4-電磁學(xué)、光學(xué)上的幾個驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

#首都師范大學(xué)教育碩士論文第五章數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)在電磁學(xué)、光學(xué)上的突破生的思維不再需要經(jīng)過對現(xiàn)象的理解記憶這一程序了，可以把精力集中到自感現(xiàn)象成因的解釋這一焦點(diǎn)上來，從一定程度上減輕了學(xué)生的學(xué)習(xí)困難。實(shí)驗(yàn)簡述于下。下面的圖39為實(shí)驗(yàn)電路的原理圖，事先調(diào)整滑動變阻器，確保兩個支路上的同型號的燈泡在電路的穩(wěn)定狀態(tài)下發(fā)光亮度相同。斷開開關(guān)，幾秒鐘后閉合開關(guān)，引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)際電路中觀察到：電感電路中的小燈泡的發(fā)光比變阻器電路的燈泡發(fā)光在時間上有明顯的延遲。接通傳感器和電腦，重復(fù)實(shí)驗(yàn)前一次步驟，用電腦投影把傳感器采集到的兩個支路中的電流變化圖象實(shí)時投影到大屏幕上，如圖41學(xué)生可以看到兩個支路電流的動態(tài)變化。結(jié)合看到的燈泡發(fā)光延遲現(xiàn)象，學(xué)生很容易理解自感現(xiàn)象的成因。在圖41中，學(xué)生還可以看到兩個支路中的電流在達(dá)到最大值之后，都有一個明顯但幅度并不大的下降，這實(shí)際上就是小燈泡接通電路后電流的瞬態(tài)變化，原因在5.1.2中已經(jīng)解釋，這里不再贅述。教師此時可以提醒學(xué)生，自感現(xiàn)象的發(fā)生時間和小燈泡電流的瞬態(tài)變化時間很接近，都很短暫，所以自感現(xiàn)象的觀察不是很容易。完成開關(guān)閉合后的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察和解釋以后，學(xué)生已經(jīng)明白了自感的成因，接下來就可以演示斷開電源時的電流變化。實(shí)驗(yàn)的電路原理圖圖40，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖像如圖42所示。在這里，學(xué)生除了可以觀察到回路中的自感電流的緩慢減少趨勢之外，還可以看到變阻器支路的電流發(fā)生了方向的變化，這與課本上解釋的理論成因形成呼應(yīng)，理論在實(shí)驗(yàn)上得到了明確肯定的驗(yàn)證。應(yīng)該說，這個實(shí)驗(yàn)的成功是一個完美的成功：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象簡潔清晰，理論與實(shí)際嚴(yán)絲和扣。圖41圖42圖41圖42光電效應(yīng)光電效應(yīng)是中學(xué)物理光學(xué)部分最為重要內(nèi)容之一。學(xué)生在這里與科學(xué)大師進(jìn)行思想的交流，體會近代物理學(xué)的新思維和新方法。然而，一個無法抹去的遺憾是：光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象規(guī)律我們只能從課本上一一讀來，而不是親手做一下來體會。造成這一困難出現(xiàn)的原因主

要有兩條：（1）光電流太小，最大只有1"A，普通的指針式靈敏電流表精度達(dá)不到；（2）光電子發(fā)射的瞬時性（延遲時間不超過10-9s）,指針式靈敏電流表的反應(yīng)速度跟不上。在2006年7月的暑假，筆者與我校的實(shí)驗(yàn)員一起，完成了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與制作，借助計(jì)算機(jī)和微電流傳感器，完成了光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)量化測量。這對我來說，具有里程碑式的意義：從中學(xué)到物理系畢業(yè)，也從沒有這樣直接與光子有如此的近距離接觸。但在一個中學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)室，我卻完成了光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)量化測量，至今想起仍然令我心情激動不已。實(shí)驗(yàn)的電路原理圖如下圖43。上面圖44是利用自制的實(shí)驗(yàn)裝置采集數(shù)據(jù)繪制的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)圖像，分區(qū)解釋如下。A區(qū)：整個裝置放置于密閉不透光的盒中，沒有光照射光電管，光電管也未加正向電壓從圖上看，此時光電流為零，表明電路中光電效應(yīng)未發(fā)生。B區(qū)：打開電源，讓光線照射至光電管，保持光電管正向電壓為零。從圖中看，光電流

