科技教育創新成果一等獎：基于物聯網的多終端光電效應實驗系統

作者

文_陳思鑫/福建省泉州市第七中學

光電效應實驗涉及量子物理最基礎的內容，也是量子物理與經典物理學的重要銜接。物理課程標準要求學生通過實驗知道光電效應的實驗規律，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的解釋；知道愛因斯坦光電效應方程，知道其物理意義。傳統光電效應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，對光電效應的研究缺失重要的一環；采用指針式表盤，尺寸較小，在演示時不便于觀察；實驗電路部分已經在演示器內部連接好，學生可探究實踐的內容很少，更多的是現象的直觀感受，不利于定量研究。

設計思路

設計一種自動切換多種單色光輸出的光源模組，獲取準確波長數值；將電學器件設計成標準模塊，采用總線方式傳輸數據；由學生自主進行電路連接，支持拓展更多模塊進行創新實驗探究；采用電容式觸摸屏操控實驗設備、設置參數、處理數據、學習微課；利用物聯網技術打通實驗數據流，實現多終端數據共享與處理，包括交互界面、黑板磁吸電表、網頁端數據大屏、打印模塊及手機端等，支持實時展示與深度分析；通過記錄學生實驗中的操作痕跡，對學生進行過程性評價；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系、飽和光電流的決定因素、測量液體的濃度、光電傳感器設計等多個實驗，多種數據終端能適用于不同課堂需求，可適用于演示實驗、分組實驗及課外創新拓展。

項目制作

硬件設計

為定量計算遏止電壓與入射光波長的規律，需要獲得準確的單色光波長，本實驗系統設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出，LED燈的波長準確數值通過光譜儀測量得出。

圖1 光源模組

本實驗系統采用可自動切換多孔徑光闌（圖2），共設計了8種不同孔徑均勻分布在圓盤上，由舵機驅動。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

本實驗系統選擇的GD-28光電管（圖3）是一款側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，在側面預留出開窗。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，本實驗系統采用高精度直流數顯數字表頭，支持數碼管實時顯示電壓、電流數值，并配備隔離RS485接口，實現電表數據的傳輸與采集。

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

圖 4 標準尺寸的電學器件模塊

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。該屏幕通過對應的界面開發軟件設計和簡易編程，可以實現豐富的控件特效，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絡設備，可同步顯示實驗箱中的數據，也可同步操控實驗設備。演示電表數值顯示采用1寸的LED，學生讀數更加清晰。通過調節旋鈕可設置顯示數值的單位、選擇所要顯示的物理量等。

圖 5 磁吸式演示電表

物聯網功能

基于物聯網的多終端包括交互屏幕端、手機端、磁吸電表端、網頁端。利用物聯網技術打通物理實驗過程中的數據流，在多個數據終端共享數據并進一步分析處理，多種數據呈現方式可供師生靈活選擇。物聯網結構示意圖如圖6所示。

圖6 物聯網結構示意圖

實驗測試

測量光電管伏安特性曲線

實驗目的①探究光電管正向電壓與光電流的關系。②探究光電管反向電壓與光電流的關系。

實驗步驟①通過電源方向切換開關，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，確保開關斷開狀態。②通過觸摸屏控制光源輸出520?nm波長、光闌直徑14?mm，電流表應有讀數。③通過電位器旋鈕逐漸增大正向電壓，手動采集數據后，在磁吸電表、網頁端等同步顯示數據。④斷開開關，切換電源方向為反向電源，重復測量。⑤改變電源輸出的單色光波長，改變光闌直徑，重復測量。

實驗結論①從光電管正向電壓與光電流的關系中可以看出，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系

實驗目的①定量測量遏止電壓與入射光波長的關系。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，通過調節電位器，增大反向電壓大小，直到光電流剛好穩定顯示為零時，記錄反向電壓的大小。④重復測量5種以上入射光對應的遏止電壓。

通過觀察波長與遏止電壓之間的關系，發現波長越大，遏止電壓越小，猜想波長的倒數與遏止電壓之間呈線性關系。經過擬合得到

U

U

進一步通過愛因斯坦光電效應方程分析

hv=w+Ek

Ek=eU

h

創新拓展實驗：光電效應測量液體的濃度

實驗原理由于溶液對光有吸收作用，其吸光率滿足公式

A

Kbc

K

c

b

后續根據該圖像得出的濃度與飽和光電流的關系式，通過測定未知濃度溶液對應的飽和光電流就能得知其濃度大小，極大程度地簡化液體濃度測量的實驗步驟。

評價功能的實現

為了實現對學生實驗操作的過程性評價，通過RS485總線實時記錄學生操作痕跡和各個傳感器的實時數值，利用上位機軟件分析學生實驗操作的準確程度，輔助評分者作出更精準的判斷。對實驗操作過程構建科學量化標準，實現對實驗操作能力的評價，評價量表詳見表1。

該項目獲得第 38 屆全國青少年科技創新大賽科技輔導員科技教育創新成果一等獎

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來源 | 《中國科技教育》2025-03

編輯 | 孟想

審校 | 若惜、朱志安