书城科普读物动手做实验丛书--光学实验改进设计实践
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第11章 物理光学实验的操作与改进设计(3)

现行教材基本上都是采用“带负电法”(即先给锌板带上负电荷,然后再用紫外线去照射的方法)来演示光电效应实验,一般情况下实验效果不错。但是,如何使未带电的锌板在紫外线的照射下也能发射出光电子,产生光电效应,并能由一般的验电器显示出来呢?为了解决这个问题,江西宜春地区粮食职工中专易康平老师介绍可采用“外加电场”,即在锌板与紫外光源之间引入一个带正电荷的金属网,如这个带正电荷的金属网能产生一个电场。它能起到两个重要作用:其一,对于锌板来说能抵消一部分原子核对核外电子的束缚作用;其二,能及时清除锌板附近的光电子云。

实验原理:由于外加正电场的作用,使锌原子核对核外电子的束缚作用减弱,所以当纸屏取走后,紫外线穿过金属网照射在锌板上时就能比较容易地发射出光电子,产生光电效应。同时,可以看到锌板下验电器的箔片张角由零开始逐渐增大,金属网下箔片的张角逐渐减小。

但是,随着锌板上光电子的不断发射,锌板上积累的正电荷越来越多,由正电荷产生的正电场也越来越强,到一定程度锌板上就不能再发射出光电子了,验电器箔片张角也就稳定下来了。

实验步骤及现象:①把锌板与金属网均插在两个完全相同的验电器上;②给金属网带上正电荷,让网上验电器箔片张开一个较大的角度;③将纸屏取走,让紫外线穿过金属网照射在锌板上;④这时可看到锌板下的验电器的箔片张开一角度,经检验知锌板已带上了正电荷,而金属网下验电器的箔片张角减少了一些,这说明从锌板上发射出的光电子被带正电的金属网所吸收并中和了一部分。最后,两验电器的箔片张角近似相等,它们之间达到了截止电位,锌板就不再发射出光电子了,这时即使我们取走金属网,锌板下验电器的箔片张角也不会发生变化。

锌板在紫外线照射下产生光电效应的实验还可以由下面两个小实验来演示。

(1)锌板接地,金属网带上正电荷,取走纸屏,用紫外线照射在锌板上,可见到带正电的金属网下的验电器的箔片张角逐渐减小,最后为零。这表明锌板接地时在紫外线照射下能不断发射出光电子,而带正电的金属网则吸收光电子直到与它全部中和为止。

(2)锌板与金属网都插在验电器上,给锌板带上少量的负电荷,金属网带上较多的正电荷,且锌板下验电器的箔片张角小于金属网下验电器的箔片张角。取走纸屏,在紫外线照射下,锌板发射出的光电子奔向带正电的金属网,锌板下验电器的箔片张角先闭合,然后再张开,经检验知它已带上了正电荷;金属网下验电器的箔片张角减少了一些,最后两验电器的箔片张角近似相等。另外,如果想使锌板下验电器的箔片张角大一些,只须给金属网带更多的正电荷就行了。

注意事项:①做实验前要将朝着光源一面打磨干净并立即使用,以免在其表面上形成氧化层而影响实验效果。②实验操作应准确迅速并注意保护好实验人员的眼睛。

“用静电计演示光电效应”实验

有时我们用静电计、锌板和紫外光源演示光电效应现象,但此实验应注意空气电离对其结果的影响。四川省什邡洛水中学陈良烈老师作了如下分析:

实验情况:将锌板装在静电计金属杆上,先将锌板带上负电荷、此时静电计指针张开一定角度。待稳定后开启紫外线灯(实验中用了高压泵灯代替紫外光光源)。

当紫外光照到锌板上时,静电计指针偏角开始缓慢减小。如用玻璃板挡住紫外线,静电计指针偏角立即停止减小。

其实,上述实验中,偏角减小的原因并不完全是由紫外线照射锌板而从锌板上逸出光电子引起的。有两种情况值得考虑:第一种情况就是由光电效应引起偏角减小的;第二种情况则有可能是由于空气受紫外光照射后,电离出正离子和电子。正离子在锌板电场(锌板带电形成电场)作用下到达锌板发生电中和而使静电计指针偏角减小的,可用方框表示。

两种情况都可使静电计指针偏角减小,这在实验中是同时存在的,后一种情况显然不是光电效应,下述实验证实了这一点。

先将锌板带上正电荷,静电计指针张开一定角度。用紫外光照射到锌板。实验现象是:当紫外光刚照射到锌板上的很短暂的时间内,如果抓住这一短暂时间仔细观察便可看到静电计指针偏角微微增大,随即偏角开始减小,如紫外光继续照射,指针偏角不断减小。