曲線有一個跳變，這說明，一旦有光照射至光電管金屬膜，光電效應(yīng)的發(fā)生是瞬時的，并沒有時間上的延遲。在光源上加一個濾光片，分別換用紅色、藍(lán)色、紫色三種濾光片照射光電管，發(fā)現(xiàn)藍(lán)色紫色兩種色光可以如上所述一樣，瞬時發(fā)生光電效應(yīng)。，而紅色光無論如何延長照射時間，均不能發(fā)生光電效應(yīng)。這其實(shí)就是光電效應(yīng)極限頻率存在的證據(jù)。C區(qū)：給光電管加上正向電壓并從零開始增大電壓，可以看到光電流也開始增大。從圖上看，電壓的增大與光電流的增大的線性關(guān)系很好，可以初步得出它們之間存在很好的正相關(guān)關(guān)系。D區(qū)：繼續(xù)增大正向電壓，此時光電流不再增大而保持不變；減小正向電壓，光電流仍然保持不變。這是飽和光電流存在的證據(jù)。如果此時增強(qiáng)光照，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)光電流還會隨正向電壓的增大而增大。E區(qū)：減小正向電壓，光電流開始減小。此區(qū)域的規(guī)律與C區(qū)相對應(yīng)。F區(qū)：保持照射光強(qiáng)度不變，正向電壓雖然已經(jīng)減小到零，但光電效應(yīng)仍然發(fā)生。與B區(qū)規(guī)律相同。G區(qū)：利用換向開關(guān)，改變光電管的正負(fù)極，光電效應(yīng)仍然存在。只是隨著反向電壓的增大，光電流逐漸減小到零。G區(qū)和H區(qū)相鄰的邊界，反向電壓的大小就是光電效應(yīng)的截止電壓。H區(qū)：反向電壓達(dá)到光電效應(yīng)的截止后，繼續(xù)增大電壓，光電流自然應(yīng)當(dāng)為零。利用上面的圖像，可以找到課本上所敘述的四條實(shí)驗(yàn)規(guī)律，結(jié)合光子說，就很容易理解光電效應(yīng)的發(fā)生規(guī)律了。這種直觀的形式顯然更有利于學(xué)生掌握知識內(nèi)容。而且，由于是用圖像顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對學(xué)生來講又是一次圖像法解決問題的實(shí)戰(zhàn)演練，無論從方法的學(xué)習(xí)還是從能力的提高任何一個方面來講，對學(xué)生都是一種促進(jìn)。在2007年3月份，筆者所在的年級組在物理教學(xué)中嘗試了上述光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)在課堂中的使用。從課堂效果上看，首先實(shí)驗(yàn)極大地吸引了學(xué)生的注意力。其次光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中的光電流發(fā)射瞬時性特點(diǎn)、極限頻率特點(diǎn)、光電流與光強(qiáng)度正相關(guān)特點(diǎn)不但得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，還引起了學(xué)生的爭論，應(yīng)該說實(shí)驗(yàn)的引進(jìn)達(dá)到了一定的效果。一個極富創(chuàng)造力的實(shí)驗(yàn)下面的這個實(shí)驗(yàn)是深圳市濱河中學(xué)的一個學(xué)生研究性學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖45：在一個盛有電解液的淺盤底部平行等間距放置三根銅棒A、O、B。一個穩(wěn)壓電源的正負(fù)極分別接在A、B兩個銅棒上。鐵架臺上懸掛著一個雙線擺，金屬擺球下有一細(xì)銅絲，可以浸入導(dǎo)電液，但是不和銅棒接觸。小球靜止時正好在銅棒O的正上方。雙線擺的一根懸線是細(xì)導(dǎo)線，通過導(dǎo)線連通電壓傳感器，并與銅棒O相連。由于銅棒A、B之間有電壓，所以A、B相當(dāng)于平行板電容器的兩個極，因此A、B間的電場為勻強(qiáng)電場。當(dāng)小球作較小角度振動時，由于速度較小，液體對細(xì)銅絲的阻力可以忽

略，此時小球做的是簡諧運(yùn)動。小球偏離銅棒0的距離X不同，球與棒0間的電勢差U'也不同。由于是勻強(qiáng)電場，所以有：U*EX。也就是說電壓傳感器所測得的電壓的大小線性反映了擺球偏離平衡位置的位移。開始實(shí)驗(yàn)前調(diào)零電壓傳感器，當(dāng)擺球運(yùn)動到不同位置時傳感器測出的電勢差的正負(fù)正好反映了擺球偏離平衡位置位移的方向，電勢差大小則正比反映了擺球偏離平衡位置的位移的大小。實(shí)驗(yàn)的振動圖像記錄如右：實(shí)驗(yàn)圖像表明：擺球在振動時，其偏離平衡位置的位移與時間是明顯的正弦函數(shù)關(guān)系。而已有的U^x理論證明：做簡諧運(yùn)動的物體其振動圖像為正弦（余弦）圖像。據(jù)此可以推斷此實(shí)驗(yàn)裝置中的金屬球在角度較小的情況下的振動為簡諧運(yùn)動，從而驗(yàn)證了課本上關(guān)于單擺做簡諧運(yùn)動的理論證明。圖46圖46當(dāng)然，傳統(tǒng)的實(shí)