作者
文_陈思鑫/福建省泉州市第七中学
光电效应实验涉及量子物理最基础的内容，也是量子物理与经典物理学的重要衔接。物理课程标准要求学生通过实验知道光电效应的实验规律，理解遏止电压、极限频率、逸出功等概念的含义；理解光子说及其对光电效应的解释；知道爱因斯坦光电效应方程，知道其物理意义。传统光电效应演示器存在一些缺陷，比如无法改变电源方向研究遏止电压大小，对光电效应的研究缺失重要的一环；采用指针式表盘，尺寸较小，在演示时不便于观察；实验电路部分已经在演示器内部连接好，学生可探究实践的内容很少，更多的是现象的直观感受，不利于定量研究。
设计思路
设计一种自动切换多种单色光输出的光源模组，获取准确波长数值；将电学器件设计成标准模块，采用总线方式传输数据；由学生自主进行电路连接，支持拓展更多模块进行创新实验探究；采用电容式触摸屏操控实验设备、设置参数、处理数据、学习微课；利用物联网技术打通实验数据流，实现多终端数据共享与处理，包括交互界面、黑板磁吸电表、网页端数据大屏、打印模块及手机端等，支持实时展示与深度分析；通过记录学生实验中的操作痕迹，对学生进行过程性评价；装置能完成描绘光电管伏安特性、遏止电压与入射光波长的关系、饱和光电流的决定因素、测量液体的浓度、光电传感器设计等多个实验，多种数据终端能适用于不同课堂需求，可适用于演示实验、分组实验及课外创新拓展。
项目制作
硬件设计
为定量计算遏止电压与入射光波长的规律，需要获得准确的单色光波长，本实验系统设计了一种可输出多种波长的光源模组（图1）。选择8种在可见光范围内的LED，固定在带有聚光镜的LED灯座上，呈圆周状均匀排列。整个LED灯盘通过一个带有磁编码器的360°舵机驱动定位，每个LED灯的工作电压和通断控制信号可由主控器发出，LED灯的波长准确数值通过光谱仪测量得出。
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图1 光源模组
本实验系统采用可自动切换多孔径光阑（图2），共设计了8种不同孔径均匀分布在圆盘上，由舵机驱动。该圆盘直径与固定LED灯座的圆盘相同，并且对心安装，确保不同孔径的光阑与LED灯对心。
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图 2 多孔径光阑
本实验系统选择的GD-28光电管（图3）是一款侧窗式锑钾铯光电阴极，为了避免外界光线影响，把光电管安装在一个黑色3D打印的遮光罩中，在侧面预留出开窗。GD-28光电管的阳极形状为一个线框，光路避免直接照射到线框上，可有效减少阳极电流，把阴极和阳极用导线连接到底部端子连接座上。
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图 3 GD-28 光电管
为精确测量光电管中的微弱电流及遏止电压，本实验系统采用高精度直流数显数字表头，支持数码管实时显示电压、电流数值，并配备隔离RS485接口，实现电表数据的传输与采集。
本实验系统设计了20余种尺寸为6 cm×6 cm或6 cm×3 cm的标准化电学器件，底部带有磁铁（图4），以及可以自由放置的磁吸式电学实验区。电学器件通过可堆叠式2 mm的香蕉头插接件快速实现线路连接，并提高电路可靠性。支持学生自主设计更多电学器件，电学实验区可以安装更多的拓展电学器件模块进行课外创新性实验的探索。
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图 4 标准尺寸的电学器件模块
在实验面板上安装一块7寸IPS带触摸功能的显示屏，作为交互界面。该屏幕通过对应的界面开发软件设计和简易编程，可以实现丰富的控件特效，支持视频、动画播放，并借助串口与主控器连接。
磁吸式演示电表（图5）可吸附在黑板上，通过连接实验箱中的网络设备，可同步显示实验箱中的数据，也可同步操控实验设备。演示电表数值显示采用1寸的LED，学生读数更加清晰。通过调节旋钮可设置显示数值的单位、选择所要显示的物理量等。