这一现象进一步说明:用紫外光照射带电锌板时,锌板上有电子逸出,同时,也有负电荷到达锌板,可用方框说明之。

前者导致静电计指针偏角增大,后者导致偏角减少。短暂时间内出现偏角微微增大的现象说明光电效应占了上风,因为光电子吸收光子能量到逸出锌板经历时间极短,而空气中的电子飞向锌板过程必经频繁碰撞,不能在很短时间内到达锌板。所以,此时锌板上正电荷增多。

静电计指针偏角增大。后来出现静电计指针偏角减小说明后一种情况占了上风,即逸出锌板的光电子数较飞到锌板上的电子数少。由此可见,在本实验中,电离、电场作用效果更甚!

因此,在用静电计演示光电效应现象时,最好选用给锌板带负电的方法,以免造成混淆甚至得出相反的结果难以向中学生解释。

“光的偏振”辅助实验的两点改进

现行高中物理课本第一册“光的偏振”一节在利用偏振片观察光的偏振现象这一实验前,安排了两个辅助实验——利用绳波演示横波的偏振和利用弹簧中的疏密波说明纵波没有偏振现象演示好这两个辅助实验,不仅能形象地说明横波和纵波的主要区别在于能否发生偏振现象,而且能帮助学生更好地理解和分析用偏振片演示的光的偏振现象。

江苏省江阴县中学徐汉屏老师在教学实践中,对这两个辅助实验作了两点改进:

其一,将水平演示改为竖直演示。课本上描述的绳波和弹簧中的疏密波都是沿水平方向传播的,由于实际上演示用的绳子和弹簧都不可避免地具有一定的重量,其中部分因重力作用而下垂,给演示带来不便,效果也不明显。若将绳子或弹簧竖直放置,将其上端固定,下端作为波源竖直演示。

其二,将两个木栅改为一个木栅。演示时,可将木栅水平放置,并以波的传播方向为轴旋转360°,让学生观察波的传播情况。这样做,不光可以省去一个木栅,便于一手引起波动一手旋转木栅,而且与后面的偏振片演示实验(实验时也是将偏振片以入射光线即光波的传播方向旋转的)更加吻合,更容易引起学生的联想与类比。

改进后的这两个辅助实验分别。

自制教具——玻璃堆

做光的偏振实验,除了用偏振片做透射光偏振和用黑玻璃片做反射光的偏振外,还可以自制玻璃堆做折射光的偏振实验。

玻璃堆,可以做成圆筒形、方筒形和小型三种,河北山海关一中刘守勤如下分述:

圆筒形玻璃堆的制作:

(1)主要材料:

①废蜡纸筒两个(直径粗些的其他硬纸筒更好)。

②废玻璃若干。

③硬纸板几小块(可用废纸盒折成)。

(2)做法:

①将两个蜡纸筒截成四段,使每段都成为具有一个椭圆形斜截面与筒轴成33°角。

②把马蹄形椭圆按在纸上,用硬纸板做四个外圈与椭圆大小一样的、边宽5mm的椭圆环,用胶糊粘在椭圆而上。

③画出一个椭圆面的内接矩形,长、宽比例大约为2∶1,按矩形大小将薄玻璃片(1-2mm厚)切成30小块。

④在蜡纸筒外用硬纸板做两个长约200mm的筒套。每个筒套紧紧的套上两个马蹄形筒,每个筒使两个椭圆面相对,且平行。在两个椭圆面之间各镶上15片切好的小玻璃片。把筒套与筒用胶糊粘牢,即成两个玻璃堆,两个玻璃堆可以那样套在一起使用,以光线为轴转动其中一个玻璃堆可以看到光源通过两个玻璃堆的光的亮度做周期性的变化,即图示或其中一玻璃堆转过180°时透过的光最强;若从图示位置将其中一个玻璃堆转过90°或270°时,则透过两玻璃堆的光最弱。

方筒玻璃堆的制作:

(1)将废罐头铁皮3尺寸(单位mm)剪成长方形,沿两长边虚线翻过1mm的边,再沿与短边平行的虚线弯成正四棱柱形方筒,焊好接缝。

(2)按尺寸把显微镜的载物片(每片厚08mm)切好,倒去四角。把玻璃片镶在筒内。AB、CD处焊好两个卡子。

玻璃堆也可以跟偏振片配合使用。左手持一个圆筒或方筒玻璃堆,右手再拿一偏振片,对着天空。使入射光跟偏振片平面垂直,跟玻璃堆筒轴方向一致,这时更使偏振片以入射光线为轴旋转,可以看到偏振片的颜色忽而深忽而浅。

