4-电磁学、光学上的几个验证实验

#首都师范大学教育硕士论文第五章数字化实验技术在电磁学、光学上的突破生的思维不再需要经过对现象的理解记忆这一程序了，可以把精力集中到自感现象成因的解释这一焦点上来，从一定程度上减轻了学生的学习困难。实验简述于下。下面的图39为实验电路的原理图，事先调整滑动变阻器，确保两个支路上的同型号的灯泡在电路的稳定状态下发光亮度相同。断开开关，几秒钟后闭合开关，引导学生从实际电路中观察到：电感电路中的小灯泡的发光比变阻器电路的灯泡发光在时间上有明显的延迟。接通传感器和电脑，重复实验前一次步骤，用电脑投影把传感器采集到的两个支路中的电流变化图象实时投影到大屏幕上，如图41学生可以看到两个支路电流的动态变化。结合看到的灯泡发光延迟现象，学生很容易理解自感现象的成因。在图41中，学生还可以看到两个支路中的电流在达到最大值之后，都有一个明显但幅度并不大的下降，这实际上就是小灯泡接通电路后电流的瞬态变化，原因在5.1.2中已经解释，这里不再赘述。教师此时可以提醒学生，自感现象的发生时间和小灯泡电流的瞬态变化时间很接近，都很短暂，所以自感现象的观察不是很容易。完成开关闭合后的实验现象观察和解释以后，学生已经明白了自感的成因，接下来就可以演示断开电源时的电流变化。实验的电路原理图图40，实验数据图像如图42所示。在这里，学生除了可以观察到回路中的自感电流的缓慢减少趋势之外，还可以看到变阻器支路的电流发生了方向的变化，这与课本上解释的理论成因形成呼应，理论在实验上得到了明确肯定的验证。应该说，这个实验的成功是一个完美的成功：实验现象简洁清晰，理论与实际严丝和扣。图41图42图41图42光电效应光电效应是中学物理光学部分最为重要内容之一。学生在这里与科学大师进行思想的交流，体会近代物理学的新思维和新方法。然而，一个无法抹去的遗憾是：光电效应实验的现象规律我们只能从课本上一一读来，而不是亲手做一下来体会。造成这一困难出现的原因主

要有两条：（1）光电流太小，最大只有1"A，普通的指针式灵敏电流表精度达不到；（2）光电子发射的瞬时性（延迟时间不超过10-9s）,指针式灵敏电流表的反应速度跟不上。在2006年7月的暑假，笔者与我校的实验员一起，完成了光电效应的实验装置设计与制作，借助计算机和微电流传感器，完成了光电效应实验的准量化测量。这对我来说，具有里程碑式的意义：从中学到物理系毕业，也从没有这样直接与光子有如此的近距离接触。但在一个中学的物理实验室，我却完成了光电效应实验的准量化测量，至今想起仍然令我心情激动不已。实验的电路原理图如下图43。上面图44是利用自制的实验装置采集数据绘制的光电效应实验图像，分区解释如下。A区：整个装置放置于密闭不透光的盒中，没有光照射光电管，光电管也未加正向电压从图上看，此时光电流为零，表明电路中光电效应未发生。B区：打开电源，让光线照射至光电管，保持光电管正向电压为零。从图中看，光电流

曲线有一个跳变，这说明，一旦有光照射至光电管金属膜，光电效应的发生是瞬时的，并没有时间上的延迟。在光源上加一个滤光片，分别换用红色、蓝色、紫色三种滤光片照射光电管，发现蓝色紫色两种色光可以如上所述一样，瞬时发生光电效应。，而红色光无论如何延长照射时间，均不能发生光电效应。这其实就是光电效应极限频率存在的证据。C区：给光电管加上正向电压并从零开始增大电压，可以看到光电流也开始增大。从图上看，电压的增大与光电流的增大的线性关系很好，可以初步得出它们之间存在很好的正相关关系。D区：继续增大正向电压，此时光电流不再增大而保持不变；减小正向电压，光电流仍然保持不变。这是饱和光电流存在的证据。如果此时增强光照，实验发现光电流还会随正向电压的增大而增大。E区：减小正向电压，光电流开始减小。此区域的规律与C区相对应。F区：保持照射光强度不变，正向电压虽然已经减小到零，但光电效应仍然发生。与B区规律相同。G区：利用换向开关，改变光电管的正负极，光电效应仍然存在。只是随着反向电压的增大，光电流逐渐减小到零。G区和H区相邻的边界，反向电压的大小就是光电效应的截止电压。H区：反向电压达到光电效应的截止后，继续增大电压，光电流自然应当为零。利用上面的图像，可以找到课本上所叙述的四条实验规律，结合光子说，就很容易理解光电效应的发生规律了。这种直观的形式显然更有利于学生掌握知识内容。而且，由于是用图像显示实验结果，对学生来讲又是一次图像法解决问题的实战演练，无论从方法的学习还是从能力的提高任何一个方面来讲，对学生都是一种促进。在2007年3月份，笔者所在的年级组在物理教学中尝试了上述光电效应实验在课堂中的使用。从课堂效果上看，首先实验极大地吸引了学生的注意力。其次光电效应实验中的光电流发射瞬时性特点、极限频率特点、光电流与光强度正相关特点不但得到实验验证，还引起了学生的争论，应该说实验的引进达到了一定的效果。一个极富创造力的实验下面的这个实验是深圳市滨河中学的一个学生研究性学习实验。实验装置原理如图45：在一个盛有电解液的浅盘底部平行等间距放置三根铜棒A、O、B。一个稳压电源的正负极分别接在A、B两个铜棒上。铁架台上悬挂着一个双线摆，金属摆球下有一细铜丝，可以浸入导电液，但是不和铜棒接触。小球静止时正好在铜棒O的正上方。双线摆的一根悬线是细导线，通过导线连通电压传感器，并与铜棒O相连。由于铜棒A、B之间有电压，所以A、B相当于平行板电容器的两个极，因此A、B间的电场为匀强电场。当小球作较小角度振动时，由于速度较小，液体对细铜丝的阻力可以忽

略，此时小球做的是简谐运动。小球偏离铜棒0的距离X不同，球与棒0间的电势差U'也不同。由于是匀强电场，所以有：U*EX。也就是说电压传感器所测得的电压的大小线性反映了摆球偏离平衡位置的位移。开始实验前调零电压传感器，当摆球运动到不同位置时传感器测出的电势差的正负正好反映了摆球偏离平衡位置位移的方向，电势差大小则正比反映了摆球偏离平衡位置的位移的大小。实验的振动图像记录如右：实验图像表明：摆球在振动时，其偏离平衡位置的位移与时间是明显的正弦函数关系。而已有的U^x理论证明：做简谐运动的物体其振动图像为正弦（余弦）图像。据此可以推断此实验装置中的金属球在角度较小的情况下的振动为简谐运动，从而验证了课本上关于单摆做简谐运动的理论证明。图46图46当然，传统的实