，它不可能使鋅板與驗電器外殼之間產(chǎn)生兩千伏以上的電勢差。所以鋅板雖帶正電荷而驗電器指針不會張開。也有的老師撰文介紹用X射線照射鋅板使驗電器指針張開，根據(jù)愛因斯坦的光電效應(yīng)方程是有道理的，然而只要實際做一做就會容易地發(fā)現(xiàn)，驗電器張開指示是感應(yīng)圈的高壓（一般是負(fù)極端離鋅板近些）使驗電器感應(yīng)起電的假象，只要接通感應(yīng)圈電源，去掉X射線管與用X射線照射的效果對比一下就可以證實。這是因為空氣分子、空氣中的負(fù)離子的影響足以使X射線產(chǎn)生的光電效應(yīng)仍然不可能產(chǎn)生千伏以上的電勢差來啟動驗電器。所以，啟動驗電器需要清除鋅板周圍的負(fù)電荷或者給驗電器加上一定的啟動電壓。
針對上述原因，采用以下兩種簡便易行的新方法，經(jīng)教學(xué)演示驗證，獲得了非常好的演示效果�，F(xiàn)介紹如下。
方法一： 清除鋅板周圍的負(fù)電荷
在鋅板前面放一個裝在絕緣支架上的銅絲網(wǎng)。演示前先給銅網(wǎng)帶上正電荷，用來吸走鋅板周圍的負(fù)電荷，清除或大大減弱負(fù)電荷區(qū)的影響，如圖1（a）所示。由于銅網(wǎng)所帶正電荷會使驗電器受到靜電感應(yīng)，需要適當(dāng)調(diào)整驗電器與銅網(wǎng)間的距離使驗電器指針處于即將張開的臨界狀態(tài)。這樣，紫外線一照射到鋅板，驗電器就立即張開。此法在空氣干燥時很容易成功，缺點是重復(fù)演示時，需給銅網(wǎng)補充正電荷并重新調(diào)整它與驗電器間的距離，實驗結(jié)束后也需補充講解銅網(wǎng)裝置的作用。
方法二：給驗電器加接啟動電壓
在驗電器外殼與銅絲網(wǎng)之間接上直流高壓電源，如圖1(b)所示，在2000V~5000V的范圍內(nèi)調(diào)整電壓的大小，使驗電器處于即將開啟狀態(tài)。如果沒有可調(diào)直流高壓電源，可用氦
圖1 清除鋅板表面附近負(fù)電荷的兩種新方法
氖激光器的電源或別的高壓電源代之，適當(dāng)加大驗電器與銅網(wǎng)間的距離也可使驗電器處于將開啟狀態(tài)。紫外線一照射鋅板，驗電器就張開。此法不受空氣潮濕影響，極易成功。不過由于引入高電壓，要特別注意安全。
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