科技教育創(chuàng)新成果一等獎：基于物聯(lián)網(wǎng)的多終端光電效應(yīng)實驗系統(tǒng)

作者

文_陳思鑫/福建省泉州市第七中學(xué)

光電效應(yīng)實驗涉及量子物理最基礎(chǔ)的內(nèi)容，也是量子物理與經(jīng)典物理學(xué)的重要銜接。物理課程標準要求學(xué)生通過實驗知道光電效應(yīng)的實驗規(guī)律，理解遏止電壓、極限頻率、逸出功等概念的含義；理解光子說及其對光電效應(yīng)的解釋；知道愛因斯坦光電效應(yīng)方程，知道其物理意義。傳統(tǒng)光電效應(yīng)演示器存在一些缺陷，比如無法改變電源方向研究遏止電壓大小，對光電效應(yīng)的研究缺失重要的一環(huán)；采用指針式表盤，尺寸較小，在演示時不便于觀察；實驗電路部分已經(jīng)在演示器內(nèi)部連接好，學(xué)生可探究實踐的內(nèi)容很少，更多的是現(xiàn)象的直觀感受，不利于定量研究。

設(shè)計思路

設(shè)計一種自動切換多種單色光輸出的光源模組，獲取準確波長數(shù)值；將電學(xué)器件設(shè)計成標準模塊，采用總線方式傳輸數(shù)據(jù)；由學(xué)生自主進行電路連接，支持拓展更多模塊進行創(chuàng)新實驗探究；采用電容式觸摸屏操控實驗設(shè)備、設(shè)置參數(shù)、處理數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)微課；利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打通實驗數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)多終端數(shù)據(jù)共享與處理，包括交互界面、黑板磁吸電表、網(wǎng)頁端數(shù)據(jù)大屏、打印模塊及手機端等，支持實時展示與深度分析；通過記錄學(xué)生實驗中的操作痕跡，對學(xué)生進行過程性評價；裝置能完成描繪光電管伏安特性、遏止電壓與入射光波長的關(guān)系、飽和光電流的決定因素、測量液體的濃度、光電傳感器設(shè)計等多個實驗，多種數(shù)據(jù)終端能適用于不同課堂需求，可適用于演示實驗、分組實驗及課外創(chuàng)新拓展。

項目制作

硬件設(shè)計

為定量計算遏止電壓與入射光波長的規(guī)律，需要獲得準確的單色光波長，本實驗系統(tǒng)設(shè)計了一種可輸出多種波長的光源模組（圖1）。選擇8種在可見光范圍內(nèi)的LED，固定在帶有聚光鏡的LED燈座上，呈圓周狀均勻排列。整個LED燈盤通過一個帶有磁編碼器的360°舵機驅(qū)動定位，每個LED燈的工作電壓和通斷控制信號可由主控器發(fā)出，LED燈的波長準確數(shù)值通過光譜儀測量得出。

圖1 光源模組

本實驗系統(tǒng)采用可自動切換多孔徑光闌（圖2），共設(shè)計了8種不同孔徑均勻分布在圓盤上，由舵機驅(qū)動。該圓盤直徑與固定LED燈座的圓盤相同，并且對心安裝，確保不同孔徑的光闌與LED燈對心。

圖 2 多孔徑光闌

本實驗系統(tǒng)選擇的GD-28光電管（圖3）是一款側(cè)窗式銻鉀銫光電陰極，為了避免外界光線影響，把光電管安裝在一個黑色3D打印的遮光罩中，在側(cè)面預(yù)留出開窗。GD-28光電管的陽極形狀為一個線框，光路避免直接照射到線框上，可有效減少陽極電流，把陰極和陽極用導(dǎo)線連接到底部端子連接座上。

圖 3 GD-28 光電管

為精確測量光電管中的微弱電流及遏止電壓，本實驗系統(tǒng)采用高精度直流數(shù)顯數(shù)字表頭，支持數(shù)碼管實時顯示電壓、電流數(shù)值，并配備隔離RS485接口，實現(xiàn)電表數(shù)據(jù)的傳輸與采集。