小型玻璃堆的制作:

(1)主要材料:

①盖片(显微镜载物片上用)15片。每片规格:厚02mm,每边20mm。

②厚3-4mm的有机玻璃或硬质塑料块。

(2)做法:①把15片盖片逐个用酒精棉球擦干净,叠放在一起。

将a、b、c、d四角点少许白乳胶,使其粘成一整体(或用透胶布包边)。

②用有机玻璃或硬塑料,做一个宽5mm的边框A,按上转轴和支架。玻璃镶在边框中心。使用时,将边框连同玻璃堆一起绕OO轴转一角度(玻璃面与光线成33°角即可)。

巧做“单缝衍射”实验衍射现象是波特有的现象之一,光的衍射现象也是证明光具有波动性的重要实验。

我们利用现有的实验器材——游标卡尺改装成了一个缝宽可以连续变化的单缝,配以激光光源,即能看到单缝衍射的发生和随缝宽变化的完整的过程,北京十九中赵莹老师介绍具体做法如下:

取两个精度是005mm的游标卡尺的游标(这种卡尺的游标上除有固定螺旋外,还有微调螺旋)。按照其卡脚上半部的形状用薄铁皮做成如图1所示的一对带套筒的遮光屏,将它们套在两个卡脚上部,并将两个游标组装在同一把主尺上。将两游标移近,观察两个遮光屏的制作是否合乎如下要求:

①两个遮光屏在同一平面上;②两屏间的缝上下等宽,可以完全合拢,且缝的走向与主尺垂直。

调整两屏使其符合要求后,即可用它来做实验了。演示如下:

调好两游标间的距离,旋紧两个固定螺旋,将主尺用小台钳固定在讲台桌边,激光器放置其后,让激光束刚好能穿过两遮光屏间缝的中央,打到教室(暗室)的后墙壁上。

开始时可让缝间距略大于激光束的宽度,使光束未经任何障碍直接打到教室的后墙上,则墙壁上所显示的是一个很亮的圆光斑。两手同时旋动两游标的微调螺旋,使两个卡脚同时相向移动,使缝间距缓慢变窄,直至完全闭合,观察墙壁上的光斑变化。在这过程中,当缝间距减小到约两毫米时开始观察出衍射现象,但条纹及间距很窄。这以后,缝间距越窄,衍射现象越明显,条纹及间距越宽,中央主极强的宽度也越宽。当缝完全合拢时,墙上衍射光斑完全消失,一片黑暗。

这一连续变化的现象非常直观地显示了光的衍射现象产生的条件、衍射条纹的特点及其与缝宽的关系。对学生接受这部分知识带来了极大的方便,解决了教学中的一个难点。

泊松亮斑的衍射演示实验及照片制作

现行高中物理课本光的衍射一文中,关于菲涅尔衍射现象,叙述了“当实验证明了圆板阴影的中心确定有这样一个亮斑时,光的波动理论确切无疑地被证实了”。陕西师大张长庚老师建议用下列器材,让教师在课堂上或学生自己在课外演示这一现象,无疑对学生加深了解光的衍射现象是大有裨益的。

器材:

激光光源或使用22V聚光灯泡作光源、支架、磁铁、钢针、钢珠(Φ3-Φ4mm)、光屏、感光底片、相纸。

泊松亮斑的演示(1)在支架上固定磁铁,将钢针用胶布固定在磁铁上针尖向下,将钢珠吸引在针尖下,激光光源距钢珠两米远左右照亮钢珠,在钢珠附近处,放一张白纸作光屏,便于调节支架使钢珠处在激光光源正中心处(最好选用上下、左右可调节的支架,利于调节钢珠处在光源中心)。

调好后取走白纸,在距钢珠3-4米远处的光屏上便明显地出现了泊松亮斑。

(2)在没有激光光源条件下,可使用22V的聚光灯泡作光源,距钢珠2-3cm照亮钢珠,适当调节光源距钢珠、钢珠距光屏的距离,也可在光屏上得到泊松亮斑,学生可在课外自己动手做这一实验,但现象不如用激光光源明显。

(3)障碍物也可用浓墨计滴在玻璃上制取,直径与钢珠大小相同。

泊松亮斑照片的制作在全黑房间内,将感光底片放置在泊松亮斑处,使用SO正片感光约20秒,经暗室显形、定影便可获得底片,经印制即可得到泊松亮斑照片。如果直接使用感光相纸,放在泊松亮斑处曝光,经暗室处理,便可获得一张成负像的泊松亮斑照片。

使用HN-1型激光光源制得泊松亮斑效果颇佳。

用螺旋测微器观察光的衍射