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图 5 磁吸式演示电表
物联网功能
基于物联网的多终端包括交互屏幕端、手机端、磁吸电表端、网页端。利用物联网技术打通物理实验过程中的数据流，在多个数据终端共享数据并进一步分析处理，多种数据呈现方式可供师生灵活选择。物联网结构示意图如图6所示。
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图6 物联网结构示意图
实验测试
测量光电管伏安特性曲线
实验目的①探究光电管正向电压与光电流的关系。②探究光电管反向电压与光电流的关系。
实验步骤①通过电源方向切换开关，选择对光电管加正向电压，电位器旋钮旋至输出电压为0的位置，确保开关断开状态。②通过触摸屏控制光源输出520 nm波长、光阑直径14 mm，电流表应有读数。③通过电位器旋钮逐渐增大正向电压，手动采集数据后，在磁吸电表、网页端等同步显示数据。④断开开关，切换电源方向为反向电源，重复测量。⑤改变电源输出的单色光波长，改变光阑直径，重复测量。
实验结论①从光电管正向电压与光电流的关系中可以看出，随着电压增加，光电流越大，并趋于某一饱和电流；相同波长的入射光，供电电压越大（光强越强），其光电流增大。②随着光电管两端的反向电压越大，光电流迅速降低；当光电流为零时，测得不同波长下的遏止电压。可以看出波长越短，遏止电压越大。同一波长，不同光强的光，遏止电压一样。
遏止电压与入射光波长的关系
实验目的①定量测量遏止电压与入射光波长的关系。②测量普朗克常量。③测量光电管阴极材料极限波长。
实验步骤①光电管两端加上反向电压。②选择不同的入射光光源，并记录入射光波长。③光阑直径、供电电压不变，通过调节电位器，增大反向电压大小，直到光电流刚好稳定显示为零时，记录反向电压的大小。④重复测量5种以上入射光对应的遏止电压。
通过观察波长与遏止电压之间的关系，发现波长越大，遏止电压越小，猜想波长的倒数与遏止电压之间呈线性关系。经过拟合得到
U=11.804/λ-1.829的关系，通过观察图像，
U与1/λ在误差允许范围内呈线性关系。
进一步通过爱因斯坦光电效应方程分析
hv=w+Ek，又有最大初动能
Ek=eU，频率，逸出功，代入并整理可得，对比图像，可以知图像斜率，截距，通过计算可以得出普朗克常量的测量值
h=6.295×10-34J·s ，与真实值对比相对误差为5.62%。测出该光电管材料的极限波长0=645 nm。
创新拓展实验：光电效应测量液体的浓度
实验原理由于溶液对光有吸收作用，其吸光率满足公式
A
Kbc
K为吸收系数，
c为溶液的浓度，
b为溶液的透光厚度）。在光源和光电管之间放置试管，试管内倒入溶液，光线透过溶液就会有一部分被吸收，那么对应光电管的光电流就会减少。不同浓度的吸光率不同，所以其光电流也有差别。在入射光波长和强度保持不变的情况下，通过测定某种溶液不同浓度对应的光电流大小，可以得出液体浓度和饱和光电流的图像。
后续根据该图像得出的浓度与饱和光电流的关系式，通过测定未知浓度溶液对应的饱和光电流就能得知其浓度大小，极大程度地简化液体浓度测量的实验步骤。
评价功能的实现
为了实现对学生实验操作的过程性评价，通过RS485总线实时记录学生操作痕迹和各个传感器的实时数值，利用上位机软件分析学生实验操作的准确程度，辅助评分者作出更精准的判断。对实验操作过程构建科学量化标准，实现对实验操作能力的评价，评价量表详见表1。
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该项目获得第 38 届全国青少年科技创新大赛科技辅导员科技教育创新成果一等奖
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来源 | 《中国科技教育》2025-03
编辑 | 孟想
审校 | 若惜、朱志安