本實驗系統(tǒng)設(shè)計了20余種尺寸為6?cm×6?cm或6?cm×3?cm的標準化電學(xué)器件，底部帶有磁鐵（圖4），以及可以自由放置的磁吸式電學(xué)實驗區(qū)。電學(xué)器件通過可堆疊式2?mm的香蕉頭插接件快速實現(xiàn)線路連接，并提高電路可靠性。支持學(xué)生自主設(shè)計更多電學(xué)器件，電學(xué)實驗區(qū)可以安裝更多的拓展電學(xué)器件模塊進行課外創(chuàng)新性實驗的探索。

圖 4 標準尺寸的電學(xué)器件模塊

在實驗面板上安裝一塊7寸IPS帶觸摸功能的顯示屏，作為交互界面。該屏幕通過對應(yīng)的界面開發(fā)軟件設(shè)計和簡易編程，可以實現(xiàn)豐富的控件特效，支持視頻、動畫播放，并借助串口與主控器連接。

磁吸式演示電表（圖5）可吸附在黑板上，通過連接實驗箱中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可同步顯示實驗箱中的數(shù)據(jù)，也可同步操控實驗設(shè)備。演示電表數(shù)值顯示采用1寸的LED，學(xué)生讀數(shù)更加清晰。通過調(diào)節(jié)旋鈕可設(shè)置顯示數(shù)值的單位、選擇所要顯示的物理量等。

圖 5 磁吸式演示電表

物聯(lián)網(wǎng)功能

基于物聯(lián)網(wǎng)的多終端包括交互屏幕端、手機端、磁吸電表端、網(wǎng)頁端。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打通物理實驗過程中的數(shù)據(jù)流，在多個數(shù)據(jù)終端共享數(shù)據(jù)并進一步分析處理，多種數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式可供師生靈活選擇。物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

實驗測試

測量光電管伏安特性曲線

實驗?zāi)康?/strong>①探究光電管正向電壓與光電流的關(guān)系。②探究光電管反向電壓與光電流的關(guān)系。

實驗步驟①通過電源方向切換開關(guān)，選擇對光電管加正向電壓，電位器旋鈕旋至輸出電壓為0的位置，確保開關(guān)斷開狀態(tài)。②通過觸摸屏控制光源輸出520?nm波長、光闌直徑14?mm，電流表應(yīng)有讀數(shù)。③通過電位器旋鈕逐漸增大正向電壓，手動采集數(shù)據(jù)后，在磁吸電表、網(wǎng)頁端等同步顯示數(shù)據(jù)。④斷開開關(guān)，切換電源方向為反向電源，重復(fù)測量。⑤改變電源輸出的單色光波長，改變光闌直徑，重復(fù)測量。

實驗結(jié)論①從光電管正向電壓與光電流的關(guān)系中可以看出，隨著電壓增加，光電流越大，并趨于某一飽和電流；相同波長的入射光，供電電壓越大（光強越強），其光電流增大。②隨著光電管兩端的反向電壓越大，光電流迅速降低；當光電流為零時，測得不同波長下的遏止電壓。可以看出波長越短，遏止電壓越大。同一波長，不同光強的光，遏止電壓一樣。

遏止電壓與入射光波長的關(guān)系

實驗?zāi)康?/strong>①定量測量遏止電壓與入射光波長的關(guān)系。②測量普朗克常量。③測量光電管陰極材料極限波長。

實驗步驟①光電管兩端加上反向電壓。②選擇不同的入射光光源，并記錄入射光波長。③光闌直徑、供電電壓不變，通過調(diào)節(jié)電位器，增大反向電壓大小，直到光電流剛好穩(wěn)定顯示為零時，記錄反向電壓的大小。④重復(fù)測量5種以上入射光對應(yīng)的遏止電壓。

通過觀察波長與遏止電壓之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)波長越大，遏止電壓越小，猜想波長的倒數(shù)與遏止電壓之間呈線性關(guān)系。經(jīng)過擬合得到

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