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    光電管|光電管原理|光電管工作原理圖

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    光電管與光電效應

    光電管的介紹,屬于高中物理選修3-5波粒二象性的內容,屬于光電效應這一節。我們首先來復習下光電效應的概念。

    在光的照射下,某些物質內部的電子會被光子激發出來而離開該物質的表面,持續的光照射,就會產生電流(電子移動產生的),具體如下圖所示。

    從能量轉化的角度來看,光電效應是一個光生電的過程(發電過程),是光能轉化為電能的過程。

    光電效應

    光電效應最早由德國物理學家赫茲于1887年發現,但這一現象在當時很長一段時間內不能被解釋清楚。光電效應正確的解釋由愛因斯坦提出,具體見這篇文章的詳細介紹。

    光電管

    光電管是基于光電效應的一種光電轉換器件。光電管可使光信號轉換成電信號。

    王尚老師輔導書物理自診斷每道題都有視頻講解,哪道題不會掃題旁二維碼即可看視頻,學習更高效,考試分數更高,歡迎添加微信teacherws咨詢。市場上的光電管,大致可分為真空光電管和充氣光電管兩種。光電管的典型結構是將球形玻璃殼抽成真空,在內半球面上涂一層光電材料作為陰極,球心放置小球形或小環形金屬作為陽極。若球內充低壓惰性氣體就成為充氣光電管。光電子在飛向陽極的過程中與氣體分子碰撞而使氣體電離,可增加光電管的靈敏度。

    用作光電陰極的金屬有堿金屬、汞、金、銀等,可適合不同波段的需要。光電管靈敏度低、體積大、易破損,是一種較為原始的光電設備(就猶如老式的顯像管電視機一樣),目前基本上已被固體光電器件所代替。

    光電管原理及光電管工作原理圖

    光電管原理

    前文已經提及,光電管工作原理是光電效應,是光照射某物質,該物質的電子俘獲能量后克服原子核的束縛,逃逸出來(形成電流)。因為我們是高中物理網,因此這里的介紹是基于高中物理選修3-5波粒二象性教材的。

    光電管wuli.in工作原理圖如上圖所示,某種單色光照射金屬K,金屬K表面的電子俘獲能量后可以克服原子核的束縛(逸出功),并有一部分能量富裕,這就是電子的動能。

    電子如圖所示,從K表面激發出來后,向A極運動。這樣,A極有大量的負電荷帶負電,而K極失去了電子帶正電。

    如果將K極與A極連接,串聯一個靈敏電流計(圖中G表),那么電流計就有示數。這就是光電管原理解釋。

    光電效應與光電管都不好理解,筆者建議同學們借助物理自診斷專題45的典型題以及配套的視頻來深入學習。

    愛因斯坦

    光電管電壓

    該部分光電管的電壓分析(能量分析)以及下方截止電壓部分,與上面光電管原理是一致的,是更進一步從能量守恒角度解析光電管的工作原理。

    光電效應基本公式我們已經學過,是

    hv=W+Ek;(1)

    其中,h為普朗克常量,v為光的頻率,W為逸出功,Ek為電子的動能。

    光電管的能量轉化,根據功能關系可有:

    eU=Ek;(2)

    其中,e為電子的電荷量,U為光電管K極與A極間的電壓。

    光電管電壓測量(截止電壓)

    如下圖所示的電路圖,當我們在光電管電路的基礎上,加上一個電源與滑動變阻器,便可以制造一個截止電壓。

    光電管工作原理示意圖

    截止電壓的概念是這樣的:設置上圖的滑動變阻器的P的位置,使得電流計G示數為零。

    電流為零,這說明電壓為零,即外界電源產生的電壓與原來光電管產生的電壓抵消了。此時,上圖中電壓表V所測的外在電源的電壓,叫做截止電壓。

    顯然,利用所測量的截止電壓,并借助上述公式(2)可以反推Ek,再借助上述公式(1)可以求解K金屬的逸出功。

    截止頻率

    剛好能夠讓金屬發生光電效應的頻率(Ek=0),稱之為截止頻率。

    截止頻率滿足方程:hv0=W

    由截止頻率的概念可知,低于截止頻率的光,無法讓金屬板發生光電效應。

    光電管的能量轉化

    具體見上方解釋。王尚新書《物理自診斷》每道題都有視頻講解,哪道題不會掃題旁二維碼即可看視頻,學習更高效,考試分數更高,歡迎微信teacherws咨詢。

    光電管從能量角度來看,是利用光能產生電能的過程。具體見上方光電效應與光電管的工作原理解釋。

    光電管學習問題與王尚老師答疑

    王尚老師物理答疑

    學生問題1:什么是光電子?

    王尚老師:顧名思義,光電子就是光激發出來的電子。具體定義如下:光照射到某些物質上,引起物質的電性質發生變化:該物質的電子俘獲能量后克服原子核的束縛,逃逸出來(形成電流)。這類光致電變的現象被人們統稱為光電效應。金屬表面在光輻照作用下發射電子的效應,發射出來的電子叫做光電子。請同學們借助物理自診斷專題45的例題與我的視頻講解來理解這個考點,以及光電效應的其他知識內容。

    學生問題2:課本上光電管是來干嘛的?

    王尚老師:咱們教材課本講解光電管,從前后邏輯關系來看,其目的有兩個:其一,通過截止電壓的測量,來求解金屬的逸出功。其二,進一步驗證光電效應方程的準確性,為波粒二象性理論做論證案例。請同學們借助物理自診斷專題45的例題與我的視頻講解來理解這個考點,以及光電效應的其他知識內容。

    學生問題3:光電管的公式eU=Ek是加速電子的嗎?

    王尚老師:光電管的公式eU=Ek并不是用來計算加速電子的速度的,而是用來計算截止電壓的。通過調節滑動變阻器P的位置,令電流表(電流計)G的示數為零,此時電壓表測量的電壓,即為截止電壓。截止電壓滿足公式:eU=Ek。這個公式指的是,在激發出光電子反方向上添加的一個電壓,剛好讓動能為Ek的電子,達不到電極的另外一端,進而形成電流。請同學們借助物理自診斷專題45的例題與我的視頻講解來理解這個考點,以及光電效應的其他知識內容。

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    作者:王尚,蘇陽。校正:齊思源。版權歸屬高中物理網(www.q6113.com),嚴禁轉載。

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